单片机控制光伏发电配蓄电池最大功率输出的模拟仿真

林聪聪，韦文生，汪金国，徐 啸，陈文萍，吴 林，李求泉，叶乾云

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

单片机控制光伏发电配蓄电池最大功率输出的模拟仿真

林聪聪，韦文生†，汪金国，徐 啸，陈文萍，吴 林，李求泉，叶乾云

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

设计了一种基于AT89C51单片机的光伏电池最大功率输出与蓄电池充放电集成控制的电路，采用基于电压扰动法的最大功率点跟踪策略编程运行，从而建立了一个完整的管理系统．模拟仿真结果显示，引入最大功率点跟踪后，光伏电池的最大输出功率得到提升．该系统可作为虚拟仿真实验案例，也能开发成小型的离网供电方案．

单片机；光伏电池；蓄电池；最大功率输出；充放电控制；模拟

当今时代，传统化石能源为社会带来经济高速发展的同时，也越来越严重地污染人类的生存环境，越来越多的国家开始关注新能源的利用．太阳能已经成为具有广阔潜力的新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的一种重要方式．光伏发电的波动性、间歇性要求发电系统配合储能装置实现能量供需稳定．独立的光伏发电系统一般以蓄电池为储能装置，而充放电不合理将严重损坏蓄电池．因此，研究一种有效的充放电控制策略，是降低光伏发电系统成本、提高系统运行可靠性的重要途径．针对以上情况，本文设计仿真了一个结构简单、太阳能利用率高、充放电抗干扰能力强的光伏发电演示系统．

由于光伏电池受到光强、温度、太阳光入射角等多种因素的影响，其输出电压、电流不稳定．可以采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）策略，保证光伏电池始终输出最大功率．实现该策略的方法有恒定电压跟踪法[1]、导纳增量法[2]、扰动观察法[3]、模糊控制法[4-6]等，不同的方法有各自的优缺点．在太阳能发电系统中，常通过DC/DC变换电路（包括BUCK降压电路、BOOST升压电路）给蓄电池充放电，并经过稳压后给负载供电．一般地，MPPT及蓄电池充放电管理是通过单片机实现的．本文提出的系统，一方面，在单片机中利用电压扰动法进行脉宽调制（PWM）实现光伏发电MPPT，提高太阳能利用效率．另一方面，在蓄电池充放电管理电路中利用单片机控制双MOS管开关，避免蓄电池过冲与过放，从而提高蓄电池的使用效率并延长其使用寿命．我们优化设计了光伏发电配蓄电池给 LED供电照明系统，通过光伏电池输出电流及蓄电池两端电压的测量电路给单片机 AT89C51提供信号，采用电压扰动法编程执行MPPT控制，仿真实现了LED绿色照明．该系统可作为虚拟仿真实验案例，也能开发成小型的离网供电方案．

1 方案设计

1.1 系统结构和工作原理

如图 1所示，系统主要分六部分：光伏电池板、DC/DC转换电路、电压及电流测量电路、MPPT控制电路、冲放电管理电路和稳压电源电路．其中光伏电池板由两块15 W/17 V串联而成，铅酸蓄电池的容量为12 V/7 AH．

图1 系统框图

光伏电池可视为直流电源，当电源与外界负载相连，根据负载功率计算公式可知，当负载的阻值与电源内阻相等时，达到最大功率．本方案通过最大功率点跟踪算法编程，并由单片机执行控制，在电压扰动过程中去调整负载阻值的变化，实现最大功率跟踪．如图2所示，MPPT控制器通过电压、电流测量电路不断的检测光伏电池输出的电流和蓄电池两端的电压，计算电池板的输出功率，并根据最大功率点跟踪策略，产生相应占空比的PWM信号驱动BUCK电路，给蓄电池实时提供最大功率的电能，再通过双MOS管对蓄电池进行充放电管理，由稳压电路为负载电路供电，从而形成一个可持续的清洁能源系统．

2.2 电路系统

电路系统如图2所示．本系统在光伏电池以外的电路的等效电阻值与光伏电池的等效电阻值相等时即达到输出功率最大值．根据蓄电池工作特性，放电截止电压为 10 V，充电截止电压为14 V，通过电压测量电路感测蓄电池两端的电压，反馈给单片机，由它控制MOS管Q2、Q3的通断来达到蓄电池的充放电控制．

