基于AVR的風光互補路燈控制系統設計

何薇薇 盧 金 楊金明

(1.中山火炬職業技術學院，廣東中山 528436;2.中山普潤斯電源設備技術有限公司，廣東中山 528436;3.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640)

1 引言

太陽能和風能作為兩種應用廣泛的可再生資源，在資源條件和技術應用上都具互補性。風光互補路燈是獨立的供電系統，它能有效地利用風能和太陽能在能量及時間上的互補性通過兩者各自的發電裝置，共同向蓄電池充電［1］。風光互補路燈無需鋪設復雜、昂貴的管線，可任意調整燈具的布局，安全節能無污染，充電及開/關過程采用光控自動開關．無需人工操作，工作穩定可靠，節省電費，免維護，其實用性已經得到人們的認可。

本文介紹了基于AVR單片機的智能型風光互補路燈控制系統的設計，對風光發電中最大功率跟蹤控制 (MPPT)，蓄電池充電控制的關鍵技術進行研究，提高了風光互補路燈控制器的可靠性和運行效率，并進一步優化控制技術，降低了投入成本。

2 系統構成

風光互補路燈系統結構如圖1所示，系統主要由電能產生、電能變換、電能存儲消耗、充放電控制等四部分組成。

電能產生分為風力發電和光伏發電兩個部分。電能變換主要由Boost和Buck DC/DC變換器來實現。電能的存儲主要由蓄電池來承擔，在整個系統中起到電能調節和平衡負載的作用。電能的消耗主要由卸荷電路、直流負載 (即路燈)兩部分組成。充放電控制器由AVR單片機及外圍電路組成，控制光伏電池方陣和風力發電機以最佳的充電電流和電壓快速、平穩、高效的對蓄電池組的充電，實現蓄電池向負載供電，同時避免過充電和過放電現象的發生，保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命。

圖1 風光互補路燈系統結構

3 系統控制策略

3.1 最大風能捕獲控制策略

風力機從自然中所能索取的能量是有限的，而且隨機性較強，最大風能跟蹤 (MPPT)是風力發電的核心問題［2，3］，本系統采用變步長擾動的爬山搜索法，設在某一風速下，風機的功率輸出曲線如圖2所示。

圖2 風機的功率輸出曲線

從圖中可以看出，風機的轉速nC點對應這風機最大輸出功率PMAX。若風機未工作在最佳點，假設工作在A點，用步長d1對風機轉速進行擾動，擾動后風機的輸出功率為P2，進行比較。若P2＞PA，則說明擾動方向正確，繼續向該方向擾動;若P2＜PA，則說明擾動方向不正確，用同樣的步長d1，向相反方向擾動，進行比較;若向兩個方向擾動均得到P2＜PA，則改變步長，用步長d2(d2＜d1)，重復上述步驟，步長d2的大小可以視實際情況而定。風機的由工作點A逐漸逼近最佳工作點C點。當步長d的值小于dmin(︱d︱＜dmin)時，停止擾動，此時風機近似工作在最大功率點附近。

3.2 光伏發電最大功率跟蹤控制策略

光伏電池板的輸出是非線性的，其輸出受光照強度、溫度和負載特性的影響。本系統采用自適應爬山算法化，該算法在光伏電池所處環境發生變化時可快速跟蹤最大功率點變化，使光伏系統始終輸出最大功率。自適應爬山法通過控制DC/DC變換器開關管的占空比D，即根據功率的變化在線自動調節占空比的變化量a，從而調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dP/dD＞0時，系統工作在最大功率左邊;當dP/dD＜0時，系統工作最大功率點右邊。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

結合風力發電和太陽能發電的特點，二者獨立給蓄電池充電，互不影響，從而滿足風光互補路燈系統的要求。由于光伏發電相對比較穩定，而風力發電波動性比較強，因此將光伏發電的充電電流Isolar作為蓄電池充電電流的基礎部分，在充電過程中優先選用光伏充電，在光伏充電電流Isolar的基礎上，控制風力發電充電電流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。結合蓄電池充電策略，將蓄電池充電過程分為三個階段［5］，如圖4所示，具體的充電過程如下:

