１太阳能发电系统硬件设计
１．１系统介绍
太阳能发电装置放置于室外以便于在晴天时进行光伏发电；电量检测系统主要由ＡＶＲ单片机、电压衰减电路、电压放大电路、霍尔电流传感器、光合太阳能充电控制器、１６０２液晶显示器等构成，可以实时显示太阳能发电量以及蓄电池电量；逆变器组用于将太阳能发电装置或蓄电池供给的直流电转变成２２０Ｖ／５０Ｈｚ的交流电，考虑到逆变器的功率和灵活性，采用逆变器组方案，即：一个逆变器对应一个用电支路；互投开关用于太阳能供电和市电供电两路电源的灵活切换，保证在太阳能供电不足的情况下，某些用电支路上的电器由市电可靠工作；蓄电池用于存储一定量的太阳能发电量，用于夜间照明和应急照明。可以直接采用ＬＥＤ照明直流供电和２２０Ｖ交流供电，若采用交流夜间和应急照明，需通过控制器进行电源逆变环节。本设计发电系统控制结构如图１所示。
１．２电路设计
电路设计主要包括太阳能电池板，电压衰减电路，电压放大电路，霍尔电流传感器，太阳能充电控制器（内含ＭＰＰＴ模块），ＬＣＤ１６０２显示器，以及Ａｖｒ单片机构成的控制系统。太阳能电池板受光照产生电压电流，经过充电控制器给蓄电池充电，电池板产生的光电流经过霍尔电流传感器转换成相应的电压信号，由于输出的电压信号较小须经ＯＰ０７电压放大电路放大到０～５Ｖ，再由ａｖｒ单片机进行采样并转换为数字信号，电池板的电压信号则需要衰减至０～５Ｖ，再经过ａｖｒ单片机采样并模数转换。蓄电池供电给用电器的电压电流信号同样经过衰减或放大，Ｉ／Ｖ转换，Ａ／Ｄ采样。所得数据经单片机处理后显示在ＬＣＤ１６０２上。电量检测以及充电控制总电路实物图如图２所示。本系统中利用ＡＴｍｅｇａ３２ａ作为整个发电系统控制部分的核心。由于单片机只能处理数字信号，所以模拟信号需要经过模数转换，利用ＡＴｍｅｇａ３２单片机的ＡＤＣ转换功能中的四路模拟转换，分别为太阳能电池板和蓄电池输出的电压电流经过Ｖ／Ｖ，Ｉ／Ｖ转换后的值；因为有外界干扰和系统内部干扰的存在，在每一如输入都加电容来滤除干扰波。此外利用ＡＴｍｅｇａ３２单片机的定时计数器的相位修正ＰＷＭ功能，采用外部１２Ｍ晶振，设计ＰＷＭ输出频率为２４ｋ，占空比为０．４。最大功率跟踪ＭＰＰＴ控制器是充电控制电路的核心［３］，在外界环境温度和光照不断变化的复杂情况下，它决定着蓄电池充电的效率，而ＭＰＰＴ控制器的基本原理就是实时地寻找最大功率点所在的电压。ＡＶＲ单片机做为中央处理单元对太阳能电池板的输出电流和电压进行采样算出此刻输出功率，并与前一时刻所测的输出功率相比较，根据ΔＰ的大小来选择ＰＷＭ占空比。在此采用变步长扰动法，ＰＷＭ的初始占空比α＝０．４，大步长为Δα＝０．０４，小步长为Δα＝０．０１，ΔＰ较大时选大步长能够快速达到最大功率点附近，ΔＰ较小时选取小步长减轻振荡提高精度。ＰＷＭ信号通过驱动电路改变ＢＵＣＫＤＣ／ＤＣ变换器［４］中Ｐ沟道ＭＯＳ管的导通率来控制输出电压，如此往复最终在最大功率点处轻微振荡，最大功率点的跟踪基本完成。这样一来，大大提高给蓄电池充电的效率。
１．３系统工作流程
