太阳能电池板输出功率智能控制装置设计

机床电器2012．1 PLC·变频器 ·计算机一 太阳能电池板输出功率智能控制装置设计 太阳能电池板输出功率智能控制装置设计 黄克亚 (南京铁道职业技术学院，215 137) 摘要： 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 给出了一种太阳能电池板最大输出功率控制装置设计方法，其系统由太阳能电池板、检测电路、DC— DC变换器、控制器、直流负载等部分组成。该装置通过实时采样太阳能电池板输出功率，计算并调整 DC—DC变换 器占空比，改变负载吸收功率，使太阳能电池板始终输出最大功率，实现太阳能的有效利用。该系统具有性价比高、 设计维护方便、工作稳定可靠的优点。 关键词：太阳能电池板；最大输出功率；DC—DC变换；跟踪算法 中图分类号：TK513，TP272 文献标识码：B 文章编号：1004—0420(2012)01—0044—04 Design of solar cells maximum output power intelligent control device HUANG Ke—ya (Nanjing Institute of Railway Technology，215137) Abstract：In this paper，the design method of the solar cells maximum output power control was introduced．And it was made up of solar panels，detection circuit，DC—DC transform circuit，controller，DC load，ete．With this device，the effec． tive use of the solar energy was realized by sampling the solar cells output power real—time，calculating and adjusting the duty ratio of DC—DC converter，and changing the load absorption power to make the solar panels always keep the most high output power．This system has a cost—effective，easy maintenance design，stable and reliable advantage．． Key words：solar panels；maximum output power；DC—DC conve~er；tracking algorithm 随着能源和环境问题的日益突出，作为清洁能源 的太阳能越来越受到重视。近年来，太阳能光伏发电 的研究和应用有了突飞猛进的增长，成为新能源的研 究热点之一。目前制约太阳能光伏发电系统进一步发 展的主要因素有高昂的制造成本和较低的转换效率。 众所周知，太阳能电池板存在一个最大输出功率点，为 有效地利用太阳能，必须对太阳能电池板进行最大功 率点跟踪，即在不同温度和光照条件下，太阳能电池板 始终能够输出最大功率。 目前市场已有太阳电池板最大功率控制装置，但 大多数采用模拟电路构成，这类控制装置虽然价格较 为便宜，但实现较为复杂，可靠性存在一定的缺陷；而 且一种控制装置一般只能实现一种简单的跟踪算法， 比方说恒定电压法，其跟踪效果较差 ¨。目前最大输 出功率跟踪算法已呈现精确化、复杂化趋势，比方说模 糊控制法、神经网络法，采用模拟控制装置已很难实现 如此复杂的跟踪算法；而且由一种跟踪算法更新为另 外一种跟踪算法对于模拟系统来说往往意味着重新设 计。随着微电子技术和集成电路制造工艺的不断发 — — 44 —— 展，电子器件的价格有了大幅下降，以微处理器为核心 的嵌入式数字系统实现太阳能电池板最大输出功率控 制显得更加经济高效 J。 1 系统组成 针对现有技术的不足，本设计提供一种基于微处 理器的最大输出功率控制装置，该装置可以用于太阳 能电池板最大输出功率跟踪控制，以实现对太阳能的 有效利用。系统的组成结构如图 1所示。其中包括太 阳能电池板、DC—DC变换器、直流负载、检测电路、驱 动隔离电路、稳压电路、ISP下载电路、控制器、显示装 置等功能部件。 I太阳能卜_—— Dc—pc I蓄电池I 1电池板 — — _一变换器 —I直流负载l =I= I皇匿皇 兰 L 圃 ．I 兰L_一 固 图1 控制装置结构示意图 PLC·变频器 ·计算机——太阳能电池板输出功率智能控制装置设计 机床电器 2012．1 太阳能电池板吸收太阳光并将其转换为电能，经 DC—DC变换器向负载提供电能，为保证太阳能电池 板始终输出最大功率，检测电路不断实时地检测太阳 能电池板的电压值和电流值，并计算出功率，根据控制 器内置控制算法，计算下一次调整占空比信号，经驱动 隔离电路形成 PWM信号，送 DC—DC变换器执行，以 改变负载的等效电阻，使其与太阳能电池板内部电阻 相匹配，以保证太阳能电池板输出最大功率。 2 系统硬件 太阳能电池板最大输出功率控制装置通过以下技 术方案来实现。 2．1 DC—DC变换器及负载 系统 DC—DC变换器如图2所示，太阳能电池板 最大输出功率控制装置 DC—DC变换器选择升压式 (Boost)变换电路 J，其主要由开关管 s、二极管 D 、储 能电感 和滤波电容 C 组成。