采用单片机C8051F310实现光伏电池MPPT控制器的设计

1 引 言

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展，能源日渐减少，并伴随着环境问题日益突出，使得越来越多的国家把目光投向可再生能源。太阳能作为重要能源之一，以其永不枯竭，无污染等优点，正得到迅速的发展。但是太阳能电池在其工作过程中，由于受环境（主要包括日照强度，温度）的影响，其输出具有明显的非线性特性，造成电池与负载之间的不匹配，从而不能使太阳能最大效率地转化为电能输出。为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，就需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪控制，即MPPT（MaximumPower Point Tracking）控制。

在光伏控制技术上，MPPT控制方法有很多种，目前市场上常用的是使用CVT（恒定电压跟踪）控制技术的控制器，因为CVT法较为简单，制造相对也容易，但是此种控制技术带来了较为严重的功率损失，相对于光伏电池价格的高昂以及电力电子技术的日益发展，显得很不经济实用。

因此各种具有MPPT功能的光伏控制器逐渐发展起来，本文所设计控制器即是一种基于“电压扰动法”采用高性能单片机实现的小型光伏控制器，控制超级电容器充放电。

2 光伏电池的基本原理及其光伏特性

图3a为光伏电池在不同光照下的电流-电压(i-v)曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率-电压(p-v)曲线。图3a为光伏电池在不同光照下的电流－电压（i-v）曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率－电压（p-v）曲线。针对镍镉或镍氢电池的特性,需要设计一个恒流的充电器.本电路实际上是一个恒流源.核器件是集成三端可调稳压器lm317t.它在电源电压足够的情况下可以保持其+vout端比其adj端电压高1.25v.请看图中的接法,adj端直接与待充电池相连.但adj端的内阻很大(正常情况下adj端的电流不会超过50μa),可近似看作开路,但它可以对电压进行取样.lm317t将+vout端的电压提高到比adj端高1.25v,那么跨接在+vout端与adj端的电阻上将有1.25v/25.5Ω=0.05a=50ma的电流流过(25.5Ω为开关打开时,r1与r2并联后的总阻值).这个电流便流过电池,对电池进行了恒流充电.。

由图1（a）和图1（b）中光伏电池在标准温度及标准光强下的P-V特性可以看出，光伏电池的输出特性受环境变化影响很大，其中光照强度主要影响光伏电池电流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的CVT控制技术是不能满足光伏电池最大功率输出要求的，从而使得MPPT控制技术更加适用。

3 超级电容器储能原理及等效电路模型

3.1 超级电容器储能原理

超级电容器（Super-capacitor）是近年来出现的一种新型储能器件，与常规电容器相比，其容量可达法拉级甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大，普通电池能量密度高的优点，并且具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围宽，对环境无污染等特点。因此，从某种意义上讲，超级电容器有着传统电容器和电池的双重功能，弥补了两个传统技术间的空白，因此具有很大的发展潜力。

超级电容器的能量储存在双电层和电极内部。当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子取向*到固体电极表面，形成“电极／溶液”双电层，用以贮存电荷。

超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛。超级电容器与蓄电池并联使用可以作为混合型电动车的加速或启动电源；可以用作光电功能电子手表和计算机存储器等小型装置的电源；在高压变电站及开关站中，超级电容器的使用保证了分闸能量供应的绝对可靠，同时保留了传统电容储能式硅整流分合闸装置的优点；除此之外，超级电容器在光伏发电中的应用也日益广泛。本文利用超级电容器在光伏系统中的应用，设计了一种控制超级电容器充放电的最大功率控制器。

由于超级电容器单体电压较低，本设计选用了5个参数为2 400 F，2.7 F的超级电容器，将它们串联起来作为储能器件使用，电容量为480 F，工作电压范围为3.5～13.5 V，此时，超级电容器组件可储能为：

