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1、光伏电源智能充电控制系统的设计李钊年，张志富，师玉宝（青海大学!青海 西宁!#$#%）摘!要：以恒流充电和&!&技术恒压限流充电相结合的方法，采用()*+,(-单片机和)-./.电流型 01*脉宽调制器，对#22.3 太阳能直流发电系统的充电控制器进行了设计。运行实践证明，该系统简单、快速、实时性强，有利于改善蓄电池的工作状态，保证充电质量，实现无人值守的自动充电过程，提高了蓄电池的使用寿命。关键词：光伏电源；单片机；01*；自动识别；控制系统中图分类号：)4%!文献标识码：5!文章编号：#$.6768（2$%）$6#$2!#$%&()*+,-.,/0+,%/&1,*)2#13-9:;?，:(
2、4,:;?AB，C9 DBEG;?IJKL?MN，8?G，#$#%，O;?）!#$%&$：);J P;KGJ QJM;=&A=K EMMJKN=S=GN=A P=LMM PBKKJM P;G&P=LMM I=SMM S?Q?MJ&T(P;MK=SSJK=A#22.3 L=SJKGN UO GJJKJ&EN?MK=&BP?G M;J()*+,(-L?GSJ P;?R&JI?PJ&)-./.01*RBSLJ V?&M;Q=&BS M;?L RRJKT 9M?L RK=IJ&M;M M;J LNLMJQ EJ RK=I?&J&V?M;P;KJLL&ASJJMJLL，&;G KJSM?QJ EJMMJ
3、KT 9M?L I?S M=?QRK=IJ PPBQBSG LMLBKJ YBS?MN=A P;KGJ&?LP;KGJ，M=KJS?ZJ BM=P;=E=&N=K&JKSN&M=;J?G;MJ M;J BL?G S=GJI?MN=A M;J PPBQBSM=KT()*+,%-#：L=SGSJ P;?R&JI?PJ；01*；M?AN；P=MK=S LNLMJQ收稿日期：2$/#/基金项目：教育部科学技术研究重点项目（2$#%.）45 引5 言光伏发电技术在解决特殊领域供电（如通讯、边远地区民用电）方面起到了非常大的作用，特别对于在日照时间较为充足的西部边远地区，光伏电源有着不可替代的地位和作用。
4、就青海省来说，太阳能资源十分丰富，全年日照时数可达6$6 6$;，虽然青海水电资源较为丰富，但由于地域辽阔而人口稀少，电能的供需矛盾显得十分突出。所以，充分利用太阳能资源解决无电地区的用电问题成为当地政府的重要任务。自 2$年以来，中央和地方政府共同修建了多座光伏电站，用以缓解边远地区和牧区人民的用电问题，但由于没有一个完善的管理机制，加上农牧民的文化素质较差，给光伏电站的维护和使用带来了很大困难，致使电站寿命大幅度缩短。为了解决这一问题，实行户用电源、智能化管理的模式成为光伏电源发展的主流趋势，而光伏电源实现智能化管理的关键又在于控制系统的智能化。本文针对#2 3 阀控式铅酸蓄电池组成的#2
5、2.3 控制系统进行了设计，实现了太阳能电池板与电池之间电压的自动识别和自动匹配以及充电过程的自动调节。65 系统硬件设计2T#!充电电路蓄电池的充电采用恒流充电和&!&技术恒压限流充电相结合的方法。光伏电源控制系统的充电系统如图#所示，主电路由太阳能电池板、电力场效应管#、蓄电池和精密电阻$#/构成。图#!光伏电源充电控制系统原理)-./.电流型 01*脉宽调制器、()*+,(-单片机和检测单元构成充电闭环控制回路，实现充电电压、电流的自动调节和电源电压的自动识别。其中，利用)-./.中的误差放大器，从#脚输入给定电压信号与恒压充电时反$#电 子 技 术李钊年等：光伏电源智能充电控制系统的设
