基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计

1、第28卷第2期基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计李绍武(湖北民族学院信息工程学院,湖北恩施445000)摘要:针对风能和太阳能互补发电中互补模块和逆变模块的控制问题,采用高性能低功耗的AVR单片机为核心,设计了一种风光互补发电控制器,并对控制器的结构和原理进行了详细的分析.PROTEUS仿真表明,该系统过程电压和输出电压稳定、操作方便、功能强大.关键词:AVR单片机;风能;太阳能;互补控制器中图分类号:TB202文献标识码:A文章编号:1008-8423(2010)02-0174-03DesignofSolarEnergyandWindEnergyControllerBasedonAVRL

2、IShao-wu(SchoolofInformationEngneering,HubeiUniversityforNationalities,Enshi445000,China)Abstract:APV/windhybridcontrollerisdesignedbasedonAVRsinge-chipmicrocomputertosolvethecontrolproblemofhybridmoduleandinverter,andthestructureandprincipleofcontrollerisanalyzedandillustrated.Theresultsofsimulatio

3、nshowthatthesystemhasstableprocessvoltageandoutputvolt age,convenientoperationandpowerfulcapability.Keywords:AVRsinge-chipmicrocomputer;windenergy;solarenergy;hybridcontroller随着能源危机的加重和人们对环境污染的重视,太阳能和风能作为理想的可再生清洁能源的优点逐渐显现出来.风能和太阳能在时间和地域上具有良好的互补性,这一优点引起了人们对风光互补发电研究和应用的广泛重视.文献1和文献2中建立了风光互补发电控制电路的模型,文献

4、3中对风光互补电路的能量分配进行了研究,本文在上述研究的基础之上,主要对风光互补模块和输出逆变模块的控制电路进行了研究,设计了基于AVR单片机的风能太阳能控制器,实现了太阳能发电和风能发电控制的智能 二合一 .1 硬件电路的设计风能太阳能控制器的结构如图1所示.该控制器由单片机控制电路和外围主电路组成,外围主电路主要包括风能太阳能互补控制电路、斩波电路、整流电路、逆变电路、驱动电路和检测电路等.1.1 控制电路系统控制电路以ATmega128单片机4为核心.采用图1 风能太阳能控制器原理结构图Fig.1 Structureofsolarenergyandwindenergycontroller

5、该芯片4路可编程PWM资源实现输入斩波控制和输出逆变控制;通用I/O接口实现蓄电池的充放电控制及键收稿日期:2010-04-21.基金项目:湖北省教育厅科学技术研究计划项目(D20092906).(),(土家族),.第2期李绍武:基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计175风能发电机输出的三相交流电压经三相桥式整流为单相脉动直流电压,滤波后稳定的输出电压作为斩5波器输出的基准电压.斩波电路1采用简单的Boost电路,控制IGBT栅极的PWM信号占空比可以很容易地控制输出电压值,使其始终等于基准电压.斩波电路2采用Cuk电路定,该电路将完成最大输出功能跟踪(MPPT)功能1.3 风能太阳能互补控

6、制电路为了实现太阳能发电和风能发电的智能 二和一 ,采用两个固态继电器完成风光互补电路的控制,如图2所示.常开触点KS1和KS2分别控制斩波器输出电路和整流器输出电路的通断.对于常开触点KS2,只有当风能发电机输出电压大于等于阈值电压并且小于等于上限电压时闭合.互补输出的能量管理如表1所示,其中阈值电压和均可由单片机键盘设定.风能发电机输出上限电压主要是针对暴风等特殊情况下对主电路和控制电路的保护.输出逆变电路采用单相桥式逆变电路565,同理,控制IGBT栅极的PWM信号占空比可以很容易地控制输出电压值,使其始终等于输出直流电压设定值.如果没有对输出电压值进行设.图2 风能太阳能互补控制电路图

7、Fig.2 StructureofPV/windhybridcontroller表1 输出能量管理表Tab.1 Managetableofoutputenergy风能发电机电压VWVWVWthVWth!VW!VWmVWVWshVWth!VW!VWm输出电源供电来源蓄电池风能发电机太阳能电池组风能发电机和太阳能电池组太阳能电池工作模式组电压VS模式0模式1模式2模式3VSVSthVSVSthVSVSthVSVSth工作模式的选择可通过单片机键盘输入设定,缺省情况下,单片机根据c、d两路电压采样结果自行判定.,实现从直流电到频率和幅值可调的交流电的逆变.频率和幅键盘采用矩阵方式设计,采用中断方式进

8、行编程.键盘和显示电路主要完成控制器工作模式、输出交直流电压大小、蓄电池充放电情况以及太阳能供电阈值电压VSth和风能供电阈值电压VWth的设置和显示.保护电路采用光电隔离技术实现控制电路和主电路的隔离,包括单片机与驱动电路、蓄电池电路以及互补电路的隔离.蓄电池通过单片机的I/O端口和电压监控实现智能三阶段充放电控制7.2 软件设计2.1 主程序主程序主要实现对I/O接口、定时器、A/D转换器的初始化,并完成模式0到模式3的切换和控制.图3为整个控制器的主程序流程图图3 主程序流程图Fig.3 Flowchartofmainprogram176湖北民族学院学报(自然科学版)第28卷压采集.参数

9、flag1和flag2分别表示太阳能电池组输出电压和风能发电机输出电压是否大于阈值电压的标志位,等于1表示输出电压大于阈值电压,等于0表示输出电压小于阈值电压.2.2 模式3子程序PWM子程序1主要完成斩波电路1输出电压的控制.PWM子程序2主要完成斩波电路2输出电压的控制.SPWM子程序主要完成逆变电路输出电压幅值和频率的控制.3 仿真本系统采用PROTEUS软件进行仿真,仿真主电路如图5所示.其中,PWM1和PWM2信号分别由AVR单片机的OC3A和OC3B端口产生,分别用于控制IGBT1和IGBT2的通断以完成对斩波电路1和斩波电路2输出电压的控制.SPWM1和SPWM2信号分别由AVR

10、单片机的OC1B和OC1C端口产生,用于对逆变器输出电压幅值和频率的控制.单片机的I/O信号经过光电隔离后作为控制信号1和控制信号2,分别用于控制继电器1和继电器2的通断,以模拟互补控制电路的工作情况.图4 工作模式3子程序流程图Fig.4 Flowchartofsubprogram仿真时,采用直流电源模拟太阳能电池的输出,且通过间歇改变直流电压大小模拟太阳能电池的输出特性;同时,采用三个频率和幅值相等、相位相差120度的正弦交流电源模拟三相风能发电机的输出特性.仿真过程显示,整个系统控制简单、工作稳定、输出波形失真度小.图5 主电路仿真图Fig.5 Simulationdrawingofma

11、incircuit4 结语本设计采用AVR单片机较好的解决了风能太阳能互补发电中的控制问题,实现了风能发电和太阳能发电在能源上的互补,在控制上的 二合一 ,在充分利用不同地域的风能和太阳能资源方面,具有较高的实用价值和推广价值.参考文献:1 陆虎瑜,马胜红.光伏#风力及互补发电村落系统M.北京:中国电力出版社,2005:3-7.2 杨鹏,史旺旺.基于单片机的船用风光互补发电系统控制器的设计J.工业控制计算机,2009,22(5):63-64.3 揭婷,段善旭,刘邦银,等.风光互补发电系统的能量管理研究J.变频器世界,2008(9):45-48.4 全钟夫,杜刚.ATmega128单片机C程序设计与