基于微電壓調(diào)節(jié)的太陽能充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常見的幾種最大功率點(diǎn)追蹤算法有電壓回授法、功率回授法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文提出一種僅通過檢測微電壓的變化來實(shí)現(xiàn)追蹤最大工作點(diǎn)的算法——微電壓調(diào)節(jié)算法。該算法是基于電壓回授法提出來的，效率相對(duì)有明顯提高，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。
微電壓調(diào)節(jié)算法是指檢測電壓以一定的步長增加或減少所需的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間的長短來選擇最大工作點(diǎn)電壓。其理論基礎(chǔ)是電荷量等于電容與端電壓的乘積，即Q=C×U。當(dāng)電容為恒定值時(shí)，相應(yīng)的線性關(guān)系變化為△Q=C×△U。
所以，可通過檢測不同階段電壓的變換時(shí)間的長短來選擇充電的最佳工作點(diǎn)，再通過追蹤最佳工作點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換和傳遞。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文采用低功耗的ARM芯片LPC1114作為控制器的主控芯片，而給相應(yīng)的外圍芯片設(shè)計(jì)了太陽能充放電控制器。系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

2．1 主控芯片及其電源電路
本系統(tǒng)采用NXP公司的微控制器LPC1114作為本系統(tǒng)的核心。LPC111x系列芯片是基于ARM Cortex-M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
該微控制器特點(diǎn)如下：
◆流水線結(jié)構(gòu)的ARM Cortex-M0內(nèi)核，處理器工作最高頻率可選50 MHz；
◆串行接口UART可產(chǎn)生小數(shù)波特率，帶有內(nèi)部FIFO，支持RS-485／EIA-485，具有Modem控制；
◆32 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)8 KB的靜態(tài)RAM，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用中編程；
◆看門狗定時(shí)器(WDT)，系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器，10位ADC在8個(gè)引腳之間實(shí)現(xiàn)輸入多路復(fù)用；
◆具備3種節(jié)能模式——睡眠、深度睡眠和深度掉電，集成的PMU(Power Management Unit)在睡 眠、深度睡眠和深度掉電模式下自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部穩(wěn)壓器，將功耗降至最低。
電源電路采用蓄電池供電，不追加外部供電系統(tǒng)。通過LM7805和LM1117兩個(gè)線性電源為芯片供電。電源電路原理圖如圖6所示。

2．2 主控電路
太陽能智能控制系統(tǒng)主要由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、充電控制部分、阻抗匹配平衡部分、放電切換部分和為交流負(fù)載提供電能的逆變器組成。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)微處理器的分析處理對(duì)MOS管的導(dǎo)通與否實(shí)施控制。充電控制部分完成對(duì)開關(guān)管的控制，當(dāng)無過充現(xiàn)象時(shí)在光伏電池輸出的最佳工作點(diǎn)處給蓄電池充電并實(shí)時(shí)采集分析。阻抗匹配平衡電路作為PWM調(diào)試追蹤最大工作點(diǎn)的核心部分，實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。放電切換部分完成直接供電或在功率不足時(shí)由民用交流電供電。逆變器則是為交流負(fù)載供電時(shí)將直流轉(zhuǎn)為交流。

圖7為系統(tǒng)的主控電路。SB460為阻塞二極管，用于防止光伏電池電壓過低時(shí)產(chǎn)生反充的現(xiàn)象。C1和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)檢測功能電路。C2為濾波電容，減小電壓抖動(dòng)文波。D1為穩(wěn)壓二極管，用于嵌位開關(guān)管兩端電壓，滿足開關(guān)的開啟電壓。Q1部分電路為MOS管的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，功率場效應(yīng)管是所有全控型電力電子器件中工作頻率最寬的一種，MOS管是電壓控制型器件，但對(duì)于MOS管的驅(qū)動(dòng)也要保證一定的驅(qū)動(dòng)電流。該驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。DC／DC平衡電路根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)輸出電壓，其實(shí)際上就是阻抗變換器，為了實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配而達(dá)到最大功率輸出的效果。D2為泄流二極管，在繼電器吸合斷開時(shí)泄放電流，起到保護(hù)的作用。K1為繼電器，采用AIKS公司生產(chǎn)的ARL2F系列，通過控制三極管的導(dǎo)通與否實(shí)現(xiàn)繼電器的控制，當(dāng)繼電器吸合時(shí)由太陽能系統(tǒng)供電，在功率不足或是欠壓狀態(tài)下由民用供電系統(tǒng)供電，在給交流負(fù)載供電時(shí)，需要經(jīng)過逆變器實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。