6、计馈电压信号之偏差，此放大器作恒压调压器使用，!脚和 脚间引入阻容校正，构成#$调节器。另一个误差放大器作恒流调节器，从%&脚输入给定电流信号与恒流充电时的反馈电流信号之偏差，%脚和 脚间引入阻容校正，构成#$调节器。两种给定信号均从%(脚内部基准电压源通过电阻分压取得，当单片机#)口输出高电平时，取得的基准电压为!*+，反之为+。,-(.(的/脚和%脚作并联输出#01 信号来控制场效应管!%，以维持恒流充电时电流恒定或在恒压充电时的电压恒定。!2!3 微控制器根据设计目标，微控制器选用具有 4$56 结构的单片机 7,1897/-。该芯片内带&通道%:位 7;)转换器，/1 存储器，可内外部
7、中断，6 语言编程，每个$;口可提供(:?7 的电流，工作电压!*A*+，工作频率:A/1BC。由于该芯片支持在线编程（$5#），即程序可通过串行编程接口（5#$），下载到/=闪存，因此不需外加存储器作为程序存储器。!2 3 系统主要技术指标表%为%!;!(+蓄电池充放电电路主要技术指标。表!#$#%&蓄电池充放电电路主要技术指标电池类型密封型铅酸蓄电池输入额定电压;+%!(允许太阳能充电最大电流;7%:%:过充电压;+保护%(*D:*!.D:*!恢复%*!D:*!&*(D:*!脉宽调制度（#01）;E%:A(%:A(电池板与电池间的电压降落;+:*&:*&使用海拔;?(:(:环境温度;FG:
8、A H&:G:A H&:使用温度;FG!:A H&:G!:A H&:系统软件设计根据系统的工作过程和设计需要，为提高软件的可读性和编程效率，采用模块化编程，6 语言描述，主要包括主程序和子程序!部分，本文只给出相关主程序流程。充电程序主要由%!;!(+电池电压的自动识别、太阳能电池板和电池之间的自动匹配、电池未接判断、电池极性接反识别、过充保护和充电终点判断部分组成，如图!为充电主程序流程图。图!3 控制系统充电主程序流程图%结 语经实际运行表明，该控制系统具有电路结构简单、工作稳定可靠、性价比高、实时性强等特点，较好地改善了蓄电池的工作状态，保证了充电质量，实现了无人值守的自动充电过程，提高
9、了蓄电池的使用寿命。参3 考3 文3 献%潘百发，粟梅，张泰山2 全数字智能自动充电机设计 I 2 电工技术，!:（）：(&2!杨惠，陈佳品，张琛2 新型通用性智能充电器 I 2 电子技术，!:，:（）：%.2朱松然2 铅酸蓄电池实用手册 1 2 北京：机械工业出版社，%.!2(耿德根2 7+4 高速嵌入式单片机原理与应用 1 2 北京：北京航空航天大学出版社，!:%2作者简介3 李钊年3 男，%.&年出生，副教授;。三星向中国提供()万部数字多媒体广播手机3 3 韩国三星电子日前表示，计划向中国市场出口:万部地面数字多媒体广播（,)1=）手机产品。据这家世界第三大手机制造商透露，:万部)1=
10、手机将供给中国北京广播电台旗下的北京悦龙数字广播传媒 科技有限责任 公 司（=JKLKMN IOPOM)KNKQRP1JSKR=TORSURVQKMN 6O2，-QS2），后者计划在今年四月开启移动视频服务。另一方面，三星表示已经与中国广东移动电视公司达成了合作协议，在今年一年中向后者提供:万部)1=手机。“在全球范围内，中国是仅次于韩国的)1=服务普及国。”三星发言人表示，“随着!:/年奥运会的临近，中国)1=手机市场将会逐渐成为主流，而三星将抓紧一切机会开发奥运商机。”根据瑞士第一信贷投资银行提供的统计数字，全球移动广播手机市场在今年的总销量将达到%:万部，而这个数字在!:年到!:.三年将
