ARM的太陽能發電控制系統功率研究

摘要:設計了基于ARMLPC2131的驅動系統，自動跟蹤太陽光直射方向來提高光伏電池的效率，并采用了改進的步進式擾動觀察算法來尋找太陽電池陣列的最大功率點，使系統在任何溫度和日照條件下都能獲得太陽電池的最大功率。實踐證明，該系統精確地跟蹤了各種情況下的太陽光變化，并將光伏電池的實際轉換率提高到30％以上。

引言

目前，我國國內太陽能自動跟蹤器主要有：壓差式太陽能跟蹤器，控放式太陽跟蹤，時鐘式太陽跟蹤器，比較控制式太陽跟蹤器。純機械式的跟蹤器和時鐘式的機電跟蹤器精度偏低，本系統采用了精度相對較高的光敏電阻控制的雙軸太陽跟蹤器的控制方式使光伏電池始終朝向太陽;在天黑后，能夠使電池板重新朝向東方，實現日循環運行。

太陽能發電控制系統

傳感器結構

該跟蹤器的傳感器結構見圖1。設置一個圓筒形外殼，在圓筒外部東、南、西、北四個方向上分別布置4 只光敏電阻;其中P1、P3 東西對稱安裝在圓筒的兩側，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉角度即方位角;P2、P4 南北對稱安裝在圓筒的兩側，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角;在圓筒內部，東、南、西、北四個方向上也分別布置4 只光敏電阻，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度和太陽的視高度。

圖1 傳感器結構示意圖

立柱轉動式跟蹤器

跟蹤器的結構見圖2。步進電機1固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對于底座可以轉動)，轉動架以及支架固定安裝在主軸上，光伏電池、步進電機2 安裝在支架上面(光伏電池相對于支架可以轉動)，步進電機2 的輸出軸連接在光伏電池上。

圖2 立柱轉動式跟蹤器示意圖

當光線發生偏移，控制部分發出控制信號驅動步進電機 1 帶動轉動架以及固定在轉動架上的主軸、支架以及光伏電池轉動;同時控制信號驅動步進電機2 帶動光伏電池相對與支架轉動，通過步進電機1、步進電機2 的共同工作實現對太陽方位角和高度角的跟蹤[2]。

MPPT控制器

光伏電池的輸出功率與它的工作電壓有關(U-P曲線一般呈先上升后下降的光滑曲線，中間的某個電壓值取得最大功率)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。如：在日照強度為1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可見30V的電壓下輸出功率更大。MPPT(最大功率點跟蹤)控制器主要功能是:檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽電池陣列的輸出功率，并實現對最大功率點的追蹤 [3]。圖 3為實際應用擾動與觀察法來實現最大功率點追蹤的示意圖。

圖3 MPPT控制實現示意圖

擾動電阻 R 和MOSFET 串連在一起，在輸出電壓基本穩定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產生了電流的擾動[4]。同時，光伏電池的輸出電流和輸出電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當擾動方向正確時太陽能光電板輸出功率增加，下一周期繼續朝同一方向擾動，反之，當太陽能光電板輸出功率減少時，表示擾動方向錯誤，下一周期朝反向擾動，如此反復進行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達最大功率點。

系統硬件設計

系統的主控制電路在整個設計中占有重要地位，它主要對主回路進行控制，保證 MPPT 算法有效實現，使 DC/DC 變換保持恒壓輸出，且與 LCD 的人機接口通信。它還在對蓄電池充放電的控制電路起著重要的作用。首先它對光伏電池功率的有效跟蹤，使得蓄電池的充電可以得到最大功率的恒壓電流。從而避免了光伏電池能量的浪費。其次，主控制器控制的恒壓電流也使設計恒壓充電的充放電電路變的容易。系統結構框圖如圖4所示。

圖4系統結構框圖

驅動電路

光敏電阻采用的型號為GM5516,亮電阻：5-10 K Ω，暗電阻：200K Ω以上。系統通過對4對8路(R1對應圖1中的P1,R2對應圖1中的P3，R3-R8同理)光敏電阻即時進行A/D采集，將所采集的模擬量轉化為數字量，判斷方位角和俯仰角的變化，并通過I/O(OUT1-OUT8)給步進電機1個正轉或反轉脈沖， 控制步進電機轉向正確的方向，然后繼續進行A/D采集和控制，直到信號差在一定范圍之內，此時光伏電池正對太陽。電路示于圖5和圖6。

