風光互補路燈控制器的設計

孫素軍

（滁州職業技術學院 機電工程系,安徽 滁州239000）

風能和太陽能是目前比較常用的可再生資源，兩種資源在時間和地域上有互補作用，因此，風光互補發電系統成為人們研究的重點，并逐漸廣泛應用.近年來，國內開始研制風光互補路燈，和傳統路燈相比，它不需要建立復雜的路線和管線等，免去了供電設備，可降低運行費用和維護費用；利用新能源發電，可節省大量的電費.傳統路燈依靠光控開關或人工操作對路燈進行控制，開關時間不準，尤其在人流量很小時，依然消耗電能，造成嚴重的資源浪費［1-2］.風光互補路燈可根據光線及季節的變化，控制路燈的開關時間，夏季工作時間短，冬季工作時間長.為充分實現風光互補，分析基于Atmega 8單片機的風光互補路燈控制系統，研究跟蹤風光中的最大功率點（MPPT）及蓄電池的充放電技術，并通過試驗驗證控制器的安全性和有效性.

1 風光互補路燈系統的構成

風光互補路燈系統（如圖1）包括電能產生、電能變換、風光互補控制器、電能儲存和電能消耗五部分.在整個系統中，電能是由光伏發電和風力發電產生；電能變換主要通過AC/DC和DC/DC變換器實現；電能儲存由蓄電池完成，還能實現電能調節及平衡負載；電能消耗部分包括直流負載（路燈）和卸荷電路；風光互補控制器由外圍電路和Atmega 8構成，主要是對風力發電機、光伏組件的電流和電壓進行控制，不僅保證蓄電池充電的平穩、快速、高效，避免出現過放、過充等情況，而且還能增加蓄電池的使用壽命［3-4］.

圖1 風光互補路燈系統結構

2 風光互補路燈系統控制策略

2.1 光伏發電最大功率點跟蹤控制策略

光伏發電的輸出功率是非線性的，最大功率受溫度、光照強度、負載特性等因素的影響.最大功率點跟蹤控制就是在環境條件改變時，能穩、快、準的跟蹤到最大功率點.電導增量法，根據光伏電池的輸出特性曲線（如圖2），在最大功率點Pmax處，dP/du=0；若dP/du＞0時，最大功率在輸出功率的右邊，應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，應減小光伏陣列的電壓.

2.2 風力發電最大功率點跟蹤控制策略

風力發電得到的能量有限，而且隨機性比較大，如何捕獲最大的風能（MPPT）是風力發電研究的重要內容，選擇變步長擾動爬山法，在某個風速時，風機輸出的功率曲線見圖3.

圖2 光伏電池輸出特性曲線

圖3 風機輸出功率曲線

由圖3知，風機轉速為nc時，最大輸出功率是Pmax.假設風機在A點工作，用步長d1擾動風機轉速，擾動后的風機輸出功率是P2，如果ΔP=P2-PA＞0，說明干擾的方向是對的，可以繼續進行干擾，直到功率接近或達到最大功率點.如果ΔP=P2-PA＜0，表示被干擾的方向是不對的.然后用步長d1向相反方向擾動風機轉速，分析ΔP的結果，方法同上.如果兩個干擾方向得到的都是ΔP＜0，需要減小步長，使步長d2＜d1，重復上述計算，步長d2大小根據實際情況確定.在風機功率逐漸向C點逼近，且|d2|＜d（最小擾動步長）時，停止擾動，這時風機已經在最大功率點附近工作.

2.3 蓄電池充電控制策略

由于風機和光伏組件輸出的電能為非線性，為了充分利用兩種能源，必須設計合適的充電控制策略，目前普遍應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題，采用三階段充電法.充電第一階段為恒流充電，當畜電池電壓和充電電流均達到設定值時，進入恒壓充電階段，控制器通過蓄電池電壓檢測電路采集電壓信號，驅動直流斬波電路對蓄電池進行恒壓充電，可以保證充電初期不會過流，充電后期不會過壓；最后是浮充充電階段，控制器產生較小的占空比驅動信號，控制直流斬波電路對蓄電池進行浮充，可以彌補蓄電池供電過程中損失的儲能，保證蓄電池處于滿電的狀態，延長蓄電池的使用壽命.充電過程如圖4所示.

