嵌入式技術在光伏發電控制系統中的應用

孫良武，王昊宇

（青海大學，青海 西寧 810016）

0 引 言

當今時代，國內外許多的科研人員致力于開發出可靠的新能源來支撐國家經濟的發展，并且或多或少的將這些能源應用到現實生活中。能源的應用需要考慮能源的儲備、地理條件以及穩定性等多方面的因素，這使得太陽能在眾多新型能源中脫穎而出。現階段，對于太陽能的利用非常少，人類開采太陽能還存在巨大的空間。太陽能比傳統能源更加清潔，能緩解當前世界全球變暖以及溫室效應的惡劣環境。隨著世界各國對太陽能的重視程度日益增加，光伏發電技術將被廣泛應用，太陽能動力裝置也將隨處可見。整個光伏發電系統中，控制器是一個至關重要的部件。控制器能夠控制光伏系統中光伏陣列的最大電能輸出以及電能儲存，其性能直接影響了整個光伏系統的工作狀況和太陽能利用率。

目前，計算機信息技術以及電子技術發展日趨成熟，嵌入式技術作為計算機技術和電子技術融合的新型產物，也逐漸被人們開發并應用至各行各業。嵌入式技術的引進能夠有效地提升光伏發電控制系統運行的可靠性和穩定性，因此需要進一步實現嵌入式技術在光伏發電控制系統中的應用。

1 嵌入式系統概述

嵌入式系統是隨著計算機技術以及電子電工技術的不斷發展而形成的高集成化的新興科學技術，其技術核心是電子集成技術，深度融合了電子技術、傳感器技術以及計算機技術等多個領域的先進技術，因此具有非常強大的應用功能，是一種能夠對軟件和硬件進行各種操作的微型計算機處理系統。根據嵌入式系統的不同應用形式，嵌入式系統結構可以分為4個主要部分組成，處理器、外圍設備、操作系統及應用軟件。這4個部分各司其職且相互聯系，其中處理器主要負責嵌入式系統的硬件系統的正常工作，是嵌入式系統的核心部件；外圍設備主要是實現嵌入式系統運行過程中的存儲、通信及顯示等輔助功能；操作系統主要是滿足嵌入式系統在時間和精度上的工作需求；應用軟件主要是負責滿足客戶特定的應用要求。嵌入式系統應用功能主要包括了信息采集處理以及控制指令信號的輸出。嵌入式系統是以傳統電子計算機技術為基礎，通過不斷地創新和不斷地集成化形成的新型技術。與傳統電子計算機技術相比，嵌入式系統具有更強的實時性和專用性、更高的可靠性和穩定性以及更低的能源消耗等優點。這使得嵌入式系統受到了越來越多研發企業的青睞，被廣泛應用于人們的日常生活，使人們獲得了更加方便快捷的生活體驗，改善了人們的生活水平。

2 光伏發電與太陽能跟蹤技術的基本原理

2.1 光伏發電的基本原理

光伏發電系統是依據光生伏特效應將太陽能轉換成電能的一個發電系統，其工作原理是太陽光照射在半導體上，會使半導體PN結上的雜質產生自由電子，形成光生電場，產生電流，從而達到發電的目的。光伏發電系統主要由光伏陣列、控制器及應用系統三部分結構組成。光伏陣列是由半導體材料制成的性能一致或相近的太陽能電池串并聯構成的，具有單向導電的性能。太陽光照射在光伏陣列上，光伏陣列通過吸收大量的太陽能產生電流，從而為系統提供電源。光伏陣列主要是由硅制成的半導體，因此其溫度特性以及伏安特性不穩定，會呈現出非線性的情況。光伏陣列的轉化率是光伏發電系統的一個重要參數，它的質量與成本將直接決定整個系統的質量和成本，所以光伏發電系統的光電轉換效率取決于光伏陣列的轉化率[1]。

2.2 太陽跟蹤技術的基本原理

在太陽光照強度和溫度保持恒定的情況下，不同工作狀態下的光伏陣列輸出的電流大小不同。這是由于太陽按一定的規律相對地球運動使得太陽光照射在光伏陣列上的距離發生改變，影響了光伏陣列吸收太陽能的效率，從而使得太陽能的轉化效率發生改變。為了提高光伏發電系統的工作效率，需要找到光伏陣列輸出功率達到最大值時的工作點，然后根據太陽的運動軌跡以及環境溫度等條件的改變調整光伏陣列的工作狀態，使得光伏陣列始終處于最大輸出功率工作點。人們為了尋找光伏陣列的最大輸出功率工作點研究出了太陽跟蹤技術，根據太陽每天的運動規律對太陽進行實時跟蹤，通過太陽在坐標系的位置分析太陽的實時角和方位角的變化，計算出光伏陣列最佳工作點的軌跡。太陽跟蹤技術提高了太陽能光伏發電控制系統運行效率，是整個控制系統的核心，可以提高20%～30%的系統效率，同時也能讓光伏發電控制系統穩定運行。

3 嵌入式光伏發電控制系統設計

3.1 嵌入式光伏發電控制系統總體設計

太陽跟蹤控制系統中包含了傳感單元、光伏電池組件、驅動單元以及控制單元等。太陽跟蹤控制系統總體設計需要根據不同的太陽坐標位置，分析其不同的方位角和實時角，通過控制器來對電機和光伏陣列進行驅動，保證光伏陣列在任何溫度環境以及任何光照強度下都始終處于最大輸出功率的工作點。太陽跟蹤控制系統中，各單元各司其職且相互聯系，傳感單元將接收到的外部光照以及環境溫度信息傳遞給控制單元，控制單元通過對采集的數據分析傳遞指令信號給電機，驅動單元驅動光伏陣列運動到最高輸出功率工作點。

3.2 嵌入式光伏發電控制方案設計

光伏發電控制方案圍繞著提高光伏發電系統能量轉化效率最大化的目標，根據光伏發電控制系統的結構可以分為光伏電池跟蹤控制和最大輸出功率跟蹤控制兩個控制模塊。方案設計基于兩個控制模塊，根據不同的光照以及環境溫度情況來選擇合理的控制方案，合理利用不同方案各自的優點，實現方案之間的互補，提高了系統對太陽的跟蹤精度和速度，從而增加了系統運行的穩定性和可靠性。例如，在太陽光照好的情況下采取光伏電池跟蹤控制方案，光照條件不好的情況下采取最大輸出功率跟蹤控制方案[2]。

3.3 嵌入式操作系統的選擇

光伏發電控制系統中，嵌入式操作系統被大量應用于太陽跟蹤控制系統以及最大輸出功率跟蹤控制系統，實現了數據的分析傳輸、數據的管理存儲、任務調度以及中斷處理等操作，提高了系統的安全性、穩定性以及準確性，還降低了整個系統的能源消耗。嵌入式操作系統根據其應用場合的不同可以分為實時操作系統以及非實時操作系統兩大類，在一些電子產品消費領域選擇非實時操作系統，在通信、控制等領域選擇實時操作系統[3]。

4 結 論

光伏發電控制系統是能夠將太陽能轉化成電能的節能環保型的控制系統。本文將嵌入式技術融合到光伏發電控制系統中，實現了光伏陣列最大功率跟蹤控制，使得系統具有自適應的跟蹤功能，提高光伏發電控制系統的能量轉化效率，從而進一步優化了光伏發電控制系統的工作性能。