因为蓄电池提供的电压为12 V，若给两串联LED（额定电压为2.4 V，峰值电压为4 V）负载提供合适电压，需要降压后才能供LED使用[7]．可采用LM7805型稳压电源，得到波形较好的直流电压后给LED供电．此电路性能稳定，成本低，适应性好，简单易用．

在图2中，光伏电池通过DC/DC转换电路给蓄电池充电，采用电阻分压的方式对蓄电池两端电压进行采样，通过模数转换器（ADC）传到单片机．同时，通过电流通路中的电阻把被测电流转换成电压，再经过运放电路将该电压引到 ADC，由单片机处理后，根据最大功率跟踪策略输出一个脉宽调制信号（PWM）控制DC/DC转换电路中MOS管导通的时间，从而实现MPPT跟踪控制．在蓄电池两侧引入两个起开关作用的MOS开关管（Q2、Q3），控制蓄电池的充放电．因蓄电池两端的额定电压为12 V，若给负载供电时电压过高，可在蓄电池与负载之间引入稳压电源电路，再给负载供电．

图2 MPPT系统电路

2 电路分析

2.1 电压采样放大电路

如图2所示，此电路针对蓄电池两端电压的测量，采用电阻分压法，经由比例变换电路将被测电压通过 ADC（模数转换器）传输到单片机．根据分压原理，被测电压Vin与放大电压Vout1的转换关系式：

其中，R1、R5、R8、R10为电阻．将此关系式（1）代入到单片机的执行程序中，根据单片机的A/D采样数值，就可以得到被测电压的实际值．

2.2 电流采样放大电路

如图2所示的电流测量电路中，通过电阻R7将被测电流Iin转换成电压，经过运放比例电路将该电压引入A/D再传给单片机．Iin与放大电压Vout2的关系为：

其中，R7、R9、R11为电阻．此关系式可用在单片机的执行程序软件中．

2.3 DC/DC转换电路

光伏电池两端的电压及电流受外界温度和光照强度的影响．在输入功率变化的情况下，太阳能电板与蓄电池之间需要一个BUCK变换电路．该DC/DC转换电路需要根据等效负载情况自动进行降压变换，以保持母线电压的稳定．如图2所示，DC/DC转换电路由MOS开关管Q1、二极管D2、储能电感L1、稳压电容C5和稳压滤波电容C6组成．在开关周期T内，Q1导通时间为Ton．Q1导通时，D2与L1相连点电压为V1；Q1关断时，该点电压迅速下降到零；若没有钳位二极管D2（也称续流二极管）将其钳位于此，则该点电压波形会降得很负而损坏Q1．电容的电压不能突变，所以大电容C1起到了稳压的作用，从而在输入端得到无尖峰无纹波的直流电压V1；整个BUCK电路通过单片机产生相应占空比的PWM信号控制开关管Q1的开、关状态从而达到降压．

2.4 充放电管理电路

如图2所示，在DC/DC转换电路与蓄电池之间连接的MOS管Q2，其栅级连接单片机AT89C51的P1.0端口，当蓄电池两端的电压达到过冲电压（充电截止电压14 V）时，单片机通过降低P1.0的电压从而使 MOS管截止，实现蓄电池的充电管理．在蓄电池与稳压电源电路之间连接 MOS管Q3，其栅极连接单片机的P1.1端口，当蓄电池两端电压达到过放电压（放电截止电压10 V）时，单片机通过拉低P1.1端口的电压，使蓄电池与稳压电源电路断开，实现蓄电池的放电管理．

2.5 最大功率点跟踪策略

为了减少扰动损失并排除程序控制的失序，本文中MPPT策略采用电压扰动法．它的基本设计思想是通过两点比较，即当前工作点与上一个扰动点进行比较，判断功率的变化方向从而决定工作电压的移动方向，如图3．

图3 电压扰动法程序控制流程图

考虑到光伏电池P-V曲线的特性，先输出某一占空比D的PWM波，测此时的电压Ui、电流Ii，再将占空比调大一单位ΔD，测此时的电压Uj、电流Ij，分别计算出两占空比时的功率Pi、Pj，比较Pi、Pj大小，若Pj＞Pi，继续将D调大一单位，测得此时占空比下电压V、电流I，计算出此时的功率P之后将Pj赋给Pi，P赋给Pj，比较Pi、Pj大小．如此反复，直到不满足Pj＞Pi条件为止．再将D调小一单位ΔD，测此时的电压Uj、电流Ij，分别计算出两占空比时的功率Pi、Pj，比较Pi、Pj大小，若Pj＞Pi，继续将D调小一单位，测得此时占空比下电压V、电流I，计算出此时的功率P之后将Pj赋给Pi，P赋给Pj，比较Pi、Pj大小．如此反复，直到不满足Pj＞Pi条件为止．三点比较判断的速度以及精确度决定方案的优劣．