假定该用户用电器包括洗浴水箱、全自动洗衣机、电饭煲、柜式空调、壁挂空调、应急照明等；可以合理设计若干条用电支路，为简单起见，每一用电器采用一条支路，应急照明采用一条支路。系统首先进行用电优先权的设置，假定洗浴水箱级别最高，依次是全自动洗衣机、电饭煲、柜式空调、壁挂空调，应急照明在检测到市电供电停电时，优先级别转为最高。当发电量检测器检测出太阳能发电装置输出的电量后，据此发电量，单片机控制器根据用电优先权选择太阳能供电支路，其他支路仍然为市电供电。例如，当前太阳能发电装置电量输出为４ＫＷ，去除蓄电池充电１ＫＷ（假设），而洗浴水箱加热器为２ＫＷ，洗衣机为１ＫＷ，电饭煲为０．７５ＫＷ，那么可以选择洗浴水箱、洗衣机两个支路为太阳能供电，其他支路为市电供电；如果蓄电池电量充满、洗衣机工作完毕，可以选择电饭煲、其中一个壁挂空调器工作；如果蓄电池充电、洗浴水箱、洗衣机、电饭煲工作完成后，可以选择柜式空调和若干壁挂空调工作，这样使太阳能分别以电能、热能、冷空气等形式能量存储或提供给用户使用。当遇到光照强度变化等突发原因就可能会导致如水箱温度未达到指定温度即停止工作、洗衣机工作过程中停止运行、电饭煲尚未完成工作便停止运行或者空调启动过程中骤然停止。此时将采取市电供电电路进行供电，以完成未解决的任务。该系统设置具有很大的优点：一是采用了计算机控制单元根据发电量大小智能选择用电支路；二是将太阳能以其他形式的能量存储起来或使用，避免市电的消耗，因此，在正常光照条件下用电智能调配系统的开发与利用能使太阳能发电得到最大限度的利用，减少市电消耗和碳排放，系统程序流程图如图３（ａ）。此外，当光照发生变化，不足以维持小用户用电需求时会用到市电的供应，系统程序流程图如图３（ｂ）。
２太阳能发电系统软件设计
软件部分主要完成对Ａ／Ｄ、定时器和ＰＷＭ的初始化，同时根据电池板和蓄电池的状态调用相应的充放电子程序。根据上面的算法建立的模型，给出用电智能调配系统ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型如图４和光照变化（１ＫＷ～０．８ＫＷ）和光照骤变（１ＫＷ～０．５ＫＷ）条件下功率跟踪对比曲线图５，这表明基于太阳能发电的小用户智能调配系统能够快速响应，功率并稳定再一定的值［５］。
３太阳能发电系统调试
电量测量电路中太阳能电池电压衰减倍数位１／４．２，霍尔电流传感器输入电流与输出电压比为４，电压放大电路放大倍数为４。ＡＴｍｅｇａ３２ａ输出ＰＷＭ波［６］的频率设置为２４ｋ，占空比设为０．４。在实验室条件限制情况下，采用电压源电流源模拟太阳能电池测得数据如图６和电压源与电流源模拟太阳能电池测得数据误差率如图７。
４结论
在目前太阳能技术条件的前提下，如何更有效的利用该能源资源，提高太阳能的发电效率，我们提出的基于太阳能发电的小用户用电智能调配系统的开发课题，就是在这方面的一种尝试。该系统应用对象主要是小用电户，整个太阳能发电系统测试是在实验室条件下进行的，设计并制作一个带有发电量检测模块的用电智能调配系统，对其中的关键技术作深入分析。通过调节占空比来避免外界光强发生快速变化而引起的错误判断的现象。整个系统用实验室电源模拟太阳能电池，具有一定的局限性，但从测量结果来看该改进的变步长扰动算法能准确的跟踪太阳能最大功率点，且动态性能大大改善，有效地解决传统定步长扰动法的动态性能与稳态跟踪精度不能同时获得的问题，最大限度的利用太阳能发电，从而达到节能的目的，并在此基础上科学管理用电系统，保障小用户用电可靠与安全性，进而可以最大程度的利用太阳能资源，减少市电消耗和碳排放。
作者：钱银 沈孝龙 任涛 单位：南京信息工程大学 电子与信息工程学院
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