TMTTP太阳能控制器设计.docx

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TMTTP太阳能控制器设计

TMTTP太阳能控制器设计

设计：

陈培国2007年10月25日

设计要求：

1）光伏系统实行MTTP控制，给系统提供最大功率输出。

2）基本规格：

24V/5A120W输出功率

3）蓄电池充电保护功能

4）蓄电池充电电压温度补偿（选用）

5）定时、光敏控制功能（备用）

6）双路输出功能（备用）

7）遥控设置功能（备用）

8）实时时钟（备用）

9）液晶显示（备用，设置时间，显示充放电电流及充放电安时数）

1   太阳电池的特性

   太阳电池的p－u特性如图1所示，图1（a）为温度变化时的p－u特性曲线，图1（b）是日照强度变化时的p－u特性曲线。

太阳电池具有明显的非线性，既包含了电压源的特性，也包含了电流源的特性。

（a）温度变化时           （b）日照强度变化时

图1   太阳电池的p－u特性曲线

太阳电池的输出受日照强度，电池结温等因素的影响。

当结温增加时，太阳电池的开路电压下降，短路电流稍有增加，最大输出功率减小；当日照强度增加时，太阳电池的开路电压变化不大，短路电流增加，最大输出功率增加。

在一定的温度和日照强度下，太阳电池具有唯一的最大功率点，当太阳电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。

2   太阳电池的最大功率跟踪

在光伏系统中，通常要求太阳电池的输出功率始终最大，即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。

太阳电池的伏安特性如图2所示，图中L是负载特性曲线，交点a，b，c，d，e对应于不同的工作点。

可以看出，这些工作点并不正好落在电池提供的最大功率点（a′，

b′，c′，d′，e′）处，这就不能充分利用在当前条件下电池所能提供的最大功率。

因此，必须在太阳电池和负载之间加入阻抗变换器，使得变换后的工作点正好和太阳电池的最大功率点重合，使太阳电池以最大功率输出，这就是所谓的太阳电池的最大功率跟踪。

2．1   CVT方式的MPPT

   从图2中可以看出，当温度一定时，太阳电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧邻近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U=const的一根垂直线，亦即只要保持太阳电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该一温度下太阳电池输出最大功率。

把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪（CVT），这就是CVT控制的理论依据。

实现CVT的原理如图3所示。

图中Usp＊是给定工作点电压,对应于某一温度下的最大功率点；Usp是太阳电池的实际输出电压。

给定电压和实际电压比较后经过PI调节，调节结果与三角波比较得到PWM脉冲，驱动功率器件，从而调节太阳电池的负载阻抗。

不同的PWM脉宽对应不同的负载阻抗。

图2   太阳电池的伏安特性曲线

图3   CVT原理图

CVT方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般光伏系统可望多获得20％的电能，较之不带CVT的直接耦合要有利得多。

但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳电池开路电压的影响。

以单晶硅太阳电池为例，当环境温度每升高1℃时，其开路电压下降率为0.35％～0.45％。

这表明太阳电池最大功率点对应的电压也随环境温度的变化而变化。

对于四季温差或日温差比较大的地区,CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪最大功率。

2．2   TrueMPPT（TMPPT）

   鉴于CVT方式的局限性，它只能是一定温度条件下的最大功率跟踪，在不同温度条件下仍有功率损失。

真正的MPPT是指系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率。

目前，最常用的控制方法主要是扰动观察法和电导增量法。

   扰动观察法由于实现简单，是最常用的方法。

它通过对太阳电池输出电压、电流的检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的记忆功率相比较，从而确定给定参考电压调整的方向。

若Δp>0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向调整；若Δp<0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变调整的方向。

当给定参考电压增大时，若输出功率也增大，则工作点位于图4中最大功率点pmax左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点pmax右侧，需要减小参考电压。

当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于pmax的左侧，需增大参考电压；若输出功率增大，则工作点位于pmax的右侧，需继续减小参考电压。

图4   p－u特性曲线

   给定参考电压变化的过程实际上是一个功率寻优的过程。

由于在寻优过程中不断地调整参考电压，因此，太阳电池的工作点始终在最大功率点附近振荡，无法稳定工作在最大功率点上。

同时，当日照强度快速变化时，参考电压调整方向可能发生错误。

电导增量法的原理是：

在最大功率点处，有dp/du=0，即满足di/du=－i/u。

理论上它比扰动观察法好，能适应日照强度快速变化，但由于传感器的精密度等因素，电导增量法往往难以实现。

   由于太阳电池特性的i=f（u）关系是一个单值函数，因此，只要保证太阳电池的输出电压在任何日照及温度下都能实时地保持为与该条件相对应的Um值，就一定可以保证电池在任何瞬间都输出其最大功率。