3 模拟结果及分析

本文采用直流电源加内电阻模拟光伏电池，可控DC/DC转换器作为被控器件，可变电阻做负载[8-9]．光伏电池输出经DC/DC转换电路输出给蓄电池，通过控制MOS管Q1开关时间的长短来实现最大功率点跟踪．在Q1导通时，蓄电池正极电压为光伏电池两端的电压；当Q1断开时，蓄电池正极电压的电压为零，从而形成如图4所示的不同负载时蓄电池正极电压的仿真波形．若二极管D1压降为零，则蓄电池正极电压的波形为矩形．模拟中通过改变负载电阻、电源内阻和电源电压来观察MPPT的跟踪效果，如图4．取电源输出电压U=34 V、内阻r=25 Ω、负载电阻

图4 负载RL分别为11 Ω、13 Ω、18 Ω时的端电压曲线

RL=11 Ω．在实际应用中RL为蓄电池与外围电路的等效电阻，故此取值范围具有一般性．当电路中无MPPT时，可计算出负载两端的电压为UL=10.389 V，I=0.944 A，从而得到此时负载的功率W=U*I=9.801 W．有MPPT时，从图4中可看出负载RL=11 Ω的电压曲线形似脉冲，周期T约50 mS，脉冲持续约 35 mS．电压峰值近似为 13.75 V，最小值为 12.62 V，平均电压ū=(13.75+12.62)/2=13.185 V．由此计算功率有效值We=(ū2/RL)*(35/50)=11.063 W．根据功率有效值得到电压有效值Ue=(WeRL)1/2=11.031 V，电流有效值Ie=Ue/RL=1.003 A．通过有无MPPT时的功率比较，可发现有MPPT时系统输出功率提高了(11.063-9.801)/9.801=0.1288=12.88%．同理可分析其它负载值时有、无MPPT的输出功率，在此不再赘述．模拟计算数据如表1所示．

表1 有无MPPT时输出功率的比较

由表1可见，有、无MPPT时的输出电压电流明显不同，采用MPPT后负载功率得到提高，说明电压扰动最大功率跟踪策略是可行的，能够稳定、精确地跟踪太阳能电池的最大功率点，并使蓄电池自动充放电，给负载提供电能，使之成为一个完整的供能系统，可开发成虚拟仿真实验案例，且配套电路成本低、设计精巧，能为偏远山区、孤岛提供小型化离网供电方案．

4 结 论

通过仿真验证，由AT89C51单片机及其外围器件所构成的MPPT控制器能实现光伏发电配蓄电池最大功率输出，同时管理蓄电池充放电．本方案的MPPT策略采用电压扰动法，对于精度性能要求不高的系统，此算法具有成熟、可靠性强、控制策略简单、追踪效率高、抗干扰能力强、导通电压灵敏等优势，可开发成虚拟仿真实验案例，也能为偏远山区、孤岛提供小型化离网供电方案．

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Analog Simulation on Maximum Power Output from Photovoltaic Generation with Storage Battery Controlled by Microcomputer

LIN Congcong, WEI Wensheng, WANG Jinguo, XU Xiao, CHEN Wenping, WU Lin, LI Qiuquan, YE Qianyun
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

This paper introduces a circuit system for integrated control on the maximum power point tracking of photovoltaic cell with storage battery charging and discharging based on microcomputer AT89C51. The programming operation ofmaximum power point tracking(MPPT) is adopted on the basis of voltage perturbation method. Thereby, a completed supervisory system is established. Simulation results show that the maximum output power of photovoltaic cells can be improved after implementing the MPPT. This case is used as virtual simulation of the experiment and also as a small-scale off-grid electric power supply scheme.

Microcomputer; Photovoltaic Cell; Storage Battery; Maximum Power Point Tracking; Charge-discharge Control; Simulation

TM615

A

1674-3563(2015)04-0044-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.04.008 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：封毅)

2015-01-26

温州大学2014年大学生创新创业训练计划项目(DC2014050)

林聪聪(1993- )，女，浙江温州人，研究方向：电子与通信系统．† 通讯作者，weiwensheng@wzu.edu.cn