分析：电容器的电容等于所带的电荷量与电压比值，对于给定的电容器，其电容不变，与电压、电量无关，表征电容器容纳电荷本领的大小．解答：解：a、根据c=qu可知，电容器的电容等于其所带电荷量跟两板间的电压的比值，与电压、电量无关，电容不能说电容与其所带电荷量成正比，跟两板间的电压成反比．故a错误． b、对于确定的电容器，电容c一定，则由c=qu可知，其所带的电荷量与两板间的电压成正比．故b正确． c、电容器的电压变化，所带电量也随之变化，但所带的电荷量与电压比值恒定不变．故c正确． d、电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，由电容器本身的特性决定，与其大小与加在两板上的电压无关．故d正确．故选bcd点评：对于电容器的电容要抓住其比值定义法的共性：电容反映电容器本身的特性，与电量、电压无关．。由流体力学可知，p(功率)=q(流量)×h(压力)，流量q与转速n的一次方成正比，压力h与转速n的平方成正比，功率p与转速n的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率p成立方关系下降。齐纳管即常称的稳压管,利用附图的电路.即可确定齐纳管的击穿电压(稳压电压).该电路由两部分组成:其一是齐纳管击穿电压定值器电路:其二是电压值显示电路.定值器电路供电为+12v和+5v,显示器电路供电为+5v.把附图中各自的电源端.a点和接地端相连,电路即可工作. 在附图中,齐纳管定值器电路由iclne555含有斜波发生器的单稳态电路和ic22 ne555双稳态多谐振荡器的两种功能电路组成.晶体管t1和相关元件组成恒流源电路,电容器c2端与icl的⑥.⑦脚相连.结果icl第⑥脚形成线性斜波电压.斜。

3.2 超级电容器等效电路模型

等效电路模型对超级电容器储能系统的分析和设计都很重要，工程用等效电路模型应该能够尽可能多的反映其_内部物理结构特点，而且模型中的参数应容易测量。

最简单的超级电容器等效模型，是只有一个阻容单元构成的RC模型，如图2（a）所示，包括理想电容器C、等效串联内阻Rs、等效并联内阻Rp。等效串联内阻Rs表示超级电容器的总串联内阻，在充放电过程中会产生能量损耗，一般以热的形式表现，还会因阻抗压降而使端电压出现波动，产生电压纹波。等效并联内阻Rp反映7超级电容器总的漏电情况，一般只影响长期储能过程，也称为漏电电阻。文献［9］对超级电容器的自放电回路的时间常数进行了测试mppt控制器芯片，长达数十小时至上百小时，远远高于充放电时间常数。而且，在实际应用中，超级电容器一般通过功率变换器与电源连接，并处于较快的和频繁的充放电循环过程中，因此，Rp的影响可以忽略。因此，可以进一步将超级电容器模型简化为理想电容器和等效串联内阻的串联结构，如图2（b）所示。

RC等效模型结构简单，能够较准确地反映出超级电容器在充放电过程中的外在电气特征，将器件并联或串联不会影响其特性。因此，超级电容器组的等效电路也可以近似为RC结构，其等效串联内阻Rarray：

3.3 超级电容器储能系统

在系统中，超级电容器具有两大功能。首先，作为能量储存装置，在白天时储存光伏电池提供的能量，在夜间或阴雨天光伏电池不能发电时向负载供电；其次，与光伏电池及控制器相配合，实现MPPT。

超级电容器储能系统主要由太阳能电池板，超级电容器，开关，DC-DC变换器，放电回路及检测控制电路几部分组成。图3为超级电容器储能系统的原理框图如图3所示。

4 控制器主回路及其工作原理

4.1 MPPT控制方法

图3a为光伏电池在不同光照下的电流-电压(i-v)曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率-电压(p-v)曲线。图3a为光伏电池在不同光照下的电流－电压（i-v）曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率－电压（p-v）曲线。由光伏组件的i-u曲线可以看出光伏组件的输出曲线是非线性的，在同样的光照条件下不同的工作电压具有不同的输出电流，这样当光伏组件工作在某一个特点的电压ump时，它与光伏组件输出的电流imp的乘积即功率p达到最大值，这个工作点就是最大功率点。

太阳能电池方阵输入路数：小功率光伏控制器一般都是单路输入而大功率光伏控制器都是由太阳能电池方阵多路输入。图3a为光伏电池在不同光照下的电流-电压(i-v)曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率-电压(p-v)曲线。图3a为光伏电池在不同光照下的电流－电压（i-v）曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率－电压（p-v）曲线。