3   MPPT的结构

   CVT控制结构如图5所示,它将太阳电池工作电压作为反馈，达到稳定电池工作点电压的目的。

图中i=f1（u）与负载特性有关。

图5   CVT控制框图

TMPPT的实质是在CVT的基础上，实时的改变太阳电池的工作点电压，使得工作点电压始终等于最大功率点处的电压，从而实现最大功率点跟踪。

它的内环就是CVT。

TMPPT的控制框图如图6所示。

图6   TMPPT的控制框图

结合各种技术因素，我们采用比较稳定的CVT模式为基本框架，结合电导增量法组成稳定可靠的TMTTP控制系统。

电导增量法的控制流程图如下：

最终的执行部件是用PWM方式的开关电源，从执行效率来看，升压式容易比降压式做得略好。

国外中小功率的升压开关电源已经能过做到97％以上的转换效率，这是非常高的效率。

从太阳能电池的反充电保护来讲，需要一个二极管隔离，但这又将损失3-5％的效率，降压式的开关电源无法省略，而升压式的开关电源可以利用线路固有的二极管代替隔离二极管，这样就提高了整个系统的效率。

所以我们最终选用升压开关电源作为我们的执行部件。

根据设计目标，我们选用美国LINEAR公司的开关电源IC，型号是LT1270A,该器件输入工作电压为3.5V-30V,最大输出电压为60V,内部开关管的最大电流为10A,静态电流7mA,是比较理想的器件，以36片太阳板工作电压约17伏作为输入，执行效率可达94％。

10W输出的效率报告如下：

40W输出的效率报告如下：

120瓦输出的效率报告如下：

在新的设计中，取样电阻下为1.24K。

因为FB端电压为1.24V，所以流过R2的电流为1mA。

输出电压的最高值为蓄电池充电电压的最高值，这里是24V蓄电池，最高电压设置为28.8V（单格电池最高值为2.4V）。

R1=28.8-1.24=27.56K,实际使用上用24K的固定电阻和5.1K的可调电阻串联组合。

除了LT1270A,这里有两个器件比较关键，一个是肖特基二极管，另一个是储能电感L,二极管除了在开关电源里面所起的作用外，还负担起太阳板的反充电保护作用，我们选用ST公司的STPS6045CW,耐压45V,电流30A+30A。

储能电感L设计比较复杂，我不在这里详细解释了，设计的目的使它产生的损耗最小。

还有LT1270A的Vc端，通过一个三极管控制，在系统尚未准备好或有故障时对地短路，可以停止LT1270A的工作，起到保护作用。

CVT简单原理：

当检测电路检测到太阳板的电压低于设定值时，输出高电平信号，通过一个由二极管和电阻组成的回路加到FB端，使LT1270的输出下降，输出功率下降，这样太阳板的负载减轻，电压就回到设定值以上。

下面是检测部分的设计，电路图如下：

设定运放（V+）的正常工作点为2.5V,太阳板取样电阻下端为10K,正常工作时太阳板的电压为36×0.49＝17.64V,这样上端的电阻R1=（17.64-2.5）/0.25=60.2K,取R1=62K。

（V-）也作为单片机检测太阳板电压的采样端。

这里有一个现实的问题，LM324在5V供电的时候最高输出电压为3.8V左右，最低到0.6V,，设定（V+）连接2.5V基准电压的电阻R3为10K,太阳板工作范围为基准电压的-19%---+13%，D/A输出0.6-3.8V变化相当于产生（-1.9V）----（+1.3V）的变化。

根据计算，取R4=30K,实际相当于太阳板的工作电压为0.40V-0.55V。

在PWM产生的D/A中，0-0.6V及3.8V-5.0V这两段是饱和区，理论上计算在8位PWM中，数值为（00H-1FH）及（0C2H-0FFH）为高低端的饱和区，单片机PWM输出基本接近0-5V，影响比较小，可视具体情况适当修正一下数据。