圖4 單塊蓄電池的充電過程

3控制器的硬件設計

系統選用ATmel公司開發的Atmega 8單片機控制芯片，具有高性能和低功耗的8位AVR微處理器、面向字節的兩線串行接口、內置PWM三通道、10位8路ADC和兩個可編程串行USART等特點，能實現實時控制.

Atmega 8控制器的主要功能：產生開關管所需的PWM驅動信號；對太陽能電池輸出電壓、蓄電池電壓、電流檢測電路的輸出電壓，及風機的整流輸出電壓等模擬量進行檢測；控制路燈繼電器的閉合和關斷；根據采樣結果判斷蓄電池的工作模式，選擇相應的充電控制策略等.詳細結構見圖5.

3.1 檢測電路的選取

圖5 風光互補路燈的控制器框架

檢測電路是控制器的重要組成部分，只有對光伏組件輸出的電壓、風力發電機的整流電壓輸出、光伏充電電流、蓄電池電壓、風力發電充電電流等變量進行快速準確的檢測才能達到較好的控制效果.

（1）電流檢測電路

電流檢測電路如圖6所示，被測電流I通過霍爾電流傳感器輸出轉換后的電流，通過電阻R m轉換成電壓信號，再經電壓跟隨器輸出并通過電阻R2和R3分壓后，送給Atmega8控制器的ADC。

（2）電壓檢測電路

電壓檢測電路采用分壓電路（見圖7），其中R1、R2為采樣電阻，電容用于信號濾波，避免主電路影響采樣信號.以光伏電壓檢測分析，將樣點電壓通過R1和R2分壓后，使輸出采樣電壓不高于3V.這種檢測電路只需正電源供電，結構簡單，成本低，應用廣泛.

圖6 電流檢測電路

圖7 電壓檢測電路

3.2 DC/DC驅動電路

要實現PWM脈寬調制電路和驅動電路的隔離，直接驅動MOSFET，選擇日本東芝公司生產的TLP250光耦驅動芯片，驅動電路見圖8.輸入電壓經過PWM1斬波調制，再經TLP250光耦、放大，來驅動功率器件的通斷.

3.3 卸荷電路

當晚上多風時，風機產生的電能超出路燈的需要，若沒有超過保護的限值，風機可以對蓄電池充電.如果風機輸出的功率過大，則會給控制器造成一定的沖擊，為了更好的保護系統，使用卸荷電路（如圖9）將多余的功率轉變成熱量消耗掉［7］.由于風能的間歇性和隨機性，產生的電壓也是斷續的，一般的比較器使開關管呈現非線性，使開關電路切換頻繁，因此采用滯環控制法.

圖8 DC/DC驅動電路

圖9 卸荷電路

4 系統軟件的設計

系統主程序流程見圖10.從主程序開始，先對AD采樣模塊、PWM模塊單片機控制、定時器進行初始化；之后檢查風機輸出的空載電壓，如果電壓比卸荷限定值要大，這時控制器會根據整流輸出的電壓值調整開關管PWM驅動信號占空比，再啟動卸荷電路.如果蓄電池是處于檢測狀態，這時采樣AD進行檢測，之后根據蓄電池情況選擇在充電各個階段和保護模式間切換.

圖10 主程序流程圖

5 實驗結果

以所在城市5月份某天的天氣為例，所測數據如表1.從表中數據看出，從早上8時開始，隨著光照強度增強,風速提高,蓄電池的充電電流逐漸增加，在14時左右，蓄電池充電電流出現最大值，從17時開始，光照強度開始減弱，風速也漸漸減緩.由于天氣驟然變化，出現雷雨天氣，蓄電池充電電流突然下降，直至18時，充電電流幾乎為0.實驗結果表明，采用基于Atmega 8的路燈控制器，環境條件改變時，能迅速捕捉到太陽能和風能的最大功率，有效的提高能源的利用率.

表1 不同時間點蓄電池電壓和充電電流值

6 結論

通過對風光互補路燈控制器的硬軟件設計及實驗結果分析，驗證了控制器具有較好的使用效果.該設計操作簡單，容易升級和維護［8］.只需要對軟件和硬件進行改動就能在不同的功率場合使用.