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1 引言 由于全球性能源危機(jī)，世界普遍重視可再生能源的利用與研究。太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應(yīng)用。太陽能路燈以其不用專人管理和控制，安裝一次性投資無需日后電費(fèi)開支，無需架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜．可以方便安裝在廣場、校園、公園以及不便于架設(shè)輸電線路的地方等多方面的優(yōu)點而越來越受到重視。但是現(xiàn)有的太陽能照明系統(tǒng)存在效率低下，成本較高的缺點，這對太陽能照明系統(tǒng)提出了提高效率，降低成本的要求。為了應(yīng)對這種需求，本文設(shè)計了一種基于PIC單片機(jī)的新型太陽能路燈控制器。 本系統(tǒng)采用PIC單片機(jī)對太陽能路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，在蓄電池的充電階段根據(jù)太陽能電池的特性設(shè)計并實現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點跟蹤(MPPT)，這種方法有效地提高了太陽能電池的利用率。 2 太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽能路燈系統(tǒng)由：太陽能電池、太陽能控制器、蓄電池、照明電路四部分組成，其中太陽能控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的工作。太陽能路燈控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。 
圖1太陽能路燈控系統(tǒng)組成框圖 3 太陽能電池的最大功率跟蹤技術(shù) 光伏陣列的輸出特性具有非線性特性，并且其輸出受光照強(qiáng)度，環(huán)境溫度等因素的影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時光伏電池的工作點就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(maximum power point，MPPT)。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途經(jīng)就是實時調(diào)整光伏電池的丁作點，使之始終工作在最大功率點附近。 目前常用的太陽能最大功率點跟蹤方法有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制等。本文采用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)最大功率點跟蹤。本系統(tǒng)采用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制。電導(dǎo)增量法是MPPT控制常用算法之一。通過光伏陣列P-U曲線可知輸出功率最大值Pmax處的斜率為零，所以有：
公式(2)為達(dá)到最大功率點的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時．光伏陣列工作在最大功率點。 電導(dǎo)增量法通過比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來改變控制信號。這種控制算法控制精確，響應(yīng)速度快，適用于大氣條件變化快的場合。這種MPPT控制算法最大的優(yōu)點是在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，光伏陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動觀測法小。 4 太陽能路燈控制器設(shè)計 常規(guī)的太陽能控制器的作用是對蓄電池的充放電進(jìn)行控制，當(dāng)達(dá)到過充點時，切斷太陽能電池板與蓄電池的連接；達(dá)到過放點時，切斷蓄電池與負(fù)載的連接，從而達(dá)到對蓄電池的保護(hù)作用。并沒有提高太陽能利用率的措施，這樣就會造成太陽能路燈需要較大功率的太陽能電池才能滿足供電需求，從而使得整個系統(tǒng)成本大幅度提到，給太陽能路燈的大面積推廣造成很大的障礙。本文設(shè)計的控制器以PIC16F616為控制芯片，使用SEPIC拓?fù)湓O(shè)計主電路，實現(xiàn)對太陽能電池的最大功率點跟蹤以提高其利用率。 4．1 PIC16F616介紹 太陽能控制器模塊以PIC16F616單片機(jī)為核心。