选用美国ATMEL公司的AVR系列的单片机作为我们的控制核心，该系列芯片具有速度快，代码执行效率高，功能强大等特点，可将集成的PWM功能作为DA使用，节省了外加的DA转换芯片，增加产品的性价比。

系统内部的AD检测检测需要有稳定的基准，我们选用TL431作为内部2.5伏的基准。

选用8MHz振荡频率，PWM频率最高为31.250K，周期为32uS。

经过10K/0.01uF三级滤波，经过计算机仿真，2mS延时有比较好的响应时间和效果。

这样可以设置定时中断时间为2mS.仿真电路如下：

这里的信号源是周期为32uS，电压0-5V,脉冲上升沿和下降沿都是0.1uS,导通时间为25uS,U1输出的波形。

当脉冲启动到2mS的时间内，输出电压从5V下降到1.44V,接近稳定值1.35V。

所以当AD采样后，经过单片机调整PWM输出，2mS之内（调整范围小，则不需要2mS），有稳定的信号反应到PWM的调整端。

设计正常稳态工作时PWM占空比为50％，U1输出电压为2.5V

U1输出的仿真结果如下：

系统内部需要电源，也是必须考虑低功耗，以24伏蓄电池线性稳压后供电，将产生比较大的消耗，所以我们也得采用开关电源，将24伏变成内部器件所需要的5V电压。

我们选用摩托罗拉的MC34063小功率开关电源IC,最大输出电流1A,静态电流3mA。

用MC34063构成的内部供电电路参考如下：

由于工作电流不大，电感L可以选用小功率的电感。

设计的总图如下：

下面是单片机的选用及端口、定时器、PWM、AD转换等的配置

这里选用ATMEL公司的AVR单片机ATMEGA48作为主控核心，主要的功能有：

•高性能、低功耗的8位AVR®微处理器

•先进的RISC结构，大多数指令的执行时间为单个时钟周期，工作于16MHz时性能高达

16MIPS

•非易失性的程序和数据存储器，4K字节的系统内可编程Flash，256字节的EEPROM，

512字节的片内SRAM

•外设特点

–两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

–六通道PWM

–6路10位ADC（PDIP封装）

–可编程的串行USART接口

•工作电压:

ATmega48V：

1.8-5.5V

•工作温度范围:

-40°C至85°C

•工作速度等级:

ATmega48V:

0-2MHz@1.8-5.5V,0-8MHz@2.4-5.5V

•极低功耗:

1MHz,1.8V:

300μA32kHz,1.8V:

20μA（包括振荡器）

引脚图如下：

第一部的事情是端口配置，先确定AD端口的数量

1.PC0：

太阳板电压检测

2.PC1：

太阳板电流检测

3.PC2：

蓄电池电压检测

以上3个是必须配置的，太阳板的电流检测也是需要一番设计的，为了有比较好的AD转换效果，我们选用AD的基准点压为3.6伏，用以下电路实现：

电流采样的设计如下：

蓄电池的分压设计按1/10设计，最高采样电压可到3.5V，对应蓄电池端的电压为35V。

PC口其他功能定义：

PC3：

蓄电池电流检测（备用）

PC4：

定时时间设定2

PC5：

定时时间设定3

PC6：

用于外部复位电路。

选用PB口作为基本输出口，定义如下：

1.PB0：

LT1270使能

2.PB1：

双路负载控制1输出，驱动大电流MOS管，同时接LED灯指示

3.PB2：

双路负载控制2输出，驱动大电流MOS管，同时接LED灯指示

4.PB3：

LED1:

快速充电：

快闪；慢速充电：

慢闪；无太阳能灯灭；

5.PB4：

LED2：

调整指示灯，系统调节时至灯亮

6.PB5:

LED3：

输出指示灯，负载过载指示：

闪，正常工作：

亮欠压停止：

灭

为了系统稳定计时，采用外部8M的晶振，PB6和PB7用于振荡电路。

输出过载检测的电路如下：

两路过载电路输出并联，接到外部中断口PD2。

选用PD口作为基本输出口，定义如下：

1PD0：

RXD,留作遥控设置通信

2PD1：

TXD,留作遥控设置通信

3PD2：

过流中断触发

4PD3：

（备用）

5PD4：

（备用）

6PD5:

（备用）

7PD6:

用于PWM输出，使用OC0A

8PD7:

调试开关（输入）