圖5 光敏電阻采集電路

圖6 步進電機驅動電路

步進電機57BYG007，GSP-24RW-046，皆為四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高電平，ULN2803(步進電機驅動芯片，集電極輸出)的1腳到4腳依次為高電平，這樣就給步進電機1(57BYG007)正轉一步的脈沖信號，步進電機正轉1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高電平，步進電機反轉1.8度，GSP-24RW-046驅動原理與之相同。

DC/DC、MPPT電路

系統所采用光伏電池正常工作電壓10-14V，工作電流1A左右，所采用的蓄電池為12V-7AH，由于 12V的蓄電池一般需要13-15V的電壓為之充電，而光伏電池如果不經過DC/DC處理，無法保證為蓄電池穩壓充電。因此通過BOOST升壓電路將光伏電池電壓升高20V(大功率步進電機需要較大電壓，此處可以為將來系統升級做準備)，然后降壓到14V為蓄電池穩壓充電[5]，電路圖如圖7所示。

圖7 DC/DC及MPPT電路

圖7電路左端為光伏電池，右端輸出電壓為Uo(圖7的Uo為圖8的Uin)，我們需要得到右端Uo=20V。

首先通過并聯50K、10K電阻組成的電路，并對10K電阻兩端A/D采集，采集電壓Uad1，間接得到蓄電池兩端電壓Uin=6Uad1;

Uo要求為20V, 通過Uo = Uin/(1-D)可計算出需要的D(Q1的占空比),輸出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驅動電壓要求15V,所以PWM1需要經過上拉電壓15V和光耦開關組合后對Q1控制，不是簡單的控制Q1。

通過R5、R6組成的電路采集R6兩端電壓Uad2，間接得到Uo=6 Uad2，將Uo與20V比較，即時調整實際的D，使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脈沖周期的5%)，然后延時、采集、判斷，直到得到精確的占空比D，能夠準確輸出電壓Uo=20V。

在輸出電壓基本穩定的基礎上，設置Q4的PWM2，改變R7擾動電阻的占空比，來改變輸出電流，通過對R8兩端電壓的A/D采集，采集電壓Uad3，得到電路總電流I=Uad3/R8,因此得到太陽能電池輸出總功率P=Uin×I(因為電路是電流連續工作，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，C1電流可忽略，甚至電容C1可除去，且光伏電池左端的采集電阻相當大，電流極小，亦可忽略)，改變光伏電池即時輸出實際功率，來實現MPPT。

蓄電池充放電控制電路

白天，光伏電池需要為蓄電池充電，以便蓄電池能夠晚間對負載(路燈)供電，并且步進電機的工作電能也需要由光伏電池提供(若光伏電池的功率不足以帶動電機，說明日照極差，無需轉動電機)，ARM板必須連續供電，白天由光伏電池供電，夜間由蓄電池供電，這一套充放電控制電路需要用到2個繼電器，一個是控制蓄電池充電和放電，另一個控制ARM板的工作電壓由光伏電池提供還是蓄電池提供，電路如圖8所示。

圖8 蓄電池充放電控制電路

電路右端Uin=20V作為輸入電壓， 通過BUCK降壓電路將電壓降到14V為蓄電池充電，Uo=Uin×D,要得到14V電壓，設置Q2的占空比為70%。白天：2個繼電器皆為常開狀態A,光伏電池為步進電機和ARM供電(采用7805穩壓管降壓到5V)，并為蓄電池充電，蓄電池正極接反相截至二極管，保證充電同時不放電。夜間(或日照極差，由光敏電阻判斷)：繼電器1、2被吸合到B,步進電機停止工作，蓄電池為ARM供電，并帶動負載(路燈)工作。

系統軟件設計

本系統主要的控制作用都是由主控制軟件實現的，主要包括：A/D模塊，DC/DC 模塊，MPPT 及蓄電池充放電控制等。系統重點在硬件設計，軟件設計相對較簡單，主程序流程圖如圖 9所示。

圖9 主程序及主控后臺程序流程圖

結語

整個系統以ARM LPC2131 為核心對 DC/DC、 MPPT、蓄電池組充放電進行控制，采用最大功率點的跟蹤，使光伏電池工作在最佳狀態，使光伏電池的實際轉換率由10% 提高到30%。系統通過自動跟蹤測試，達到預期的性能指標，控制精度高，已由公司制作成品，并計劃批量生產。它的制作簡單、成本低、實用性強，這對于我國廣闊的太陽能資源豐富地區，有著非常廣闊的應用前景。