智能家用太阳能供电系统

安徽师范大学物理与电子信息学院 光昌国 吴 萌 陈 敏 谢小娟



智能家用太阳能供电系统

安徽师范大学物理与电子信息学院 光昌国 吴 萌 陈 敏 谢小娟

【摘要】太阳能是一种新能源，未来发展潜力非常大，利用太阳能发电是一种充分利用太阳能的方法，现在越来越多的家庭利用太阳能给家庭供电。本文重点介绍了一种家用太阳能供电系统，包括最大功率跟踪电路，逆变电路，功率因数校正，电量检测电路，以及远程管理模块五个大方面。本文给出了一种低成本，高可靠性，高效率，智能化家用太阳能供电系统。

【关键词】太阳能供电系统；电池管理；最大功率跟踪；逆变；PFC；远程控制终端

0　引言

就目前人们对于新能源的研究来看，风能和太阳能是最有发展前景的，而风能受环境的影响非常大，所以目前没有广泛应用。从理论上来看，只要有太阳的地方就能利用太阳能，所以太阳能对于未来的新能源开发与研究有着不可替代的重要性。本文研究的目标是建立一个完整家用太阳能供电系统，太阳能独特的优势光伏发电作为太阳能的重要应用方式越来越受到人们的重视，但是太阳能受天气条件限制，需要配备补充能源，本文选择市电作为补充能源，提出了一种太阳能光伏/市电联合供电系统。系统由太阳能电池板、市电、DC-DC变换器、逆变器、蓄电池、功率因数校正器，电量检测模块，智能终端组成。系统中存在两个供电电源，需要设计合理的能量管理控制策略来确保两个输入源协调工作。

1　系统整体框架

家用太阳能供电系统针对市场已有的太阳能的产品做出的一系列该进，使其成本更加低廉，可靠性更高。如图1所示，太阳能光伏板为12V太阳能光伏板，将太阳能转换成电能；MPPT电路（最大功率跟踪电路）将太阳能以最高效率存储到电池里面；逆变电路逆采用推挽升压和全桥逆变两级变换，将电池的直流电变换成220V，50Hz的交流电；为防止谐波电流污染电网，干扰其他用电设备，系统采用PFC电路对交流电的功率因数进行矫正，本系统采用UCC28019作为控制芯片的有源功率因数校正；电池剩余电量（SOC）估算采用的DS2788电池管理芯片，可以对整个电池的实时电量进行估算，以便太阳能/市电的切换，同时用户还可以了解电池的工作电压、工作电流等实时状态；单片机控制器采用12C5A60S2单片机，电池电量、用电器工作情况，系统是否过压过载或者其他异常状态都将报告给单片机，单片机再根据实时的状态来调整系统工作情况，并将得到的参数显示到液晶屏上面，同时还将电池工作情况，以及系统工作情况和其它系统状态通过互联网发送给用户。

图1　家用太阳能供电系统的整体框架

2　MPPT电路（功率最大化跟踪电路）

太阳能光伏的输出特性具有非线性的特点，且输出受太阳幅照度，环境温度和负载的影响，只有在某一输出电压值的时候，光伏阵列的输出功率才能达到最大，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之最大功率点。为了有效的利用光伏电池组，对光伏发电进行最大的功率点的跟踪就显得尤为重要。

MPPT的工作原理:在一个规定的周期内，处理器定期地主动调节PWM的占空比，改变太阳能电池的输出电流大小，从而引起太阳能电池的输出电压大小变化，检测太阳能电池输出电压及输出电流，从而计算出太阳能电池的输出功率，然后根据最大功率点跟踪策略寻找最大功率点。一般采用搜索的算法追踪最大功率点，通过直接测量得到的电信号判断最大功率点的位置，从而进行追踪。包括：干扰观测法、增量电导法、恒定电压法、短路电流法。这里采用干扰观测法。

干扰观测法是通过将本次太阳能电池板的输出功率和上次的相比较来确定增加或减少太阳能电池板工作电压来实现MPPT。设在某一时刻t1，太阳能电池板的输出功率为P1，处理器输出信号使太阳能电池板工作电压增大ΔV，一段时间Δt后，在时刻t2（t2=t1+Δt）检测到太阳能电池板的输出功率为P2。若ΔP（ΔP=P1-P2）为正，则应该使太阳能电池板工作电压继续增大ΔV，直到ΔP=0；若ΔP为负，则应该使太阳能电池板工作电压减小ΔV，直到ΔP=0。对于ΔV，应选取合适的值。如果ΔV的值太大，太阳能电池板的输出会在最大功率点左右浮动；如果ΔV的值太小，虽然可以保证了跟踪精度，但是需要更多的时间，当最大功率点变化频繁时效果会变差。

图2　MPPT电路框图

3　逆变电路

逆变电源已经被广泛应用于工业领域和民用领域，特别是新能源的开发和利用，比如太阳能电池的普遍使用，就需要一个逆变系统将太阳能电池输出的直流电压变换为220V、50Hz交流电，以便于给家庭使用。如图4所示，系统的电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换，前后级完全隔离。控制电路上，前级推挽升压电路采用TL494芯片，用采样变压器绕组电压做闭环反馈；逆变系统采用单片机数字化SPWM控制的方式，采样直流母线电压做电压的前馈控制，采样电流做反馈控制；在保护措施上，具有输入过压、欠压保护，输出过载、短路保护和过热保护等多重保护功能，增强了该电源的可靠性。输入电压一端接在变压器的原边中间抽头，另一端接在开关管S1及S2的中间。控制S1、S2轮流导通，在变压器原边形成高频的交流电压，经变压器升压、整流和滤波在电容C1上得到370V左右直流电压。对S3～S6组成的逆变桥采用单片机数字化SPWM控制的方式，逆变输出电压经过电感L、电容C2滤波后，最终在负载上得到220V、50Hz的交流电。采用高频变压器实现前后级的隔离，有利于提高系统的安全性。后级逆变电路由单片机12C5A60S2控制，在这里主要介绍后级单片机的数字化SPWM控制方式。

