基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计

李绍武

(湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000)

随着能源危机的加重和人们对环境污染的重视，太阳能和风能作为理想的可再生清洁能源的优点逐渐显现出来.风能和太阳能在时间和地域上具有良好的互补性，这一优点引起了人们对风光互补发电研究和应用的广泛重视.文献[1]和文献[2]中建立了风光互补发电控制电路的模型，文献[3]中对风光互补电路的能量分配进行了研究，本文在上述研究的基础之上，主要对风光互补模块和输出逆变模块的控制电路进行了研究，设计了基于AVR单片机的风能太阳能控制器，实现了太阳能发电和风能发电控制的智能“二合一”.

图1 风能太阳能控制器原理结构图

1 硬件电路的设计

风能太阳能控制器的结构如图1所示.该控制器由单片机控制电路和外围主电路组成，外围主电路主要包括风能太阳能互补控制电路、斩波电路、整流电路、逆变电路、驱动电路和检测电路等.

1.1 控制电路

系统控制电路以ATmega128单片机[4]为核心.采用该芯片4路可编程PWM资源实现输入斩波控制和输出逆变控制；通用I/O接口实现蓄电池的充放电控制及键盘、显示、报警等功能；内部集成的A/D转换器完成过程电压、电流和输出电压的采样.

图2 风能太阳能互补控制电路图

图3 主程序流程图

表1输出能量管理表

Tab.1 Manage table of output energy

工作模式太阳能电池组电压VS风能发电机电压VW输出电源供电来源模式0VS

1.2 斩波、整流电路

风能发电机输出的三相交流电压经三相桥式整流为单相脉动直流电压，滤波后稳定的输出电压作为斩波器输出的基准电压.斩波电路1采用简单的Boost电路[5]，控制IGBT栅极的PWM信号占空比可以很容易地控制输出电压值，使其始终等于基准电压.斩波电路2采用Cuk电路[5]，同理，控制IGBT栅极的PWM信号占空比可以很容易地控制输出电压值，使其始终等于输出直流电压设定值.如果没有对输出电压值进行设定，该电路将完成最大输出功能跟踪(MPPT)功能[6].

1.3 风能太阳能互补控制电路

为了实现太阳能发电和风能发电的智能“二和一”，采用两个固态继电器完成风光互补电路的控制，如图2所示.常开触点KS1和KS2分别控制斩波器输出电路和整流器输出电路的通断.

对于常开触点KS2，只有当风能发电机输出电压大于等于阈值电压并且小于等于上限电压时闭合.互补输出的能量管理如表1所示，其中阈值电压和均可由单片机键盘设定.风能发电机输出上限电压主要是针对暴风等特殊情况下对主电路和控制电路的保护.

风能太阳能互补电路中，当工作于模式3时，斩波器和整流器输出的直流电压大小必须相等.即在同时闭合常开触点KS1和KS2前，需检测图1中c、d两路输出电压的大小.同时，为防止电压大小短暂的差异损坏电路，设置两个电力二极管(VD1和VD2)实现主电路的保护.工作模式的选择可通过单片机键盘输入设定，缺省情况下，单片机根据c、d两路电压采样结果自行判定.

1.4 输出逆变电路

输出逆变电路采用单相桥式逆变电路[5]，实现从直流电到频率和幅值可调的交流电的逆变.频率和幅值可以通过键盘设定，缺省值对应为50赫兹220伏交流电输出.逆变器中的4个IGBT由AVR单片机生成的两路SPWM信号经过驱动电路2后进行驱动.通过对SPWM信号频率、相位和占空比的控制可以很方便的实现对输出交流电频率和幅值的控制.对输出电压的采样可以实现对交流输出电压频率和幅值的实时监控.

1.5 驱动电路

驱动电路的质量决定对IGBT驱动的可靠性和稳定性，本系统采用集成驱动芯片IR2110来完成驱动电路的设计.由IR2110芯片搭建的驱动电路1和驱动电路2分别实现对两路PWM信号和两路SPWM信号的驱动.

1.6 键盘、显示及保护电路

键盘采用矩阵方式设计，采用中断方式进行编程.键盘和显示电路主要完成控制器工作模式、输出交直流电压大小、蓄电池充放电情况以及太阳能供电阈值电压VSth和风能供电阈值电压VWth的设置和显示.保护电路采用光电隔离技术实现控制电路和主电路的隔离，包括单片机与驱动电路、蓄电池电路以及互补电路的隔离.蓄电池通过单片机的I/O端口和电压监控实现智能三阶段充放电控制[7].

2 软件设计

2.1 主程序

主程序主要实现对I/O接口、定时器、A/D转换器的初始化，并完成模式0到模式3的切换和控制.图3为整个控制器的主程序流程图，其中电压采样部分完成太阳能电池组电压采集和风能发电机端电压采集.参数flag1和flag2分别表示太阳能电池组输出电压和风能发电机输出电压是否大于阈值电压的标志位，等于1表示输出电压大于阈值电压，等于0表示输出电压小于阈值电压.

图4 工作模式3子程序流程图

2.2 模式3子程序

PWM子程序1主要完成斩波电路1输出电压的控制.PWM子程序2主要完成斩波电路2输出电压的控制.SPWM子程序主要完成逆变电路输出电压幅值和频率的控制.

3 仿真

本系统采用PROTEUS软件进行仿真，仿真主电路如图5所示.其中，PWM1和PWM2信号分别由AVR单片机的OC3A和OC3B端口产生，分别用于控制IGBT1和IGBT2的通断以完成对斩波电路1和斩波电路2输出电压的控制.SPWM1和SPWM2信号分别由AVR单片机的OC1B和OC1C端口产生，用于对逆变器输出电压幅值和频率的控制.单片机的I/O信号经过光电隔离后作为控制信号1和控制信号2，分别用于控制继电器1和继电器2的通断，以模拟互补控制电路的工作情况.

仿真时，采用直流电源模拟太阳能电池的输出，且通过间歇改变直流电压大小模拟太阳能电池的输出特性；同时，采用三个频率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流电源模拟三相风能发电机的输出特性.仿真过程显示，整个系统控制简单、工作稳定、输出波形失真度小.

图5 主电路仿真图

4 结语

本设计采用AVR单片机较好的解决了风能太阳能互补发电中的控制问题，实现了风能发电和太阳能发电在能源上的互补，在控制上的“二合一”，在充分利用不同地域的风能和太阳能资源方面，具有较高的实用价值和推广价值.

[1]陆虎瑜，马胜红.光伏·风力及互补发电村落系统[M].北京：中国电力出版社，2005：3-7.

[2]杨鹏，史旺旺.基于单片机的船用风光互补发电系统控制器的设计[J].工业控制计算机，2009，22(5)：63-64.

[3]揭婷，段善旭，刘邦银，等.风光互补发电系统的能量管理研究[J].变频器世界，2008(9)：45-48.

[4]全钟夫，杜刚.ATmega128单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5]王兆安、黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008：103-107.

[6]王群京，王涛，李国丽.小型风光互补MPPT控制的研究[J].电气传动，2009，39(5)：40-42.

[7]闭金杰，罗晓曙，杨日星，等.基于AVR的太阳能控制器设计[J].现代电子技术，2009(10)：167-169.