基于单片机的小功率微电网智能控制器设计

王聪慧，张顺星，张 维

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

近年来新能源在全世界范围内发展很快，结合目前我国一些偏远地区存在电力供应不足的实际问题以及对于家庭式微电网、小型微电网的需求，基于风能、光能等新能源的微电网系统成为了新的研究与应用方向[1]。微电网系统作为新型电力供应系统，采用分布式电源结构，主要选择风能、太阳能等清洁能源作为电网中的电源，而由于这些能源受到光照强度、风速、温湿度等因素的影响，电网中风光发电系统的输出功率不稳定[2]，同时当风力发电机组和光伏电池板的输出电压比较低时不能对铅酸蓄电池组进行有效充电，这时给不同负载供电时，往往由于系统不能有效地进行能源优化选择，从而导致有时不能给负载正常供电[3]。针对上述存在的问题，本文结合小功率微电网实训平台，基于STC15W系列单片机设计了一种智能控制器，实现了对风力发电和光伏发电产生的电能进行优化选择控制和蓄电池低压充电控制。

1 小功率微电网实训平台

本文中小功率微电网实训系统平台主要由2组垂直风力发电机(12V/12W)、风速仪、8块(6V/3W)太阳能电池板、温湿度光照传感器、蓄电池组(12V/18A·h)、逆变器和交/直流负荷(交流负载：LED 灯，220V 3W；直流负载：风扇，24V 2W)、交直流电流和电压表等部件组成，平台系统构成如图1所示。

图1 小功率微电网实训平台

2 智能控制器总体设计

本文设计中选择STC15W系列单片机作为核心控制器，总体设计如图2所示。该控制器主要由电压数据采集电路、电压比较电路、太阳/风能升压电路、降压电路、串口通信电路和数码显示电路等部分构成[4]。这个控制器的主要功能是通过STC15W系列单片机对太阳能光伏阵列电池板和风力发电机组所发的电能进行自动调节和控制，并对蓄电池进行合理充电，主要实现以下功能：①把所发电能直接送往直流负载；②通过逆变器将电能转化为交流电送往交流负载；③把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电；④当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载；⑤蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充，当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池；⑥通过RS485接口电路，可以与其他上位机监控设备通信，实现各种数据的监控和管理。

图2 智能控制器总体设计

3 控制器硬件电路设计

根据控制要求，要求硬件电路能够实现数据处理与控制、电压比较、光能/风能输出电压升压、给负载输出时降压以及数据显示和通信连接等功能。下面对主要电路进行具体设计。

3.1 主控制器电路

本文中核心控制器采用的是STC15W系列单片机，它采用STC-Y5CPU内核，能超高速运行。芯片内部有6 路CCP/PWM/PCA输出和8路超高速10 位 A/D转换输入，以及4Kbyte的大容量内置SRAM，还拥有4个独立的高速异步串行通信端口及1 组高速同步串行通信端口SPI。STC15W系列单片机功能很强大[5]。基于STC15W的主控电路通过外部引脚连接输入模拟电压采集电路、电压比较电路、数码管显示电路、 RS232/RS485串口通信电路等。

3.2 升压电路

利用太阳能和风能进行发电时，发出的电压不稳定、而且一般达不到正常电网的标准电压，因此需要对太阳能和风能发出的电能进行升压处理，以保证电能正常使用[6]。本文在设计时利用MC34063A集成电路来实现光能输入升压和风能输入升压，硬件电路如图3所示。MC34063A可用极少的开关元器件，构成升压变换开关、降压变换开关和电压反向电路，这种开关电源相对线性稳压电源来说，效率较高。图3(a)中J8 为太阳能输入端口，经过电源芯片 MC34063A 升压后输出 15 V 电压。图3(b)中J9 和 J10 为风能输入端口，由于风能输入为交流电，首先通过 D24～D36 进行整流，再由 MC34063A升压至15 V输出。

3.3 电压比较电路

为了保证新能源发电后能够正常接入使用，同时也为了避免光能/风能不够时不消耗电网电能，本文中设计了电压比较电路，用来控制新能源的接入和断开[7]，如图4所示。图4中，5 V 电压通过 R100 和 R105 分压后得到 2 V 的基准电压介入 LM393 的 2 管脚，15VOUT通过2个2 kΩ电阻分压后接入 3 管脚，若 3 管脚电压大于 2V，则 1 管脚输出高电平(R97 为上拉电阻)，否则管脚输出低电平。

图3 升压电路

图4 电压比较电路

3.4 电压采集电路

由于STC15W系列单片机ADC采集的电压范围为0～5 V，因此当被测电压大于5V时需要对其进行降压处理，本设计采用电阻分压方式进行ADC采集[8]，电路如图5所示。

3.5 降压电路

为了保证负载正常使用，使用新能源供电时，输出电压必须经过降压处理[9]。本文中设计的降压电路如图6所示，此电路中MP1584 是一个高频率的降压开关稳压器，具有一个集成的内部高端高压功率 MOSFET。它具有4.5～28 V输入电压，可满足多种降压场合的应用。

图5 电压采集电路

此外为了提高系统与多种外围设备通信的能力，本文还设计了RS485串口通信电路。

图6 降压电路

3.6 智能控制器实物

根据硬件电路设计出的智能控制器实物如图7(a)所示，图7(b)为实际控制柜中安装布局图。

图7 风光互补智能控制器实物图

4 系统程序设计

电源优化分配及智能选择是本文设计的主要目的，为了使程序高效稳定的运行，具体设计时所有功能进行了模块化设计[10]。本文设计中，通过电压采集电路和电压采集程序完成新能源输入电压的采集及A/D转换，由单片机进行数据运算后将电压具体数值通过数据显示模块进行输出显示。程序设计时，针对实验室平台上风光能发电装置的实际发电能力，设定电压参考标准为15 V。当新能源发电电压大于4 V时，系统允许接入新能源，否则断开新能源接入市电进行供电；接入新能源后，如果电压大于5 V，允许给用户供电，当电压大于12 V，则同时可以给蓄电池进行充电，否则使用蓄电池进行供电；如果蓄电池电压小于最低限制时，断开蓄电池供电，切入市电，互补控制器程序设计流程如图8所示。

5 实验测试

完成软、硬件设计后，把控制器接入微电网系统进行测试，表1中给出了部分实验数据。由表1中测试数据可以看出：此控制器采集后显示的电压值误差在±0.3 V，电压数据真实准确，而且系统经过长时间的运行发现，当风力和光伏发电能源充足(>12 V)时，风光互补控制器输出使用新能源供电，带动负载运行同时给蓄电池充电；当风力和光伏发电能源不足(<4 V)时，风光互补控制器输出使用蓄电池的储能进行供电；当蓄电池储能不足(<12 V)时，为了防止蓄电池过放电，蓄电池停止放电，使用市电补偿保证系统持续供电。风光互补控制器可以根据风力、光伏发电的实时情况，系统工作稳定可靠，实现了多种能源的动态切换及优化控制。

图8 风光互补控制程序流程

表1 控制器实验测试数据 V

6 结 语

本文基于单片机设计的小功率微电网智能控制器通过在实验室平台使用后发现，该系统不仅能够将风力发电机和太阳能电池板所发出的电能对蓄电池进行高效率充电，而且还提供了强大的控制功能，通过能源的优化选择控制，使交流 LED 灯(220V 3W)和直流风扇(24V 2W)这两种负载长时间保持可靠稳定地工作。此外该控制器结构简单、成本低，可根据不同用户需求进行灵活开发。