圖4 蓄電池實際的充電電流曲線

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

(2)恒壓充電階段:當蓄電池容量達到90%時，采取恒壓充電，保持蓄電池的充電電壓為一個恒定值。采用PI控制分別對風力發電和光伏發電的輸出進行控制。當蓄電池充電電流減小到C/100(C為蓄電池容量)時，表明蓄電池充滿。

(3)浮充階段:蓄電池充滿后，進入浮充階段。為了彌補由于蓄電池自放電造成的儲能損失，蓄電池電壓保持浮充電壓，通過調節電流使之維持在這個電壓水平。

4 系統硬件設計

本系統采用ATmel公司的ATmega8單片機為主控制芯片，其是適用于實時控制系統的8位單片機，內置三通道PWM、8路10位的ADC、面向字節的兩線接口、兩個可編程的串行USART及可工作于主機/從機模式的SPI串行接口，具有硬件系統設計簡單、運行速度快、功耗小等優點。其結構功能如圖5所示。

圖5 風光互補路燈控制器框圖

4.1 檢測電路

控制器對光伏電池板輸出電壓、風力發電整流輸出電壓、蓄電池電壓、光伏充電和風力發電充電電流等變量進行實時檢測。

(1)電壓檢測電路

電壓檢測電路如圖6所示，采樣點電壓由R1和R2分壓后，經過一個由LM324運算放大器組成的電壓跟隨器輸出，然后將輸出送到單片機的AD采樣引腳。

圖6 電壓檢測電路

(2)電流檢測電路

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

圖7 DT-100P的原理結構框圖

4.2 DC/DC變換器驅動電路

為了保證功率驅動電路與PWM脈寬調制電路的可靠隔離，同時具備直接驅動MOSFET的能力，本文選用了日本東芝公司生產的TLP250光耦MOSFET驅動芯片，驅動電路如圖8所示。

圖8 MOSFET驅動電路

4.3 卸荷電路

當風力很大，但沒有超過速保護限定值時，風機仍對蓄電池或負載進行供電，由于風機輸出功率比較大，會對控制器造成很大的沖擊，利用卸荷電路，卸掉一部分功率，從而減小由于風大對控制器造成的沖擊。如圖9所示，其中R17為消耗電阻，將功率轉化成熱量。

圖9 卸荷電路

5 系統軟件設計

主程序流程圖如圖10所示，在主程序的開始，首先初始化單片機控制PWM模塊、AD采樣模塊以及定時器等。然后，檢測風機空載輸出電壓，當電壓超過卸荷限定值時，根據風機整流輸出電壓的值來調節卸荷電路開關管驅動信號PWM占空比，開啟卸荷電路。當需要檢測蓄電池狀態時，進行AD采樣檢測，根據蓄電池狀態來選擇進入過充過放保護模式、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 實驗結果

圖11為風力發電和光伏發電變換器同時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電流，對整個充電過程基本沒有影響，蓄電池的充電過程能夠達到預期要求。

圖11 風機與光伏電池同時給蓄電池充電電流波形

7 結論

本文介紹的風光互補路燈控制系統能夠很好地實現風機和光伏電池對蓄電池的互補充電，控制器具有良好的啟動特性，并成功地運用到了600AV風光互補路燈控制器系統中，可以達到技術升級與降低成本并舉，使用方便可靠、易于生產、維護和升級等許多優點。對上述硬件和軟件稍作改動，即可適應不同直流電壓輸入、不同輸出功率的場合。對于開發使用太陽能、風能及其他清潔能源有著長遠的意義。

［1］王宇．風光互補發電控制系統的研究與開發 ［D］．天津:天津大學，2004．

［2］彭國平，李帥，魚振民，易萍虎．小型風電系統的最大功率跟蹤的研究 ［［J］:西安交通大學學報．2004，38(4):357～360．

［3］賈要勤，曹秉剛，楊仲慶．風力發電的MPPT快速響應控制方法［［J］:太陽能學報．2004，25(2):171～175．

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

［5］周志敏，周紀海，紀愛華．充電器電路設計與應用［M］．北京:人民郵電出版社．2005．