該模塊需要對太陽能電池進(jìn)行最大功率點跟蹤(MPPT)、對蓄電池的充放電進(jìn)行管理、以及對照明電路進(jìn)行控制。 PIC16F616的主要特性： (1)高耐用性閃存：閃存耐寫次數(shù)達(dá)100,000次；閃存數(shù)據(jù)保存期：>40年 (2)低功耗特性：4MHz、2．0V時典型值為220 μA (3)MD轉(zhuǎn)換器：10位精度；8路外部輸入通道 (4)增強(qiáng)型捕捉、比較和PWM模塊：10位PWM，帶有可編程“死區(qū)” 4．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。所選用單片機(jī)具有片內(nèi)PWM模塊，通過調(diào)整PWM波的占空比可以實現(xiàn)對太陽能最大功率點(MPPT)的跟蹤和對蓄電池充放電進(jìn)行管理。
4．3 太陽能路燈控制器主電路設(shè)計 主電路采用SEPIC拓?fù)洌鐖D3所示。該拓?fù)漭斎腚妷号c輸出電壓同極性，可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)管占空比升高或降低輸出電壓。單片機(jī)主要控制開關(guān)管Sl的占空比，來實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制和對蓄電池的智能化管理。開關(guān)管S2用來實現(xiàn)對照明電路的控制。單片機(jī)首先采樣蓄電池兩端的電壓，判斷是否需要對其進(jìn)行充電，如果蓄電池此時需要充電，單片機(jī)給開關(guān)管S1信號對蓄電池進(jìn)行充電，同時單片機(jī)對太陽能電池板的電壓電流進(jìn)行采樣．采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算后作出調(diào)節(jié)S1占空比的決策。實現(xiàn)對太陽能電池最大功率點的跟蹤。該電路控制簡單，除了實現(xiàn)基本的控制功能外，還可以通過程序?qū)崿F(xiàn)對蓄電池和照明電路的保護(hù)功能。
圖3 太陽能路燈控制器主電路 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 該系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。主電路的PWM脈沖由單片機(jī)直接給出。固定頻率30 kHz。由太陽能輸出特性曲線可知，通過調(diào)節(jié)占空比，改變太陽能電池端電壓，可以使太陽能電池輸出電壓為輸出特性曲線上對應(yīng)的最大功率點電壓。 本系統(tǒng)符合GB/T 19064-2003中對太陽能控制器的所有要求．包括充滿斷開(HVD)和恢復(fù)功能、欠壓斷開(LVD)和恢復(fù)功能、負(fù)載短路保護(hù)、內(nèi)部短路保護(hù)、反向放電保護(hù)、極性反接保護(hù)等功能。除了具有太陽能控制器的基本功能外，系統(tǒng)還加入了最大功率跟蹤控制和對系統(tǒng)運(yùn)行中的特殊情況的處理．例如太陽能電池板短時間被遮擋或天氣驟然變化造成的充電電壓跌落；路燈由于故障無法正常照明，實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能控制。
圖4 系統(tǒng)軟件流程圖 6 實驗結(jié)果及分析 圖5為在實驗室條件下使用15W太陽能電池板時，太陽能路燈控制器在使用增量電導(dǎo)法控制策略時光伏陣列端電壓波形。從圖中可以看出太陽能控制器控制太陽能電池板端電壓在最大功率點電壓附近擺動，并且對于天氣的變化可以迅速響應(yīng)。而傳統(tǒng)的太陽能路燈控制器將會使太陽能電池板的工作電壓箝位在蓄電池電壓，然而蓄電池電壓一般不是當(dāng)前太陽能電池板的最大功率點電壓。
7 結(jié)語 在傳統(tǒng)的太陽能路燈控制器應(yīng)用的過程中，大多數(shù)產(chǎn)品由于沒有按照光伏電池的工作特點和運(yùn)行規(guī)律來進(jìn)行設(shè)計，造成了系統(tǒng)成本的提高。本文所設(shè)計的太陽能路燈控制器繼承了最大功率點跟蹤功能，著重解決了如何提高太陽能電池使用率的問題，有效地降低了系統(tǒng)成本。因此，這種太陽能路燈的設(shè)計方法值得大力推廣和應(yīng)用。 本文作者創(chuàng)新點：將最大功率點跟蹤技術(shù)引入了光伏發(fā)電系統(tǒng)最普遍的應(yīng)用太陽能路燈控制器中，可以有效的控制系統(tǒng)成本，值得推廣和應(yīng)用。 作者：李晶，張維戈，王健強(qiáng) 來源：《微計算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期 |