4.2 控制器主回路硬件的实现

图5为控制器主回路及控制电路框图，它采用脉宽调制的方法，通过控制开关管Q的开通状态将光伏电池的直流信号变换成一个可变占空比的脉冲信号，从而改变光伏电池的等效负载，进而达到MPPT功能。

图中充电主回路采用的是BUCK型降压电路，适合本试验用25 W光伏电池给13.5 V超级电容器组的独立光伏系统。BUCK变换器的工作原理是通过斩波形式将平均输出电压降低，通过调节占空比来达到调节光伏电池输出电压的目的，使其输出电压能够保持在最大功率点的电压处。工作过程中，开关管Q反复导通和截止，两种不同状态的切换，将光伏电池输出的直流电压转换为脉冲形式的电压，再经过L，C滤波，形成直流电压输出。

单硅电鱼器后级的意义在于能在瞬间对水形成一个尖峰冲击力.单硅电鱼器控鱼效果跟尖峰输出功率有直接关系.单硅电鱼器工作的基本原理是:可控硅闭合时,主高压通过水的负载电感对电容充电,当可控硅开通后,主电压通过水负载可控硅回到地,关断电容通过电感和可控硅回到电容负极.当电感由于电容放电完毕反过来自感对关断电容充电时,关断电容感应高压把可控硅关断,在关断瞬间,关断电容与主电压叠加,这样水负载相当于一边接在关断电容负极,一边接关断电容与主电压叠加的正极上,因此水负载在可控硅关断瞬间有一个很大的尖峰电流，直到关断电容正向充电完毕.这个尖峰电流所对应的功率就是我们通常所说的峰值功率一般用va表示，只有通过示波器读数和相关的计算公式才可以算出这个功率，普通万能表无法测出，而且很容易烧坏表。图3a为光伏电池在不同光照下的电流－电压（i-v）曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率－电压（p-v）曲线。图3a为光伏电池在不同光照下的电流-电压(i-v)曲线，图3b为光伏电池在不同光照下功率-电压(p-v)曲线。

系统所用的单片机为Silicon公司生产的C8051F310单片机。C8051F310芯片是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25 MIPS）；全速，非侵入式的在系统调试接口（片内）；真正10位200 kS／s的25通道单端／差分ADC；具有高精度可编程的24.5 MHz内部振荡器；16 kB可在系统编程的FLASH存储器，1 280 B片内RAM；硬件实现的SMBUS／I2C，增强型SPI串行接口和增强型UART；4个通用的16位定时器；具有5个捕捉，比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器电池（PCA），每个模块都可以独立地实现8位或16位脉宽调制功能；具有19个I／O端口（容许5 V输入）；2.7～3.6 V的工作电压，70％的指令执行时间为一个或两个系统时间周期，具有扩展的中断系统，是一款功能强大，性价比高的芯片。

整个系统的要求是单片机控制四路交流220v的输出我考虑的方案是：市电220v通过5v2a的电源适配器输出5v这个5v电源有两个用处：一是经过ldo芯片输出3.3v供电stm32芯片二是给四路继电器的线圈提供驱动电压stm32的4个gpio口通过光耦控制继电器线圈的驱动电压 请问各位大侠，这个方案可行不。逆变部分采用单片机数字化spwm控制方式，采样直流母线电压做电压前馈控制，同时采样电流做反馈控制。为保证光伏电池稳定向超级电容充电，实现光伏电池与超级电容的电压匹配，须将光伏电池输出直流电压转换成值为5.29v的稳定直流电压。

该系统负载为大功率LED灯，超级电容器给LED灯供电。当控制器检测到晚上或天阴，即单片机给出控制信号，使超级电容器开始放电，LED灯亮。因为LED灯在工作过程中要求工作电压或电流恒定，因而，需要在超级电容器与负载之间设计稳压器或恒流器。该系统中选用了一种降压芯片及一种恒流芯片，使LED灯工作在稳定状态。

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