11、分别达到(:万、.:万以及%*亿部。%现代电子技术!:&年第 期总第!%/期3电子技术应用#光伏电源智能充电控制系统的设计光伏电源智能充电控制系统的设计作者：李钊年，张志富，师玉宝，LI Zhaonian，ZHANG Zhifu，SHI Yubao作者单位：青海大学,青海,西宁,810016刊名：现代电子技术英文刊名：MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE年，卷(期)：2006，29(3)被引用次数：1次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.潘百发.粟梅.张泰山 全数字智能自动充电机设计期刊论文-电工技术 2003(03)2.杨惠.陈佳品.张琛 新型通用性智能充电器期刊论文-
12、电子技术 2003(05)3.朱松然 铅酸蓄电池实用手册 19924.耿德根 AVR高速嵌入式单片机原理与应用 2001 相似文献(7条)相似文献(7条)1.学位论文 张昭 独立光伏电源智能控制器的研究与设计 2007 当前，我国市电无法覆盖的众多边远农村地区、通信基站、气象台站、航标灯等领域对光伏发电设备的需求越来越大，质量要求也越来越高。然而，在这些特殊用电领域我国的光伏发电技术的应用仍然处于起步阶段，偏高的价格和运行维护费用以及较低的发电效率已经严重制约了光伏发电技术的推广。针对上述情况，开发出性能可靠、价格低廉和维护方便的光伏发电系统成了迫切需要解决的问题，本文对此进行了研究。在探讨了
13、光伏发电系统的基本组成和基本原理的基础上，本文结合独立光伏发电系统的技术特点与功能要求对独立光伏电源智能控制器进行了总体方案设计。系统总体可分为主控模块和监控模块，主控模块采用单片机AT89C52作为核心控制器件，用于对独立光伏发电系统的自动控制和运行状态参数的采集；监控模块采用由监控后台、现场监控模块和现场数据采集单元组成的三级管理模式，为用户提供了独立光伏发电系统的监视和控制平台，实现独立光伏电源的无人值守与远程监控。在确定了系统整体设计方案之后，本文对系统各个模块的设计进行了详细阐述。具体如下：首先对主电路电子开关的设计进行了改进，采用了可控硅作为电子开关，经过实验测试达到了预期效果，提
14、高了系统的性价比。其次对于监控模块部分，具体介绍了现场监控系统和远程监控系统的设计。其中现场监控系统是一个基于RS-485总线的主从式总线型测控系统，具有成本低、安装灵活方便、控制简单等特点。而在远程监控系统中，监控中心计算机和现场监控单片机分别通过RS232接口与Modem相连，再接入公用电话网进行远程通信。最后对系统样机性能进行了实验测试，并对课题进行了总结和展望。2.学位论文 朱文杰 实用高效光伏水泵的研制 2005 由于世界人口的增加和工业的迅速发展，人们对能源的需求量越来越大。如果这样发展下去，按照这样一个消耗来使用化石燃料，在未来将产生能源短缺。可再生能源是满足世界能源需求的一个重
15、要资源，特别是对于我们这个人口大国来讲更加重要。其中太阳能资源在我国非常丰富，其应用具有很好的前景。光伏水泵对于我国的中西部缺电地区意义重大。随着光伏电池价格的下降，光伏系统的容量显著的增加了，太阳能利用变得越来越广泛，而且光伏阵列的效率，稳定性也有了很大的提高。所以光伏利用的装置效率的提高是当务之急。合适的系统设计和太阳能方阵输出与负载之间的合适的匹配，就可以实现整个装置的效率提高。在本文中对于光伏水泵进行了设计，力求与太阳能电池板特性相配合，达到最大功率跟踪。文章的主要内容如下：1.目前国内外光伏发电的现状和发展前景，并对光伏电源的结构组成和分类作了简单介绍，对光伏电源建立了一个总体认识。
16、2.研究了光伏电池的基本发电原理和输出特性。重点研究了光伏电池的输出特性和其影响因素，并得出相应的结论。3.光伏电池发电输出是非线性的，存在输出最大功率跟踪问题。本文研究了最大功率点跟踪方法，并提出了改进方法。使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得高效功率输出。光伏水泵有其特殊性，他的最大功率跟踪有特殊的方法。文中讨论了该方法的实现。4.独立运行的太阳能方阵带动直流无刷电动机，使用PWM的方法进行调节，使得负载在环境温度变化，辐照度变化的条件下，能够跟踪太阳能的最大功率点。5.使用最新的LPC932单片机，设计了单片机控制电路，实现了光伏水泵的数字控制。该控制电路图使用protelDXP设计。
