風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的設(shè)計(jì)

孫素軍

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,安徽 滁州239000）

風(fēng)能和太陽(yáng)能是目前比較常用的可再生資源，兩種資源在時(shí)間和地域上有互補(bǔ)作用，因此，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為人們研究的重點(diǎn)，并逐漸廣泛應(yīng)用.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制風(fēng)光互補(bǔ)路燈，和傳統(tǒng)路燈相比，它不需要建立復(fù)雜的路線和管線等，免去了供電設(shè)備，可降低運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用；利用新能源發(fā)電，可節(jié)省大量的電費(fèi).傳統(tǒng)路燈依靠光控開(kāi)關(guān)或人工操作對(duì)路燈進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)時(shí)間不準(zhǔn)，尤其在人流量很小時(shí)，依然消耗電能，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)［1-2］.風(fēng)光互補(bǔ)路燈可根據(jù)光線及季節(jié)的變化，控制路燈的開(kāi)關(guān)時(shí)間，夏季工作時(shí)間短，冬季工作時(shí)間長(zhǎng).為充分實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)，分析基于Atmega 8單片機(jī)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)，研究跟蹤風(fēng)光中的最大功率點(diǎn)（MPPT）及蓄電池的充放電技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證控制器的安全性和有效性.

1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的構(gòu)成

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)（如圖1）包括電能產(chǎn)生、電能變換、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、電能儲(chǔ)存和電能消耗五部分.在整個(gè)系統(tǒng)中，電能是由光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生；電能變換主要通過(guò)AC/DC和DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)；電能儲(chǔ)存由蓄電池完成，還能實(shí)現(xiàn)電能調(diào)節(jié)及平衡負(fù)載；電能消耗部分包括直流負(fù)載（路燈）和卸荷電路；風(fēng)光互補(bǔ)控制器由外圍電路和Atmega 8構(gòu)成，主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件的電流和電壓進(jìn)行控制，不僅保證蓄電池充電的平穩(wěn)、快速、高效，避免出現(xiàn)過(guò)放、過(guò)充等情況，而且還能增加蓄電池的使用壽命［3-4］.

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)控制策略

2.1 光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略

光伏發(fā)電的輸出功率是非線性的，最大功率受溫度、光照強(qiáng)度、負(fù)載特性等因素的影響.最大功率點(diǎn)跟蹤控制就是在環(huán)境條件改變時(shí)，能穩(wěn)、快、準(zhǔn)的跟蹤到最大功率點(diǎn).電導(dǎo)增量法，根據(jù)光伏電池的輸出特性曲線（如圖2），在最大功率點(diǎn)Pmax處，dP/du=0；若dP/du＞0時(shí)，最大功率在輸出功率的右邊，應(yīng)增加光伏陣列的電壓；若dP/du＜0，最大功率在輸出功率的左邊，應(yīng)減小光伏陣列的電壓.

2.2 風(fēng)力發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略

風(fēng)力發(fā)電得到的能量有限，而且隨機(jī)性比較大，如何捕獲最大的風(fēng)能（MPPT）是風(fēng)力發(fā)電研究的重要內(nèi)容，選擇變步長(zhǎng)擾動(dòng)爬山法，在某個(gè)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出的功率曲線見(jiàn)圖3.

圖2 光伏電池輸出特性曲線

圖3 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線

由圖3知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為nc時(shí)，最大輸出功率是Pmax.假設(shè)風(fēng)機(jī)在A點(diǎn)工作，用步長(zhǎng)d1擾動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，擾動(dòng)后的風(fēng)機(jī)輸出功率是P2，如果ΔP=P2-PA＞0，說(shuō)明干擾的方向是對(duì)的，可以繼續(xù)進(jìn)行干擾，直到功率接近或達(dá)到最大功率點(diǎn).如果ΔP=P2-PA＜0，表示被干擾的方向是不對(duì)的.然后用步長(zhǎng)d1向相反方向擾動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，分析ΔP的結(jié)果，方法同上.如果兩個(gè)干擾方向得到的都是ΔP＜0，需要減小步長(zhǎng)，使步長(zhǎng)d2＜d1，重復(fù)上述計(jì)算，步長(zhǎng)d2大小根據(jù)實(shí)際情況確定.在風(fēng)機(jī)功率逐漸向C點(diǎn)逼近，且|d2|＜d（最小擾動(dòng)步長(zhǎng)）時(shí)，停止擾動(dòng)，這時(shí)風(fēng)機(jī)已經(jīng)在最大功率點(diǎn)附近工作.

2.3 蓄電池充電控制策略

由于風(fēng)機(jī)和光伏組件輸出的電能為非線性，為了充分利用兩種能源，必須設(shè)計(jì)合適的充電控制策略，目前普遍應(yīng)用的充電方法有恒壓充電、恒流充電及多階段充電等.

為高效合理的解決蓄電池的充電問(wèn)題，采用三階段充電法.充電第一階段為恒流充電，當(dāng)畜電池電壓和充電電流均達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段，控制器通過(guò)蓄電池電壓檢測(cè)電路采集電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流斬波電路對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓充電，可以保證充電初期不會(huì)過(guò)流，充電后期不會(huì)過(guò)壓；最后是浮充充電階段，控制器產(chǎn)生較小的占空比驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制直流斬波電路對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充，可以彌補(bǔ)蓄電池供電過(guò)程中損失的儲(chǔ)能，保證蓄電池處于滿(mǎn)電的狀態(tài)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命.充電過(guò)程如圖4所示.

