帶ＭＰＰＴ技術(shù)光伏路燈控制系統(tǒng)

1、帶技術(shù)光伏路燈控制系統(tǒng)摘 要：太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）是光伏發(fā)電領(lǐng)域中一項(xiàng)非常具有價(jià)值的技術(shù)。使用Silicon Labs公司的C8051F330單片機(jī)，結(jié)合MPPT技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套太陽能光伏路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)除了具有蓄電池充、放電等常用功能外；為了節(jié)約電能，還設(shè)計(jì)了主、副路燈分時(shí)控制功能。系統(tǒng)軟件利用RTX51多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；RTX 1 光伏路燈控制系統(tǒng)組成及功能 本路燈控制系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、路燈和系統(tǒng)控制器四大部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是系統(tǒng)控制器，它不僅要實(shí)現(xiàn)普通光伏路燈的基本功能，如：路燈定時(shí)

2、；蓄電池充放電的管理；蓄電池的過充、過放保護(hù)；太陽能電池反接保護(hù)等，還要實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤的功能。 系統(tǒng)為了適應(yīng)機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道照明不同的情況，設(shè)計(jì)了雙路路燈控制，即主燈主要為機(jī)動(dòng)車道照明，副燈主要為非機(jī)動(dòng)車道照明。并且兩路路燈控制互相獨(dú)立，可根據(jù)需要分別進(jìn)行定時(shí)。 2 主要功能單元及原理 2.1 主控單元 本系統(tǒng)選用的主控器件為美國Silicon Labs公司的C8051F330型8位單片機(jī)。該單片機(jī)具有雙路獨(dú)立8/16位PWM輸出功能；10位A/D；8K FLASH和768 Bytes的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；內(nèi)部高頻晶振頻率最高可達(dá)24.5 MHz；還有17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O口，是一款性價(jià)比

3、很高的單片機(jī)。 圖2中，S1為8位撥碼開關(guān)，用來設(shè)定主、副路燈定時(shí)時(shí)間。因?yàn)橹?、副燈定時(shí)各占用4位撥碼開關(guān)，所以可定時(shí)時(shí)間范圍為115小時(shí)。 2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制 恒壓跟蹤方式（CVT）是一種具有控制簡單、可靠性較高、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)的太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤方法。但是由于它受溫度影響較大，只能在一定的溫度條件下進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，而一些路燈的使用環(huán)境是較為惡劣的，所以，本系統(tǒng)使用了擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率點(diǎn)的跟蹤。 擾動(dòng)法是通過對(duì)太陽能電池在某一時(shí)刻的輸出電壓、輸出電流進(jìn)行檢測，得到該狀態(tài)下太陽能電池的輸出功率，再將它與前一時(shí)刻的功率值比較，根據(jù)兩次（也可多次采樣）功率值的差

4、值來確定下一步給定負(fù)載端參考電壓調(diào)整的方向。 從功率比較的角度分析，假設(shè)兩次采樣的功率分別為P1，P2，P=P2-P1。當(dāng)P0時(shí)，說明參考電壓調(diào)整的方向是正確的，需繼續(xù)按原方向調(diào)整；當(dāng)P=0時(shí)，說明參考電壓調(diào)整方向與預(yù)期的方向是相反的，需要反向調(diào)整。 一般來說，僅從功率比較的結(jié)果是不容易反映出系統(tǒng)變化的真實(shí)情況的。但是，如果將參考電壓和功率結(jié)合起來考慮就比較理想了。本系統(tǒng)采用了比值比較的方式來判斷參考電壓和功率的變化情況，這里設(shè)定了一個(gè)比較標(biāo)志Flag， 在實(shí)現(xiàn)MPPT算法時(shí)，為了增加系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，可以采用變步長的尋優(yōu)法。由于光伏系統(tǒng)的特性較軟，在正常情況下變化不是特別劇烈，所以一般都使用

5、定步長尋優(yōu)法，這樣也利于程序的實(shí)現(xiàn)。 2.3 蓄電池充、放電控制 系統(tǒng)使用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能元件，由于太陽能電池板發(fā)出的電能受天氣情況影響較大，這就對(duì)蓄電池的充、放電提出了較高的要求，因此，本系統(tǒng)采用雙標(biāo)三階段方法來給蓄電池充電。 雙標(biāo)三階段充電法的充電步驟是：（1）當(dāng)蓄電池端電壓低于額定開路電壓時(shí)，用太陽能電池所能提供的最大電流給蓄電池充電，一直充到蓄電池端電壓達(dá)到額定開路電壓為止；（2）以額定開路電壓為蓄電池充電，直到充電電流下降至額定浮充電流；（3）當(dāng)蓄電池經(jīng)過第2個(gè)充電狀態(tài)后，再以額定浮充電壓為標(biāo)準(zhǔn)給蓄電池充電。浮充電壓的選擇十分重要，因?yàn)楦鶕?jù)蓄電池相關(guān)理論，如果浮充電壓出現(xiàn)5的誤差就

