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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(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)用。太陽(yáng)能路燈以其不用專人管理和控制，安裝一次性投資無(wú)需日后電費(fèi)開(kāi)支，無(wú)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(chǎng)、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(diǎn)而越來(lái)越受到重視。但是現(xiàn)有的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)存在效率低下，成本較高的缺點(diǎn)，這對(duì)太陽(yáng)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(duì)這種需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)的新型太陽(yáng)能路燈控制器。 本系統(tǒng)采用PIC單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能電池的特性設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，這種方法有效地提高了太陽(yáng)能電池的利用率。 2 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)由：太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能控制器、蓄電池、照明電路四部分組成，其中太陽(yáng)能控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的工作。太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。 
圖1太陽(yáng)能路燈控系統(tǒng)組成框圖 3 太陽(yáng)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(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)(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(gè)重要的途經(jīng)就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的丁作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近。 目前常用的太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤方法有擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。本系統(tǒng)采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。電導(dǎo)增量法是MPPT控制常用算法之一。通過(guò)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(diǎn)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(shí)．光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。 電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。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(chǎng)合。這種MPPT控制算法最大的優(yōu)點(diǎn)是在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，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(dòng)觀測(cè)法小。 4 太陽(yáng)能路燈控制器設(shè)計(jì) 常規(guī)的太陽(yáng)能控制器的作用是對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制，當(dāng)達(dá)到過(guò)充點(diǎn)時(shí)，切斷太陽(yáng)能電池板與蓄電池的連接；達(dá)到過(guò)放點(diǎn)時(shí)，切斷蓄電池與負(fù)載的連接，從而達(dá)到對(duì)蓄電池的保護(hù)作用。并沒(méi)有提高太陽(yáng)能利用率的措施，這樣就會(huì)造成太陽(yáng)能路燈需要較大功率的太陽(yáng)能電池才能滿足供電需求，從而使得整個(gè)系統(tǒng)成本大幅度提到，給太陽(yáng)能路燈的大面積推廣造成很大的障礙。本文設(shè)計(jì)的控制器以PIC16F616為控制芯片，使用SEPIC拓?fù)湓O(shè)計(jì)主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤以提高其利用率。 4．1 PIC16F616介紹 太陽(yáng)能控制器模塊以PIC16F616單片機(jī)為核心。該模塊需要對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行管理、以及對(duì)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(xiě)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(shí)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(guò)調(diào)整PWM波的占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)(MPPT)的跟蹤和對(duì)蓄電池充放電進(jìn)行管理。
4．3 太陽(yáng)能路燈控制器主電路設(shè)計(jì) 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(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管占空比升高或降低輸出電壓。單片機(jī)主要控制開(kāi)關(guān)管Sl的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制和對(duì)蓄電池的智能化管理。開(kāi)關(guān)管S2用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)其進(jìn)行充電，如果蓄電池此時(shí)需要充電，單片機(jī)給開(kāi)關(guān)管S1信號(hào)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)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(jì)算后作出調(diào)節(jié)S1占空比的決策。實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤。該電路控制簡(jiǎn)單，除了實(shí)現(xiàn)基本的控制功能外，還可以通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池和照明電路的保護(hù)功能。
圖3 太陽(yáng)能路燈控制器主電路 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(yáng)能輸出特性曲線可知，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，改變太陽(yáng)能電池端電壓，可以使太陽(yáng)能電池輸出電壓為輸出特性曲線上對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)電壓。 本系統(tǒng)符合GB/T 19064-2003中對(duì)太陽(yáng)能控制器的所有要求．包括充滿斷開(kāi)(HVD)和恢復(fù)功能、欠壓斷開(kāi)(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(yáng)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的特殊情況的處理．例如太陽(yáng)能電池板短時(shí)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(wú)法正常照明，實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 圖5為在實(shí)驗(yàn)室條件下使用15W太陽(yáng)能電池板時(shí)，太陽(yáng)能路燈控制器在使用增量電導(dǎo)法控制策略時(shí)光伏陣列端電壓波形。從圖中可以看出太陽(yáng)能控制器控制太陽(yáng)能電池板端電壓在最大功率點(diǎn)電壓附近擺動(dòng)，并且對(duì)于天氣的變化可以迅速響應(yīng)。而傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈控制器將會(huì)使太陽(yáng)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(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)電壓。
7 結(jié)語(yǔ) 在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈控制器應(yīng)用的過(guò)程中，大多數(shù)產(chǎn)品由于沒(méi)有按照光伏電池的工作特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成了系統(tǒng)成本的提高。本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能路燈控制器繼承了最大功率點(diǎn)跟蹤功能，著重解決了如何提高太陽(yáng)能電池使用率的問(wèn)題，有效地降低了系統(tǒng)成本。因此，這種太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)方法值得大力推廣和應(yīng)用。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將最大功率點(diǎn)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(yáng)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(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期 |
