基于ARM的太阳能发电控制系统功率研究

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                    　　摘要:设计了基于ARMLPC2131的驱动系统，自动跟踪太阳光直射方向来提高光伏电池的效率，并采用了改进的步进式扰动观察算法来寻找太阳电池阵列的最大功率点，使系统在任何温度和日照条件下都能获得太阳电池的最大功率。实践证明，该系统精确地跟踪了各种情况下的太阳光变化，并将光伏电池的实际转换率提高到30％以上。
　　引言
　　目前，我国国内太阳能自动跟踪器主要有：压差式太阳能跟踪器，控放式太阳跟踪，时钟式太阳跟踪器，比较控制式太阳跟踪器。纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低，本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳;在天黑后，能够使电池板重新朝向东方，实现日循环运行。
　　太阳能发电控制系统
　　传感器结构
　　该跟踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。






　　图2 立柱转动式跟踪器示意图
　　当光线发生偏移，控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动，通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]。
　　MPPT控制器
　　光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线，中间的某个电压值取得最大功率)，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。如：在日照强度为1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪 [3]。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。






　　图4系统结构框图
　　驱动电路
　　光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻：5-10 K Ω，暗电阻：200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3，R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集，将所采集的模拟量转化为数字量，判断方位角和俯仰角的变化，并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲， 控制步进电机转向正确的方向，然后继续进行A/D采集和控制，直到信号差在一定范围之内，此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6。






　　图6 步进电机驱动电路
　　步进电机57BYG007，GSP-24RW-046，皆为四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平，ULN2803(步进电机驱动芯片，集电极输出)的1脚到4脚依次为高电平，这样就给步进电机1(57BYG007)正转一步的脉冲信号，步进电机正转1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平，步进电机反转1.8度，GSP-24RW-046驱动原理与之相同。
　　DC/DC、MPPT电路
　　系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V，工作电流1A左右，所采用的蓄电池为12V-7AH，由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压为之充电，而光伏电池如果不经过DC/DC处理，无法保证为蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压，此处可以为将来系统升级做准备)，然后降压到14V为蓄电池稳压充电[5]，电路图如图7所示。






　　图8 蓄电池充放电控制电路
　　电路右端Uin=20V作为输入电压， 通过BUCK降压电路将电压降到14V为蓄电池充电，Uo=Uin×D,要得到14V电压，设置Q2的占空比为70%。白天：2个继电器皆为常开状态A,光伏电池为步进电机和ARM供电(采用7805稳压管降压到5V)，并为蓄电池充电，蓄电池正极接反相截至二极管，保证充电同时不放电。夜间(或日照极差，由光敏电阻判断)：继电器1、2被吸合到B,步进电机停止工作，蓄电池为ARM供电，并带动负载(路灯)工作。
　　系统软件设计
　　本系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的，主要包括：A/D模块，DC/DC 模块，MPPT 及蓄电池充放电控制等。系统重点在硬件设计，软件设计相对较简单，主程序流程图如图 9所示。






　　图9 主程序及主控后台程序流程图
　　结语
　　整个系统以ARM LPC2131 为核心对 DC/DC、 MPPT、蓄电池组充放电进行控制，采用最大功率点的跟踪，使光伏电池工作在最佳状态，使光伏电池的实际转换率由10% 提高到30%。系统通过自动跟踪测试，达到预期的性能指标，控制精度高，已由公司制作成品，并计划批量生产。它的制作简单、成本低、实用性强，这对于我国广阔的太阳能资源丰富地区，有着非常广阔的应用前景。