何薇薇 盧 金 楊金明

(1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436;2.中山普潤(rùn)斯電源設(shè)備技術(shù)有限公司，廣東中山 528436;3.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640)

1 引言

太陽(yáng)能和風(fēng)能作為兩種應(yīng)用廣泛的可再生資源，在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都具互補(bǔ)性。風(fēng)光互補(bǔ)路燈是獨(dú)立的供電系統(tǒng)，它能有效地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能在能量及時(shí)間上的互補(bǔ)性通過兩者各自的發(fā)電裝置，共同向蓄電池充電［1］。風(fēng)光互補(bǔ)路燈無需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線，可任意調(diào)整燈具的布局，安全節(jié)能無污染，充電及開/關(guān)過程采用光控自動(dòng)開關(guān)．無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省電費(fèi)，免維護(hù)，其實(shí)用性已經(jīng)得到人們的認(rèn)可。

本文介紹了基于AVR單片機(jī)的智能型風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)光發(fā)電中最大功率跟蹤控制 (MPPT)，蓄電池充電控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提高了風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器的可靠性和運(yùn)行效率，并進(jìn)一步優(yōu)化控制技術(shù)，降低了投入成本。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由電能產(chǎn)生、電能變換、電能存儲(chǔ)消耗、充放電控制等四部分組成。

電能產(chǎn)生分為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩個(gè)部分。電能變換主要由Boost和Buck DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)。電能的存儲(chǔ)主要由蓄電池來承擔(dān)，在整個(gè)系統(tǒng)中起到電能調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用。電能的消耗主要由卸荷電路、直流負(fù)載 (即路燈)兩部分組成。充放電控制器由AVR單片機(jī)及外圍電路組成，控制光伏電池方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最佳的充電電流和電壓快速、平穩(wěn)、高效的對(duì)蓄電池組的充電，實(shí)現(xiàn)蓄電池向負(fù)載供電，同時(shí)避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

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

3 系統(tǒng)控制策略

3.1 最大風(fēng)能捕獲控制策略

風(fēng)力機(jī)從自然中所能索取的能量是有限的，而且隨機(jī)性較強(qiáng)，最大風(fēng)能跟蹤 (MPPT)是風(fēng)力發(fā)電的核心問題［2，3］，本系統(tǒng)采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)的爬山搜索法，設(shè)在某一風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)的功率輸出曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)的功率輸出曲線

從圖中可以看出，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速nC點(diǎn)對(duì)應(yīng)這風(fēng)機(jī)最大輸出功率PMAX。若風(fēng)機(jī)未工作在最佳點(diǎn)，假設(shè)工作在A點(diǎn)，用步長(zhǎng)d1對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行擾動(dòng)，擾動(dòng)后風(fēng)機(jī)的輸出功率為P2，進(jìn)行比較。若P2＞PA，則說明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)向該方向擾動(dòng);若P2＜PA，則說明擾動(dòng)方向不正確，用同樣的步長(zhǎng)d1，向相反方向擾動(dòng)，進(jìn)行比較;若向兩個(gè)方向擾動(dòng)均得到P2＜PA，則改變步長(zhǎng)，用步長(zhǎng)d2(d2＜d1)，重復(fù)上述步驟，步長(zhǎng)d2的大小可以視實(shí)際情況而定。風(fēng)機(jī)的由工作點(diǎn)A逐漸逼近最佳工作點(diǎn)C點(diǎn)。當(dāng)步長(zhǎng)d的值小于dmin(︱d︱＜dmin)時(shí)，停止擾動(dòng)，此時(shí)風(fēng)機(jī)近似工作在最大功率點(diǎn)附近。

3.2 光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制策略

光伏電池板的輸出是非線性的，其輸出受光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載特性的影響。本系統(tǒng)采用自適應(yīng)爬山算法化，該算法在光伏電池所處環(huán)境發(fā)生變化時(shí)可快速跟蹤最大功率點(diǎn)變化，使光伏系統(tǒng)始終輸出最大功率。自適應(yīng)爬山法通過控制DC/DC變換器開關(guān)管的占空比D，即根據(jù)功率的變化在線自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比的變化量a，從而調(diào)整光伏電池輸出功率，使其始終輸出最大［4］。要使光伏電池功率輸出最大，就要滿足dP/dD=0。當(dāng)dP/dD＞0時(shí)，系統(tǒng)工作在最大功率左邊;當(dāng)dP/dD＜0時(shí)，系統(tǒng)工作最大功率點(diǎn)右邊。P-D曲線如圖3所示。

圖3 P-D曲線圖

3.3 蓄電池充放電控制策略

結(jié)合風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的特點(diǎn)，二者獨(dú)立給蓄電池充電，互不影響，從而滿足風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的要求。由于光伏發(fā)電相對(duì)比較穩(wěn)定，而風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性比較強(qiáng)，因此將光伏發(fā)電的充電電流Isolar作為蓄電池充電電流的基礎(chǔ)部分，在充電過程中優(yōu)先選用光伏充電，在光伏充電電流Isolar的基礎(chǔ)上，控制風(fēng)力發(fā)電充電電流Iwind，使得滿足蓄電池充電的要求，蓄電池的充電電流Ibattery滿足:Ibattery=Isolar+Iwind。結(jié)合蓄電池充電策略，將蓄電池充電過程分為三個(gè)階段［5］，如圖4所示，具體的充電過程如下:

圖4 蓄電池實(shí)際的充電電流曲線

(1)限流充電階段:由于風(fēng)能、太陽(yáng)能的不確定性，很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流充電方式，所以充電電流是一個(gè)不確定的波動(dòng)過程，充電電流最大上限IMAX作為理想充電的恒流值。光伏發(fā)電采用MPPT控制，使光伏太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)附近;風(fēng)力發(fā)電部分在滿足的情況下采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制方式，盡可能多的利用風(fēng)能發(fā)電，當(dāng)Ibattery＞IMAX時(shí)，放棄風(fēng)力發(fā)電的MPPT控制，維持充電電流小于等于限定值IMAX。

(2)恒壓充電階段:當(dāng)蓄電池容量達(dá)到90%時(shí)，采取恒壓充電，保持蓄電池的充電電壓為一個(gè)恒定值。采用PI控制分別對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出進(jìn)行控制。當(dāng)蓄電池充電電流減小到C/100(C為蓄電池容量)時(shí)，表明蓄電池充滿。

(3)浮充階段:蓄電池充滿后，進(jìn)入浮充階段。為了彌補(bǔ)由于蓄電池自放電造成的儲(chǔ)能損失，蓄電池電壓保持浮充電壓，通過調(diào)節(jié)電流使之維持在這個(gè)電壓水平。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATmel公司的ATmega8單片機(jī)為主控制芯片，其是適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的8位單片機(jī)，內(nèi)置三通道PWM、8路10位的ADC、面向字節(jié)的兩線接口、兩個(gè)可編程的串行USART及可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口，具有硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)功能如圖5所示。

圖5 風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器框圖

4.1 檢測(cè)電路

控制器對(duì)光伏電池板輸出電壓、風(fēng)力發(fā)電整流輸出電壓、蓄電池電壓、光伏充電和風(fēng)力發(fā)電充電電流等變量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

(1)電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路如圖6所示，采樣點(diǎn)電壓由R1和R2分壓后，經(jīng)過一個(gè)由LM324運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器輸出，然后將輸出送到單片機(jī)的AD采樣引腳。

圖6 電壓檢測(cè)電路

(2)電流檢測(cè)電路

電流霍爾傳感器采用浙江大豐模塊DT-100P，該傳感器有3個(gè)接線端子。+端:電源+15V;－端:電源－15V;M端:信號(hào)輸出端，見圖7。

圖7 DT-100P的原理結(jié)構(gòu)框圖

4.2 DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)電路

為了保證功率驅(qū)動(dòng)電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，同時(shí)具備直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，本文選用了日本東芝公司生產(chǎn)的TLP250光耦MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

圖8 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

4.3 卸荷電路

當(dāng)風(fēng)力很大，但沒有超過速保護(hù)限定值時(shí)，風(fēng)機(jī)仍對(duì)蓄電池或負(fù)載進(jìn)行供電，由于風(fēng)機(jī)輸出功率比較大，會(huì)對(duì)控制器造成很大的沖擊，利用卸荷電路，卸掉一部分功率，從而減小由于風(fēng)大對(duì)控制器造成的沖擊。如圖9所示，其中R17為消耗電阻，將功率轉(zhuǎn)化成熱量。

圖9 卸荷電路

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖10所示，在主程序的開始，首先初始化單片機(jī)控制PWM模塊、AD采樣模塊以及定時(shí)器等。然后，檢測(cè)風(fēng)機(jī)空載輸出電壓，當(dāng)電壓超過卸荷限定值時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)整流輸出電壓的值來調(diào)節(jié)卸荷電路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM占空比，開啟卸荷電路。當(dāng)需要檢測(cè)蓄電池狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行AD采樣檢測(cè)，根據(jù)蓄電池狀態(tài)來選擇進(jìn)入過充過放保護(hù)模式、限流充電模式、恒壓壓充電模式或是浮充模式。

圖10 主程序流程圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電變換器同時(shí)給蓄電池充電的電流波形，由圖中可以看到電流在上升階段的尖峰部分為光伏充電的超調(diào)電流，對(duì)整個(gè)充電過程基本沒有影響，蓄電池的充電過程能夠達(dá)到預(yù)期要求。

圖11 風(fēng)機(jī)與光伏電池同時(shí)給蓄電池充電電流波形

7 結(jié)論

本文介紹的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和光伏電池對(duì)蓄電池的互補(bǔ)充電，控制器具有良好的啟動(dòng)特性，并成功地運(yùn)用到了600AV風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器系統(tǒng)中，可以達(dá)到技術(shù)升級(jí)與降低成本并舉，使用方便可靠、易于生產(chǎn)、維護(hù)和升級(jí)等許多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)上述硬件和軟件稍作改動(dòng)，即可適應(yīng)不同直流電壓輸入、不同輸出功率的場(chǎng)合。對(duì)于開發(fā)使用太陽(yáng)能、風(fēng)能及其他清潔能源有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

［1］王宇．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與開發(fā) ［D］．天津:天津大學(xué)，2004．

［2］彭國(guó)平，李帥，魚振民，易萍虎．小型風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤的研究 ［［J］:西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)．2004，38(4):357～360．

［3］賈要勤，曹秉剛，楊仲慶．風(fēng)力發(fā)電的MPPT快速響應(yīng)控制方法［［J］:太陽(yáng)能學(xué)報(bào)．2004，25(2):171～175．

［4］雷元超，陳春根，沈駿，等．光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究 ［J］:電工電能新技術(shù)，2004，23(3):76～80．

［5］周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華．充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:人民郵電出版社．2005．