17、6.使用BLDC专用控制芯片ML4425实现对BLDC的PWM控制。该芯片提供了启动，调速，停止的所有功能。实现无转子位置传感器时，引入反电动势，来决定定子换向。对于PWM调制等干扰不敏感。并设计了主控制电路。3.学位论文 邬韫慧 太阳能增氧机动力供给系统的研究与设计 2009 近年来国际社会普遍关注对太阳能、风能、海洋能、地热能等可再生能源的开发应用，其中太阳能发电由于具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染的特点更是备受关注。目前，太阳能电源技术研究的热点依然是提高系统效率，降低系统成本。高额的造价仍然是制约太阳能普及的瓶颈，所以太阳能增氧机主要用于为景观水域中的鱼类供氧，而鲜有应用于水产养殖领
18、域。然而，我国作为世界养殖大国，养殖水面巨大，所需渔机数量庞大，每年消耗的电能相当可观，所以在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，对于太阳能增氧机动力供给系统的研究不仅是将太阳能应用于水产养殖领域的一种尝试，更是关系到可持续发展和节能减排的百年大计。增氧机作为一种普遍应用的渔业机械与其它渔机设备如投饵机等有很多相同之处，根据渔业养殖的特性无论是喂食还是增氧基本都是有一定的时间要求，不需要24小时连续开机，且一次开机时间不长，所以本文在分析了光伏供电的基本原理之后，研究了光伏系统电源配置过程中配置原则、主要部件的作用和技术性能。并在此基础上探讨了光伏供电在渔业机械上的应用，渔机设备进行电源配置
19、需考虑的因素，包括光伏方阵设计，蓄电池容量，光伏方阵在安放时的角度要求如方位角和倾斜角以及逆变器选用。并举例分析了光伏增氧机的电源配置，提出了光伏供电在渔业机械上应用的前景。研究光伏系统的重点是它的最大功率点跟踪技术，由太阳电池的伏安特性可知，光伏电池具有强烈的非线性，是一种时变的直流电源。太阳电池的输出功率随光照强度和温度等因素时刻变化，所以为了达到提高能量利用率的目的，我们需要经常改变负载的工作功率点来适应太阳电池输出特性的变化，达到输出功率最大。这对于造价昂贵的光伏发电系统尤为重要。最大功率点跟踪技术(Max PowerPoint Tracker,MPPT)，其实质是一个自寻优的过程。主
20、要包括固定电压法、扰动观察法、增量电导法、智能控制法等。本文在分析了以上几种控制方法的基础上，提出了一种PID参数模糊自整定的控制方法，它结合了PID精确控制和模糊控制自整定占空比的优点，能够合理地处理好控制精度和速度这一对矛盾，使光伏电池在所处环境发生变化时可快速跟踪最大功率点的变化，使光伏系统始终输出最大功率，并有效消除了系统在最大功率点附近存在的振荡现象，提高系统的稳定性。并结合MATLAB仿真将本控制方法与模糊控制比较，证明其优越性；利用光伏系统的仿真验证所提出控制方法的有效性。为了进一步验证控制算法的有效性，本文利用飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128单片机为核心，采用直流电源和