数字化SPWM用输出的正弦信号作为调制波形，高频三角波作为载波，控制逆变器的一个桥臂的上、下两个开关管导通与关断。如果在半个正弦周期内，只有上(下)桥臂的开关管反复通断，下(上)桥臂开关管动作,则称为单极式SPWM。如果在一个周期内，上、下桥臂的开关管轮流关断与导通，则称为双极性SPWM调制方式。图3给出了双极性SPWM调制方式的原理示意图。载波与调制波的交点确定逆变器一个桥臂开关器件的开关动作时刻及开关通断状态，得到了一些宽度不等的正负矩形脉冲电压的波形。该矩形脉冲序列的特点为幅度相等但宽度不相等，其宽度大小正弦的规律变化而变化；在正弦波的半个周期里面，正负脉冲的面积总和与正弦波的面积相等。单片机的数字化SPWM控制方式的理论基础是等效面积原则，如图3中横轴代表时间轴，所以单片机的数字化SPWM控制方式的理论依据实际是时间平均的等效原理。当脉冲数大到一定数量时，可认为逆变器的输出电压的基波大小和调制波大小是相等的，也就是SPWM逆变器输出的脉冲波的基波大小就是调制时要求的正弦波等效。

图3　双极式SPWM的原理示意图

图4　逆变电路原理框图

4　PFC（功率因数校正）电路

目前采用二极管全桥整流方式会造成电网谐波污染，从而导致功率因数的下降，其中的无功分量大部分是高次谐波，其中的三次谐波幅度大概是其基波幅度的94％，而五次谐波幅度大概是其基波幅度的69％．七次谐波幅度大概是其基波幅度的44％。高次谐波不仅会对电网造成巨大的危害，而且还会对用电设备的功率因数下降，同时产生很强的电磁干扰，对电网和其他的用电设备的运行造成潜在危害。

功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将逆变电源的输入电流变换为与输入市电同相位的幅度为200V、50Hz的正弦波，提高了电器设备的功率因数，从而减少了对电网的谐波危害。UCC28019是美国TI公司最新研发的有源功率因数校正(PFC)芯片。UCC28019采用了平均电流模式对电源的功率因数进行校正，适用于宽范围的交流输入，电路的输出为100W到2kW的功率因数变换器。电源不仅具有功率因数高、高次谐波含量低的优点。同时，UCC28019具有应用简单，调试简单，驱动能力强，保护功能强大等优点，是一种非常好用的功率因数校正芯片。

图5　功率因数校正电路框图

5　电量检测模块

DS2788用于测量可充电锂离子(Li+)电池和Li+聚合物电池的电压、温度及电流，估算电池的可用电量。计算电量所需的电池包参数和应用参数存储在片上EEPROM。根据电量寄存器的内容，向主机报告在当前温度、放电速率、存储电荷以及应用参数下，剩余电量的保守估计。剩余电量计算以毫安时和满容量的百分比表示。本系统电池电量估算采用DS2788，同时该芯片还能检测电池工作电压以及工作电流，用户可以对了解电池的实时状态。

图6是DS2788工作电路图，DS2788可以检测锂电池的单节电压，Vin引脚为电压检测引脚，SNS引脚检测当前的工作电流以及充电电流，Rsns为检流电阻。DS2788根据采集到的电流以及电压，在对照其设定的电量估算算法来估算当前的电池电量。

图6　DS2788工作电路图

6　不间断供电

当遇到持续阴雨天时，蓄电池的电量不能持续供家庭使用，当处理器检测到蓄电池电量低于一定值的时候，切换成市电为家庭供电。

7　远程管理模块

本系统采集和处理的数据和相应的状态都会显示在显示屏上。用户可以随时了解系统状态，若家里没有人时，当警报出现时，若不能及时的排除故障，这样就可能造成系统的损坏和经济损失，而且同时有用户想随时随地了解系统工作情况，为了解决上述问题，本系统还添加了远程控制功能。

远程控制终端原理如图7所示，由用户端、网络服务器、GPRS传输三部分组成。系统将采集到的信息通过处理器传给通讯网络，再通过英特网将信息传送给控制终端，控制终端将接收的信息显示在手机APP上面，如有故障信息将进行报警，同时提醒用户。

图7　远程控制终端原理框图

8　总结

本系统可以将太阳能转换成电能并储存，以供家庭使用，具有数据的实时采集、故障分析、电池的剩余电量估算、电池充放电以及均衡管理、功率因数矫正，不间断供电，终端控制和远程管理等功能，是一种智能化的家庭太阳能供电系统，这也符合现代社会的智能化发展，有着良好的前景与市场。

参考文献

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[6]张金顶.基于MSP430的动力锂离子电池管理系统的设计与研究[D].湖南:湖南科技大学,2011.

光昌国（1994—），男，安徽安庆人，大学本科，学士，主要研究方向：硬件电路设计与仿真、嵌入式开发。

吴萌（1995—），男，安徽合肥人，大学本科，学士，主要研究方向：软件算法设计、嵌入式开发。

陈敏（1995—），男，安徽安庆人，大学本科，学士，主要研究方向：软件算法设计、嵌入式开发。

作者简介：

基金项目：安徽师范大学国家级大学生创新创业项目（201510370095）。