圖4 單塊蓄電池的充電過(guò)程

3控制器的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用ATmel公司開(kāi)發(fā)的Atmega 8單片機(jī)控制芯片，具有高性能和低功耗的8位AVR微處理器、面向字節(jié)的兩線串行接口、內(nèi)置PWM三通道、10位8路ADC和兩個(gè)可編程串行USART等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制.

Atmega 8控制器的主要功能：產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管所需的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；對(duì)太陽(yáng)能電池輸出電壓、蓄電池電壓、電流檢測(cè)電路的輸出電壓，及風(fēng)機(jī)的整流輸出電壓等模擬量進(jìn)行檢測(cè)；控制路燈繼電器的閉合和關(guān)斷；根據(jù)采樣結(jié)果判斷蓄電池的工作模式，選擇相應(yīng)的充電控制策略等.詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.

3.1 檢測(cè)電路的選取

圖5 風(fēng)光互補(bǔ)路燈的控制器框架

檢測(cè)電路是控制器的重要組成部分，只有對(duì)光伏組件輸出的電壓、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整流電壓輸出、光伏充電電流、蓄電池電壓、風(fēng)力發(fā)電充電電流等變量進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)才能達(dá)到較好的控制效果.

（1）電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路如圖6所示，被測(cè)電流I通過(guò)霍爾電流傳感器輸出轉(zhuǎn)換后的電流，通過(guò)電阻R m轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)電壓跟隨器輸出并通過(guò)電阻R2和R3分壓后，送給Atmega8控制器的ADC。

（2）電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路采用分壓電路（見(jiàn)圖7），其中R1、R2為采樣電阻，電容用于信號(hào)濾波，避免主電路影響采樣信號(hào).以光伏電壓檢測(cè)分析，將樣點(diǎn)電壓通過(guò)R1和R2分壓后，使輸出采樣電壓不高于3V.這種檢測(cè)電路只需正電源供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用廣泛.

圖6 電流檢測(cè)電路

圖7 電壓檢測(cè)電路

3.2 DC/DC驅(qū)動(dòng)電路

要實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制電路和驅(qū)動(dòng)電路的隔離，直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，選擇日本東芝公司生產(chǎn)的TLP250光耦驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖8.輸入電壓經(jīng)過(guò)PWM1斬波調(diào)制，再經(jīng)TLP250光耦、放大，來(lái)驅(qū)動(dòng)功率器件的通斷.

3.3 卸荷電路

當(dāng)晚上多風(fēng)時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能超出路燈的需要，若沒(méi)有超過(guò)保護(hù)的限值，風(fēng)機(jī)可以對(duì)蓄電池充電.如果風(fēng)機(jī)輸出的功率過(guò)大，則會(huì)給控制器造成一定的沖擊，為了更好的保護(hù)系統(tǒng)，使用卸荷電路（如圖9）將多余的功率轉(zhuǎn)變成熱量消耗掉［7］.由于風(fēng)能的間歇性和隨機(jī)性，產(chǎn)生的電壓也是斷續(xù)的，一般的比較器使開(kāi)關(guān)管呈現(xiàn)非線性，使開(kāi)關(guān)電路切換頻繁，因此采用滯環(huán)控制法.

圖8 DC/DC驅(qū)動(dòng)電路

圖9 卸荷電路

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程見(jiàn)圖10.從主程序開(kāi)始，先對(duì)AD采樣模塊、PWM模塊單片機(jī)控制、定時(shí)器進(jìn)行初始化；之后檢查風(fēng)機(jī)輸出的空載電壓，如果電壓比卸荷限定值要大，這時(shí)控制器會(huì)根據(jù)整流輸出的電壓值調(diào)整開(kāi)關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，再啟動(dòng)卸荷電路.如果蓄電池是處于檢測(cè)狀態(tài)，這時(shí)采樣AD進(jìn)行檢測(cè)，之后根據(jù)蓄電池情況選擇在充電各個(gè)階段和保護(hù)模式間切換.

圖10 主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以所在城市5月份某天的天氣為例，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1.從表中數(shù)據(jù)看出，從早上8時(shí)開(kāi)始，隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng),風(fēng)速提高,蓄電池的充電電流逐漸增加，在14時(shí)左右，蓄電池充電電流出現(xiàn)最大值，從17時(shí)開(kāi)始，光照強(qiáng)度開(kāi)始減弱，風(fēng)速也漸漸減緩.由于天氣驟然變化，出現(xiàn)雷雨天氣，蓄電池充電電流突然下降，直至18時(shí)，充電電流幾乎為0.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于Atmega 8的路燈控制器，環(huán)境條件改變時(shí)，能迅速捕捉到太陽(yáng)能和風(fēng)能的最大功率，有效的提高能源的利用率.

表1 不同時(shí)間點(diǎn)蓄電池電壓和充電電流值

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的硬軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了控制器具有較好的使用效果.該設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，容易升級(jí)和維護(hù)［8］.只需要對(duì)軟件和硬件進(jìn)行改動(dòng)就能在不同的功率場(chǎng)合使用.