21、滑动变阻器在实验室中模拟太阳能方阵，选用MOTOROLA公司生产的H桥式直流驱动芯片MC33886作为驱动IGBT的集成驱动，它具有输出电流大，输入电压范围宽泛，输出电阻小，输入电阻大等优点。利用目前广泛应用的一种检测MPPT控制器有效性的实验室替代实验进行软件编程和硬件电路搭建，实验结果表明，所采用的MPPT控制器对于最大功率点跟踪的有效性。本论文以太阳能增氧机为研究对象，探讨其独立光伏发电电源配置方法，提高能量转换效率的最大功率点跟踪技术，以及蓄电池和逆变器的匹配策略。主要研究如下：1、综述国内外独立光伏系统发展现状，以及光伏电源的结构组成；2、介绍国内外太阳能增氧机的种类结构及研究现状；
22、3、从独立光伏电源利用方面研究了光伏电池基本的发电原理和输出特性；4、探讨独立光伏增氧机电源配置，包括蓄电池选用及容量计算，光伏电池组件串并联设计，光伏方阵角度的设计，以及逆变器的选用和配置策略；5、针对光照强度变化的不确定性、光伏电池阵列温度变化、负载变化和光伏电池强非线性，使光伏电池阵列的最大功率点变化的情况，提出一种采用模糊控制自整定PID比例、积分、微分控制，实现光伏系统最大功率点跟踪(MPPT)控制的方法。在综合比较，分析各种变换器拓扑的基础上，本文以BOOST电路作为MPPT控制器的主电路。MATLAB仿真实验结果表明该方法能够快速、准确地跟踪光伏电池的最大功率点，避免在最大功率点
23、的振荡，提高能量转换效率；6、基于飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128单片机对MPPT控制策略及蓄电池防过充、防过放控制进行测试，并分析结果。关键词：光伏电源(PV)，增氧机，模糊PID控制，最大功率跟踪(MPPT)，MC9S12XS128单片机4.学位论文 叶雷霖 户用光伏电源系统的研究 2001 近年业,中国光伏发电事业方面取得了长足的发展.根据国内已有的光伏应用情况可知,逆变器是影响光伏发电发展的因素之一,也是影响光钛系统可靠性的重要因素.目前,国内户用光伏逆变电源虽正在逐步走向成熟,但产品的价格也一直是阻碍其在西部地区广泛应用的主要原因.为此,我们研制了一种高性能价格比的正弦波输出
24、的户用光伏逆变电源.采用了MICROCHIP公司的PIC单片机作为主控芯片,其一次性编程(OTP)芯片的低价位可以使交流光伏逆变电源的价格大大降低.芯片的CCP模块可以产生高达10位分辨率的PWM输出,同时结合相应的外围硬件死区电路产生和控制SPWM波.从研制出的样机看,用该方案产生的SPWM波稳定、可靠、控制简单,系统运行良好.该种光伏逆变电源产品化后,必将进一步推动中国光伏事业的发展,市场前景十分可观.5.学位论文 张宪维 嵌入式系统在检测和控制方面的应用 2006 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术获得了广阔的发展空间。小到MP3、PDA等微型数字化产品，大到网络家电、智能
25、家电、车载电子设备等，目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。本文讲的主要内容就是在嵌入式方面的几个应用。1.嵌入式系统现在已广泛应用于我们的生产和生活当中。嵌入式系统有自己的发展历史、定义、特点及其分类和发展前景。本文对其作了简要的叙述。2.智能预测控制现在已广泛应用于工业控制中，其主要是在工业控制计算机上实现的，还没有基于嵌入式系统的智能预测控制器。由于嵌入式系统的诸多优点，把各种智能控制算法集成到嵌入式系统已很有必要，如对小型复杂设备、机器
26、人等的控制。我们分别在8位单片机和ARM7上实现了广义预测控制、模糊预测控制和神经网络预测控制三种控制算法的多变量解耦算法。本文详细介绍了基于ARM7的嵌入式多变量智能预测自适应控制器。仿真结果表明该控制器具有很快的运算速度和很高的跟踪精度。3.电能与我们日常生产和生活息息相关，电力设施的安全运行尤为重要。我们基于ATmega88单片机和GSM模块制作了一套电力无线报警系统。该报警系统可把故障信息及时报告给工作执勤人员。现在该报警系统已应用在电力部门。4.由于光伏电源系统造价的比重大且转换效率低，现在已出现了许多对光伏电池最大功率点跟踪的算法，如爬山法、功率数学模型法、短路电流测试法、模糊控制
