基于ARM的太阳能发电控制系统

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翻新时间：2013-12-17

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基于ARM的太阳能发电控制系统

目前，我国国内太阳能自动跟踪器主要有：压差式太阳能跟踪器，控放式太阳跟踪，时钟式太阳跟踪器，比较控制式太阳跟踪器。纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低，本系统采用了精度相对较高的光敏电阻控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池始终朝向太阳；在天黑后，能够使电池板重新朝向东方，实现日循环运行。

太阳能发电控制系统

传感器结构

立柱转动式跟踪器

步进电机固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面（主轴相对于底座可以转动），转动架以及支架固定安装在主轴上，光伏电池、步进电机安装在支架上面（光伏电池相对于支架可以转动），步进电机的输出轴连接在光伏电池上。

当光线发生偏移，控制部分发出控制信号驱动步进电机带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动；同时控制信号驱动步进电机带动光伏电池相对与支架转动，通过步进电机步进电机的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

MPPT控制器

扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续朝同一方向扰动，反之，当太阳能光电板输出功率减少时，表示扰动方向错误，下一周期朝反向扰动，如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。

系统硬件设计

系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位，它主要对主回路进行控制，保证MPPT算法有效实现，使DC/DC变换保持恒压输出，且与LCD的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪，使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费。其次，主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。

驱动电路

DC/DC、MPPT电路

首先通过并联50K、10K电阻组成的电路，并对10K电阻两端A/D采集，采集电压Uad1，间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1；

Uo要求为20V，通过Uo=Uin/（1-D）可计算出需要的D（Q1的占空比），输出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V，所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控制，不是简单的控制Q1。

通过R5、R6组成的电路采集R6两端电压Uad2，间接得到Uo=6Uad2，将Uo与20V比较，即时调整实际的D，使得D=D-△D或D=D△D（△D取PMW脉冲周期的5%），然后延时、采集、判断，直到得到精确的占空比D，能够准确输出电压Uo=20V.

在输出电压基本稳定的基础上，设置Q4的PWM2，改变R7扰动电阻的占空比，来改变输出电流，通过对R8两端电压的A/D采集，采集电压Uad3，得到电路总电流I=Uad3/R8，因此得到太阳能电池输出总功率P=Uin#times；I（因为电路是电流连续工作，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，C1电流可忽略，甚至电容C1可除去，且光伏电池左端的采集电阻相当大，电流极小，亦可忽略），改变光伏电池即时输出实际功率，来实现MPPT。

蓄电池充放电控制电路

白天，光伏电池需要为蓄电池充电，以便蓄电池能够晚间对负载（路灯）供电，并且步进电机的工作电能也需要由光伏电池提供（若光伏电池的功率不足以带动电机，说明日照极差，无需转动电机），ARM板必须连续供电，白天由光伏电池供电，夜间由蓄电池供电，这一套充放电控制电路需要用到2个继电器，一个是控制蓄电池充电和放电，另一个控制ARM板的工作电压由光伏电池提供还是蓄电池提供。

系统软件设计

本系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的，主要包括：A/D模块，DC/DC模块，MPPT及蓄电池充放电控制等。系统重点在硬件设计，软件设计相对较简单。

整个系统以ARMLPC2131为核心对DC/DC、MPPT、蓄电池组充放电进行控制，采用最大功率点的跟踪，使光伏电池工作在最佳状态，使光伏电池的实际转换率由10%提高到30%.系统通过自动跟踪测试，达到预期的性能指标，控制精度高，已由公司制作成品，并计划批量生产。它的制作简单、成本低、实用性强，这对于我国广阔的太阳能资源丰富地区，有着非常广阔的应用前景。