当开关管 S导通时， 电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电 容向负载供电。当开关管 S截止时，电感电流减小，释 放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，迫 使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同 时向电容充电，输出电压大于输入电压。这种变换器 适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的 情况。 图2 控制装置 DC—DC变换器及负载电路图 由图2所示可知，太阳能电池板所带负载包括一 蓄电池和一LED阵列。加人蓄电池用于存储电能，以 便随时利用；选择 LED阵列作为其直流负载，主要考 虑其呈现阻性，并能直观地反映出负载吸收功率的变 化。在蓄电池和直流负载之间加入二极管 D：防反冲， 加人开关 s．便于系统控制。 2．2 检测电路 系统检测电路如图 3所示，太阳能电池板最大输 出功率控制装置检测电路包括：电流传感器、电压比例 变换电路、AD转换芯片。为实时检测太阳能电池板电 压信号和电流信号，需要首先将电流信号经电流传感 器转换为电压信号。之后再将电流转换后的电压值和 太阳能电池电压信号，经电压比例变换电路变换到AD 转换芯片所能接 收的范围，分别送 AD转换芯片 TLC2543通道0和通道 1，经 AD转换芯片将太阳能电 池板电流信号和电压信号转换为数字信号之后送单片 机 J。TLC2543和单片机之间数据通信采用的是串行 通信的方式，只要将四条信号线连接即可，分别为片选 信号cs，时钟信号 CLK，数据移出D。 ，数据移入 D 。 r1勰 h CS 2．3 驱动隔离电路 系统驱动隔离电路如图4所示，太阳能电池板最 大输出功率控制装置驱动隔离电路包括驱动电路和隔 离电路。单片机 I／O端口送出信号经电阻 接驱动 三极管 Q 的基极，Q 的集电极经电阻尺 接电源 V⋯ Q 的发射极直接接地。驱动信号经放大后作为光电 隔离电路的输入。光电隔离电路由光电隔离装置 u： 和限流电阻 、 。组成，光电隔离装置输出 PWM调 制信号作为DC—DC变换器开关管 s的控制信号。 图4 控制装置驱动隔离电路 2．4 稳压电路 系统稳压电路如图5所示，太阳能电池板最大输 出功率控制装置稳压电路包括：稳压芯片7805、防反 充二极管 D，、D ，输入侧滤波电容 C 、C ，其中C 为电 解电容，输出侧滤波电容 C，、C 、C 其中 C 为电解电 容。控制器电源由蓄电池提供，由于蓄电池电压不够 稳定且和单片机系统电源电压有一定的差别，所以要 采用 7805稳压芯片进行稳压，保证其输出电压可供数 字系统使用。为保证稳压效果以及使输出电压具有更 好的稳定性，所以对稳压芯片的输入端和输出端均进 行了滤波。稳压输出的5 V直流电为控制器及与其相 一 45 一 ] 2 嘶 机床电器 2012．1 PLC·变频器 ·计算机——太阳能电池板输出功率智能控制装置设计 连的ISP下载电路、显示装置提供电源。 能电池板所产生的电能就没有被充分利用。 GND 图5 控制装置稳压电路 2．5 控制器 太阳能电池板最大输出功率控制装置的控制器为 单片机 AT89S52。为使单片机工作，需要建立单片机 最小系统，其中包括时钟电路、复位电路、内外程序存 储器选择控制。控制器由稳压电路提供电源，与检测 电路相连接收电压电流信号，与驱动电路相连提供占 空比控制信号。为显示控制装置实时信息，该控制器 还需连接显示装置；为能够在线下载程序，该控制器还 需连接 ISP下载电路。 显示装置由四位共阳数码管组成，其中段选数据 线直接和单片机一组 IVO端口相连，位选数据线经驱 动芯片 ULN2003A和单片机一组 I／O端口相连。显示 控制采用循环扫描的方式进行，即逐一点亮一位数码 管，并高速切换，由于人眼的视觉停留特性，使其看上 去好像四个数码管同时稳定显示。 ISP下载电路是为实现控制器不用取下芯片即可 在线下载程序功能。ISP下载电路实际上是将单片机 相关引脚连接到 ISP下载接口，主要有 MOSI、SCK、 RESET、MISO、VCC、GND六个信号。使用时将 ISP下 载接口接支持 ISP功能的编程器，并运行相关软件即 可完成下载功能，此功能十分便于控制算法更新，系统 维护升级。 3 控制算法 3．1 跟踪原理 太阳能电池板的输出存在着最大功率点，在特定 的温度和光照条件下，电池板能否工作在最大功率点 取决于电池板所带的负载大小。 图6是图解法得出太阳能电池板工作点的示意 图。其图6(a)是太阳能电池板的等效电路图，图 6 (b)中曲线为太阳能电池板输出的电流电压 ，一 曲 线，直线表示负载电阻的 一 特性，二者的交点即太 阳能电池板的工作点。如果两条线的交点不在最大功 率点，此时负载和太阳能电池板就处于失配状态，太阳 — — 46 —— 太阳能电池板 DC／DC电路 外界的环境因素通常是无法人为改变的，温度和 光照在一天中是变化的，太阳能电池板的输出特性也 随之变化，要使太阳能电池板始终能够输出最大功率， 必须适应接人负载。本装置选择 Boost DC—DC变换 器作为最大功率跟踪器，其阻抗变换关系如式(1)所 示，其中：R为 Boost电路等效输人阻抗，D为开关占空 比，R 为负载阻抗，式中不考虑Boost电路自身电阻。 ： ： ：了 vo (1 一 D) ： (1一D) (1)／J(1 D “一 一 一 )一 ／一“ ’ ／ ／ 由此可知光伏阵列所接的等效负载是 Boost电路 占空比D和其所带负载 的函数，调节 Boost电路的 占空比就可以达到改变光伏阵列等效负载的目的，使 之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变 化，两者动态负载匹配时，就可获得太阳能电池板的最 大输出功率，从而实现最大输出功率跟踪 。 3．2 跟踪算法 目前已有多种太阳能电池板最大输出功率跟踪算 法，它分别是恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、模 糊控制法、神经网络法等。恒定电压法简单但跟踪效 果较差，所以现在已较少使用。扰动观察法和电导增 量法同为太阳能电池板最大输出功率跟踪经典算法， 无论是稳态性能还是动态性能，电导增量法均优于扰 动观察法，而且实现也不十分复杂。模糊控制法和神 经网络法跟踪效果较好，但使用单片机系统实现是十 分困难的。综上所述，本太阳能电池板最大输出功率 控制装置跟踪算法选择电导增量法。 3．3 电导增量法 太阳能电池板最大输出功率控制算法采用的是电 导增量法(Incremental Conductance Algorithm)，电导增 量法则是根据光伏阵列 P—V曲线为一条一阶连续可 导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即 PLC·变频器 ·计算机——太阳能电池板输出功率智能控制装置设计 机床电器 2012．1 对P =UI求全导数 ，可得： dP =IdU +Ua 两边同时除以 dU，可得 ： dP／dU =I十Udl／dU 令 dP／dU=0，可得： (2) (3) dI／dU =一／／U (4) 式(4)即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的 条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时 电导值的大小来决定参考电压变化的方向。根据工作 点与最大功率点的位置关系，具体 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 如下：①假设当 前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此 时有 dP／dU>0即dI／dU>一，／ ，说明参考电压应向 着增大的方向变化；②同理，假设当前的光伏阵列的工 作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP／dU<0，dI／ dU<一I／U，说明参考电压应向着减小的方向变化。 ③假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处(附 近)，此时将有 dP／dU=0，此时参考电压将保持不变， 也即光伏阵列工作在最大功率点上。 电导增量法 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图7所示， 、，n为本次采样 值， 一 、， 一 为上一次采样值，dU=0、dI=0条件在实 际使用中经常用一个小的阈值来代替为0的条件。 检测 、 计算d 、 是 是 是 套 是 ： 一 、 ． 一 上否 I否 广 l／Jr=U~+AUl l = AUl l =f，r—AUl l =Ur+／iUl I l l l lU．I= l=， l 图7 电导增量法 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 4 结束语 太阳能电池板存在一个最大输出功率点，为有效 地利用太阳能，必须对太阳能电池板进行最大输出功 率点跟踪。本文讨论了一种太阳能电池板最大输出功 率控制装置的技术背景、系统结构、系统硬件、控制算 法等相关内容，给出该类型太阳能电池板最大输出功 率控制装置详细实施方案。该设计方案具有性价比 高，设计维护方便，工作稳定可靠的优点。 参考文献： [1] 赵争鸣，等．太阳能光伏发电及其应用[M]．北京 ：科学 出版社，2006． [2] 张 兴，黄 如，刘晓彦．微电子学概论[M]．北京：北 京大学出版社，2005． [3] 曹旭阳．独立光伏路灯系统M ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt 控制器设计[D]．青 岛：中国海洋大学，2007． [4] 黄克亚．基于51系列单片机串行多通道数据采集系统 设计[J]．科技广场，2010，(7)：195—197． [5] 王 南．基于太阳能发电技术的交通警示照明系统的 研究[D]．西安：西安理工大学，2007． [6] Eflichios Koutroulisa1．Development of a microcontroller based photovoltaic maximum power point tracking control system [J]．IEEE Trans Power Electronics，2001，16 (1)：46—54． 收稿日期：2011—08—24 作者简介：黄克亚(1982一)，男，讲师，软件设计师，硕士学 位，研究方向为光伏技术、电气自动化。