光伏发电系统控制器的设计与实现

段宇凡 李少飞 杨昌登 盖新鹏 闫星源 张航 李松 任守华

摘  要：针对自制的小型光伏发电系统设计了一款控制电路，系统包括电压检测、功率检测、、远程遥控、通信模块等部分，配合太阳能电池板和蓄电池可以实现在100W功率范围内的不间断供电，并带有低电压报警等功能。设计的光伏发电控制系统适合于无人值守环境下的小功率负载设备交、直流供电。

关键词：光伏发电;控制器;设计

中图分类号：TM615        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0036-02

Abstract： A control circuit is designed for the self-made small photovoltaic power generation system， which includes voltage detection， power detection， remote control， communication module and so on. with solar panels and batteries， it can achieve uninterrupted power supply in the power range of 100W， and has the function of low voltage alarm. The designed photovoltaic power generation control system is suitable for AC and DC power supply of low power load equipment in unattended environment.

Keywords： photovoltaic power generation; controller; design

前言

我國的太阳能光伏发电的技术和材料研发虽然起步稍晚却后来居上，到目前为止太阳能光伏发电就在航天、军工和民用领域得到了广泛应用。在经过多年的努力，光伏发电有了相当的水平基础。目前光伏发电控制器的设计和实现方面已有多种类型产品在流通，包括了各种功率范围、使用环境的不同产品，此类产品多数用于有人值守环境下，如发现问题多采用人工干预的方式加以解决。在农业生产环境中，由于物联网技术的不断拓展，催生了对无人值守电源的大量需求，以往多采用蓄电池或简单的光伏发电系统进行供电，使用过程中经常出现断电、损坏等现象，针对农业物联网的特点和应用范围，研究并设计了一套光伏发电系统控制器，该控制器经过实测可以满足目前农业物联网对供电的需求。

1 系统整体设计

光伏发电系统功能结构如图1所示。主要由光伏板、云台、充电控制器、蓄电池、电源转换模块、电源输出组块、电压监测与显示模块、主控制器、键盘、振动传感器、通信模块和报警输出模块等部件构成。

光伏发电系统主控制器采用STC12C516AD单片机，此型号单片机具有三组常用I/O接口，其中P1口为AD功能输入，采用该型号单片机可以优化设计。表1所示为引脚名称及功能分配。

2 PCB设计

控制器主电路板规格为150mm*80mm，采用双层布线工艺设计制造，控制板采用12V直流供电，板上安装有12V转5V的DC-DC电源为主控制芯片供电。PCB布线后板图如图2所示，从PCB文件生成的3D仿真图如图3所示。

3 系统功能介绍

在本设计中使用了单片机和编制专用软件，实现了对太阳能板的智能控制，通过充电电压和电流的检测，实现了对过充、过放、电子短路、过载等故障现象的保护，采用的防反接保护措施防止使用过程中不会对负载造成损坏，蓄电池进行充电采取串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间，同时具有高精度温度补偿，并能在寒冷、高温、潮湿环境运行，较为适合农业生产环境，为物联网的发展提供基础性支持。

系统设计中使用了数字LED显示装置，通过遥控器可完成所有设置和输出控制，防止误操作和非工作性使用，增强了系统的安全性和保密性。系统中可以选择安装GPRS通信模块，能够实现对太阳能供电控制器的远程遥控，并配合上位机软件进行集群控制。设计的太阳能控制板实物如图4所示。

4 结束语

综合以上实验过程以及数据发现，设计的光伏发电控制系统可以实现对系统的全面监控，满足设计需求，通过组网可达到集群控制的目的，有利于解决目前边远地区和无人值守地区的小功率供电问题，本研究对于解决光伏发电监控系统的设计具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]窦伟，许洪华，李晶.跟踪式光伏发电系统研究[J].太阳能学报，2007，28（2）：169-173.

[2]陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程，2003（3）：18-21.

[3]陈成钧.太阳能基础物理[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]盛四清，范林涛，谭晓林，等.计及气象条件的光伏板最佳安装角度计算[J].陕西电力，2014，42（1）：42-45.

[5]Zekai Sen.太阳能基础理论与建模估算技术——大气环境气候变化和可再生能源[M].北京：电子工业出版社，2013.