6、會(huì)導(dǎo)致蓄電池使用壽命縮短一半，所以在使用時(shí)一定要精確的對(duì)浮充電壓進(jìn)行定標(biāo)。 系統(tǒng)在白天工作時(shí)使用霍爾電壓、電流傳感器對(duì)蓄電池的端電壓和充電電流進(jìn)行采樣，單片機(jī)根據(jù)采樣值與設(shè)定值的比較結(jié)果來產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，對(duì)蓄電池充、放電的全過程進(jìn)行監(jiān)控。在夜間，由于沒有了陽光，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉PWM信號(hào)輸出，停止對(duì)蓄電池充電，這樣也可以降低系統(tǒng)的總體功耗。當(dāng)遇上陰雨天氣，連續(xù)幾天無法給蓄電池充電時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的蓄電池最低放電電壓來判斷是否需要切斷負(fù)載，以避免蓄電池由于過放電而損壞。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在白天，系統(tǒng)正常工作時(shí)要進(jìn)行以下主要任務(wù)操作：（1）蓄電池的充、放電控制；（2）穩(wěn)定輸出電壓；（3）對(duì)太

7、陽能電池板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤；（4）判斷是否天黑。夜間，系統(tǒng)進(jìn)行的操作除了上述1、2兩項(xiàng)外，還要進(jìn)行路燈定時(shí)控制和判斷是否天亮等操作。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，故本系統(tǒng)采用了多任務(wù)并行的軟件結(jié)構(gòu)，即以上多個(gè)任務(wù)在處理器的控制下同時(shí)進(jìn)行操作，這樣就大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性。 3.1 RTX51多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTX51是一個(gè)用于8051系列處理器的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它可以簡化那些復(fù)雜而且對(duì)時(shí)間要求較為嚴(yán)格的工程軟件的設(shè)計(jì)工作。RTX51有兩個(gè)版本：RTX51 Full和RTX51 Tiny。Full版本的RTX51使用四個(gè)任務(wù)優(yōu)先權(quán)完成同時(shí)存在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先的任務(wù)切換。Tiny版本的RT

8、X51是Full的一個(gè)子集，它可以很容易地在沒有外部存儲(chǔ)器的單片8051系統(tǒng)上運(yùn)行，但它僅支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)切換和使用信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)切換。由于本系統(tǒng)所設(shè)定的各任務(wù)之間的切換和調(diào)用不是十分復(fù)雜，所以采用的是Tiny RTX51，這樣也不用再添加外部存儲(chǔ)設(shè)備。 3.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 光伏路燈控制 /*/ # include # include job0 （） _task_ 0 /任務(wù)0系統(tǒng)初始化；建立其他分任務(wù) os_create_task （1）； os_create_task （2）； os_create_task （3）； while （1） job1 （） _task_ 1 /任務(wù)1蓄電池

9、充、放電控制子程序 while （1） Os_wait（N）； job2 （） _task_ 2 /任務(wù)2路燈定時(shí)控制子程序 while （1） Os_wait（N）； job3 （） _task_ 3 /任務(wù)3MPPT控制子程序 while （1） Os_wait（N）； 以上為本系統(tǒng)軟件的主要結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)軟件主要執(zhí)行的任務(wù)有： 蓄電池的充、放電； 穩(wěn)定輸出電壓； 太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤； 負(fù)載定時(shí)控制。這些任務(wù)之間有著信號(hào)量和執(zhí)行條件的約束等關(guān)系，如系統(tǒng)輸出穩(wěn)壓值是依據(jù)蓄電池的端電壓來確定的；當(dāng)負(fù)載開始定時(shí)，就要關(guān)閉太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤功能等等。但是，它們?cè)诠δ苌嫌志哂歇?dú)立性，所以，在將它們

10、分成獨(dú)立的任務(wù)段的同時(shí)，還要保證各任務(wù)之間的信號(hào)量和約束條件參數(shù)的正確傳遞。 在以上的軟件結(jié)構(gòu)中，任務(wù)0的主要作用是初始化系統(tǒng)和建立其他幾個(gè)獨(dú)立的任務(wù)程序，在RTX51系統(tǒng)中，可以利用os_create_task （） 函數(shù)來建立新任務(wù)。每個(gè)新任務(wù)都由一段無限循環(huán)的操作來實(shí)現(xiàn)，其中，os_wait （N） 函數(shù)為各個(gè)任務(wù)規(guī)定了運(yùn)行時(shí)間，防止任務(wù)進(jìn)入死循環(huán)，N為設(shè)定的時(shí)鐘常數(shù)。各個(gè)任務(wù)之間利用RTX51中的其他系統(tǒng)函數(shù)來進(jìn)行信號(hào)量的傳遞等操作。 4 結(jié)語 本文設(shè)計(jì)了一套具有MPPT功能的光伏路燈控制系統(tǒng)，并制作了實(shí)驗(yàn)板，經(jīng)過一段時(shí)間的測試表明，添加了MPPT技術(shù)后，使太陽能電池板的發(fā)電效率提高了近25，按市場均價(jià)40元/瓦來計(jì)算，一塊100W的太陽能板就可以增加效益1000元左右，因此具有很高的實(shí)用推廣價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 1歐陽名三.獨(dú)立光伏系統(tǒng)