嵌入式技術(shù)在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫良武，王昊宇

（青海大學(xué)，青海 西寧 810016）

0 引 言

當今時代，國內(nèi)外許多的科研人員致力于開發(fā)出可靠的新能源來支撐國家經(jīng)濟的發(fā)展，并且或多或少的將這些能源應(yīng)用到現(xiàn)實生活中。能源的應(yīng)用需要考慮能源的儲備、地理條件以及穩(wěn)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(xiàn)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(tǒng)能源更加清潔，能緩解當前世界全球變暖以及溫室效應(yīng)的惡劣環(huán)境。隨著世界各國對太陽能的重視程度日益增加，光伏發(fā)電技術(shù)將被廣泛應(yīng)用，太陽能動力裝置也將隨處可見。整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器是一個至關(guān)重要的部件。控制器能夠控制光伏系統(tǒng)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(tǒng)的工作狀況和太陽能利用率。

目前，計算機信息技術(shù)以及電子技術(shù)發(fā)展日趨成熟，嵌入式技術(shù)作為計算機技術(shù)和電子技術(shù)融合的新型產(chǎn)物，也逐漸被人們開發(fā)并應(yīng)用至各行各業(yè)。嵌入式技術(shù)的引進能夠有效地提升光伏發(fā)電控制系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，因此需要進一步實現(xiàn)嵌入式技術(shù)在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是隨著計算機技術(shù)以及電子電工技術(shù)的不斷發(fā)展而形成的高集成化的新興科學(xué)技術(shù)，其技術(shù)核心是電子集成技術(shù)，深度融合了電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計算機技術(shù)等多個領(lǐng)域的先進技術(shù)，因此具有非常強大的應(yīng)用功能，是一種能夠?qū)浖陀布M行各種操作的微型計算機處理系統(tǒng)。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的不同應(yīng)用形式，嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為4個主要部分組成，處理器、外圍設(shè)備、操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。這4個部分各司其職且相互聯(lián)系，其中處理器主要負責嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的正常工作，是嵌入式系統(tǒng)的核心部件；外圍設(shè)備主要是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)運行過程中的存儲、通信及顯示等輔助功能；操作系統(tǒng)主要是滿足嵌入式系統(tǒng)在時間和精度上的工作需求；應(yīng)用軟件主要是負責滿足客戶特定的應(yīng)用要求。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)是以傳統(tǒng)電子計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，通過不斷地創(chuàng)新和不斷地集成化形成的新型技術(shù)。與傳統(tǒng)電子計算機技術(shù)相比，嵌入式系統(tǒng)具有更強的實時性和專用性、更高的可靠性和穩(wěn)定性以及更低的能源消耗等優(yōu)點。這使得嵌入式系統(tǒng)受到了越來越多研發(fā)企業(yè)的青睞，被廣泛應(yīng)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(fā)電與太陽能跟蹤技術(shù)的基本原理

2.1 光伏發(fā)電的基本原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是依據(jù)光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一個發(fā)電系統(tǒng)，其工作原理是太陽光照射在半導(dǎo)體上，會使半導(dǎo)體PN結(jié)上的雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，形成光生電場，產(chǎn)生電流，從而達到發(fā)電的目的。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、控制器及應(yīng)用系統(tǒng)三部分結(jié)構(gòu)組成。光伏陣列是由半導(dǎo)體材料制成的性能一致或相近的太陽能電池串并聯(lián)構(gòu)成的，具有單向?qū)щ姷男阅堋Ｌ柟庹丈湓诠夥嚵猩希夥嚵型ㄟ^吸收大量的太陽能產(chǎn)生電流，從而為系統(tǒng)提供電源。光伏陣列主要是由硅制成的半導(dǎo)體，因此其溫度特性以及伏安特性不穩(wěn)定，會呈現(xiàn)出非線性的情況。光伏陣列的轉(zhuǎn)化率是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，它的質(zhì)量與成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率取決于光伏陣列的轉(zhuǎn)化率[1]。

2.2 太陽跟蹤技術(shù)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(tài)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(guī)律相對地球運動使得太陽光照射在光伏陣列上的距離發(fā)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(zhuǎn)化效率發(fā)生改變。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jù)太陽的運動軌跡以及環(huán)境溫度等條件的改變調(diào)整光伏陣列的工作狀態(tài)，使得光伏陣列始終處于最大輸出功率工作點。人們?yōu)榱藢ふ夜夥嚵械淖畲筝敵龉β使ぷ鼽c研究出了太陽跟蹤技術(shù)，根據(jù)太陽每天的運動規(guī)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(shù)提高了太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)運行效率，是整個控制系統(tǒng)的核心，可以提高20%～30%的系統(tǒng)效率，同時也能讓光伏發(fā)電控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 嵌入式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 嵌入式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)總體設(shè)計

太陽跟蹤控制系統(tǒng)中包含了傳感單元、光伏電池組件、驅(qū)動單元以及控制單元等。太陽跟蹤控制系統(tǒng)總體設(shè)計需要根據(jù)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(qū)動，保證光伏陣列在任何溫度環(huán)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(tǒng)中，各單元各司其職且相互聯(lián)系，傳感單元將接收到的外部光照以及環(huán)境溫度信息傳遞給控制單元，控制單元通過對采集的數(shù)據(jù)分析傳遞指令信號給電機，驅(qū)動單元驅(qū)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(fā)電控制方案設(shè)計

光伏發(fā)電控制方案圍繞著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率最大化的目標，根據(jù)光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shè)計基于兩個控制模塊，根據(jù)不同的光照以及環(huán)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(yōu)點，實現(xiàn)方案之間的互補，提高了系統(tǒng)對太陽的跟蹤精度和速度，從而增加了系統(tǒng)運行的穩(wěn)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(tǒng)的選擇

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)被大量應(yīng)用于太陽跟蹤控制系統(tǒng)以及最大輸出功率跟蹤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分析傳輸、數(shù)據(jù)的管理存儲、任務(wù)調(diào)度以及中斷處理等操作，提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及準確性，還降低了整個系統(tǒng)的能源消耗。嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用場合的不同可以分為實時操作系統(tǒng)以及非實時操作系統(tǒng)兩大類，在一些電子產(chǎn)品消費領(lǐng)域選擇非實時操作系統(tǒng)，在通信、控制等領(lǐng)域選擇實時操作系統(tǒng)[3]。

4 結(jié) 論

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)是能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化成電能的節(jié)能環(huán)保型的控制系統(tǒng)。本文將嵌入式技術(shù)融合到光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了光伏陣列最大功率跟蹤控制，使得系統(tǒng)具有自適應(yīng)的跟蹤功能，提高光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，從而進一步優(yōu)化了光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的工作性能。