基于微电压调节的太阳能充放电系统设计

常见的几种最大功率点追踪算法有电压回授法、功率回授法、扰动观察法、电导增量法等，各有其优缺点。本文提出一种仅通过检测微电压的变化来实现追踪最大工作点的算法——微电压调节算法。该算法是基于电压回授法提出来的，效率相对有明显提高，且系统结构相对简单。
微电压调节算法是指检测电压以一定的步长增加或减少所需的时间，根据时间的长短来选择最大工作点电压。其理论基础是电荷量等于电容与端电压的乘积，即Q=C×U。当电容为恒定值时，相应的线性关系变化为△Q=C×△U。
所以，可通过检测不同阶段电压的变换时间的长短来选择充电的最佳工作点，再通过追踪最佳工作点来实现高效率的能量转换和传递。

2 系统硬件设计
本文采用低功耗的ARM芯片LPC1114作为控制器的主控芯片，而给相应的外围芯片设计了太阳能充放电控制器。系统原理框图如图5所示。

2．1 主控芯片及其电源电路
本系统采用NXP公司的微控制器LPC1114作为本系统的核心。LPC111x系列芯片是基于ARM Cortex-M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式系统设计。
该微控制器特点如下：
◆流水线结构的ARM Cortex-M0内核，处理器工作最高频率可选50 MHz；
◆串行接口UART可产生小数波特率，带有内部FIFO，支持RS-485／EIA-485，具有Modem控制；
◆32 KB的片内Flash程序存储器，高达8 KB的静态RAM，可以实现在系统编程和在应用中编程；
◆看门狗定时器(WDT)，系统节拍定时器，10位ADC在8个引脚之间实现输入多路复用；
◆具备3种节能模式——睡眠、深度睡眠和深度掉电，集成的PMU(Power Management Unit)在睡 眠、深度睡眠和深度掉电模式下自动调节内部稳压器，将功耗降至最低。
电源电路采用蓄电池供电，不追加外部供电系统。通过LM7805和LM1117两个线性电源为芯片供电。电源电路原理图如图6所示。

2．2 主控电路
太阳能智能控制系统主要由电阻分压网络、充电控制部分、阻抗匹配平衡部分、放电切换部分和为交流负载提供电能的逆变器组成。电阻分压网络完成数据的采集，经微处理器的分析处理对MOS管的导通与否实施控制。充电控制部分完成对开关管的控制，当无过充现象时在光伏电池输出的最佳工作点处给蓄电池充电并实时采集分析。阻抗匹配平衡电路作为PWM调试追踪最大工作点的核心部分，实现阻抗的匹配。放电切换部分完成直接供电或在功率不足时由民用交流电供电。逆变器则是为交流负载供电时将直流转为交流。

图7为系统的主控电路。SB460为阻塞二极管，用于防止光伏电池电压过低时产生反充的现象。C1和电阻分压网络构成电压调节检测功能电路。C2为滤波电容，减小电压抖动文波。D1为稳压二极管，用于嵌位开关管两端电压，满足开关的开启电压。Q1部分电路为MOS管的驱动电路和保护电路，功率场效应管是所有全控型电力电子器件中工作频率最宽的一种，MOS管是电压控制型器件，但对于MOS管的驱动也要保证一定的驱动电流。该驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动MOSFET栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲，实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。DC／DC平衡电路根据输入电压调节输出电压，其实际上就是阻抗变换器，为了实现阻抗的匹配而达到最大功率输出的效果。D2为泄流二极管，在继电器吸合断开时泄放电流，起到保护的作用。K1为继电器，采用AIKS公司生产的ARL2F系列，通过控制三极管的导通与否实现继电器的控制，当继电器吸合时由太阳能系统供电，在功率不足或是欠压状态下由民用供电系统供电，在给交流负载供电时，需要经过逆变器实现直流到交流的转换。