27、算法等。本文根据光伏电池的特性，采用了遗传算法跟踪光伏电池的最大功率点，并通过软件仿真，证明了此方法有很好的跟踪速度和跟踪精度。6.期刊论文 于晓光.YU Xiao-guang 基于光伏电源的数据采集和处理系统设计-商丘师范学院学报2006,22(2)在光伏电源系统中,采用数据采集和处理系统进行实时检测,监控,可有效提高系统的工作可靠性,大大降低系统运行管理费用.在该系统的设计中,根据系统特点和器件的特性计算确定了系统的基本参数和主要功能.据此采用了具有通用外围接口的PSD311可编程单片机系统,设计出了软件流程和硬件电路,达到了电路的最简化和可靠性的有机统一.并可通过RS232串行通信端口外
28、接MODEM调制解调器或GSM手机短信息模块实现远距离计算机、手机的实时遥测、遥控.本系统已在几个光伏电源系统中试用,运行效果良好.7.学位论文 吴波 动态提高输电线路容量在线监测系统数据采集终端电源系统的设计与实现 2008 当今我国电网的输电能力受到较多限制，超高压输电线路利用率和输电容量偏低，输电瓶颈并未消除，区间供电能力依然不足。实际上，目前对所有的输电线路规定的静态容量都留有很大的裕量，输电线路的负载能力并没有充分利用。如果能充分利用现有输电线路的输送能力，将使输电容量增加2070。理论表明，采用动态提高输电线路输送容量DLR(Dynamic Line Rating)技术能够极大地提
29、升我国电网输送能力，起到少建或缓建输电线路的目的。实验室开发的DLR系统通过对输电线路各种状态量的测量和报告，将数据传输到后台专家系统进行分析与决策，能准确对输电线路进行动态增容。本文主要研究了DLR系统中数据采集终端电源系统的设计与实现。论文前两部分介绍了目前动态提高输电线路容量技术国内外发展状况，阐述了线路动态增容的原理，提出了测量张力、温度、风速和风向等参数来计算线路温度、弧垂和载流量，并详细列出了计算公式和计算过程。其中基于张力测量导线的温度为国内首创，同时对DLR系统的各个重要组成部分如数据采集终端、电源系统、通信平台和监测管理平台分别进行了介绍。论文的第三部分详细说明了太阳能光伏电
30、源系统的各部分的特性和功能，以及针对这些特性所采取的一系列设计和实现方法。如针对太阳能光伏阵列的特性提出用太阳能最大功率点跟踪法来实现太阳能始终输出最大功率；针对蓄电池的特性提出用蓄电池分组充放电管理来保证蓄电池的使用寿命；设计和实现了I2C总线上层协议，用来进行太阳能电源系统单片机与数据采集系统终端单片机之间的通讯；根据设备功耗需要与安装地点的气候情况，确定了光伏阵列和蓄电池容量；从硬件和软件上提出了一些抗干扰措施，并应用于系统中，通过电磁兼容EMC(Electro Magnetic Compatibility)测试表明系统有很好的抗干扰性能。第四部分研究了太阳能最大功率点跟踪的实现方法，提
31、出采用扰动观察法来实现最大功率点跟踪，并用实验进行了验证；提出并实现了多电池组协调控制与充放电优化管理策略；其中将蓄电池分组进行充放电管理是本电源系统的特色和创新。实际运行结果表明，采用扰动观察法很好的实现了太阳能最大功率点跟踪，提高了蓄电池的充电效率；多电池组的充放电管理，有利于提高蓄电池的使用效率和延长蓄电池的使用寿命。最后对研究和开发DLR系统的工作进行了总结，提出了一些仍需要改进的地方。通过与实验室其他同学的配合，DLR系统各功能顺利实现，即将在南方电网公司挂网运行。引证文献(1条)引证文献(1条)1.李钊年.段善旭 具有MPPT功能的智能户用光伏充电系统研究期刊论文-可再生能源 2007(5)本文链接：http:/