风光互补路灯控制器的设计

孙素军

（滁州职业技术学院 机电工程系,安徽 滁州239000）

风能和太阳能是目前比较常用的可再生资源，两种资源在时间和地域上有互补作用，因此，风光互补发电系统成为人们研究的重点，并逐渐广泛应用.近年来，国内开始研制风光互补路灯，和传统路灯相比，它不需要建立复杂的路线和管线等，免去了供电设备，可降低运行费用和维护费用；利用新能源发电，可节省大量的电费.传统路灯依靠光控开关或人工操作对路灯进行控制，开关时间不准，尤其在人流量很小时，依然消耗电能，造成严重的资源浪费［1-2］.风光互补路灯可根据光线及季节的变化，控制路灯的开关时间，夏季工作时间短，冬季工作时间长.为充分实现风光互补，分析基于Atmega 8单片机的风光互补路灯控制系统，研究跟踪风光中的最大功率点（MPPT）及蓄电池的充放电技术，并通过试验验证控制器的安全性和有效性.

1 风光互补路灯系统的构成

风光互补路灯系统（如图1）包括电能产生、电能变换、风光互补控制器、电能储存和电能消耗五部分.在整个系统中，电能是由光伏发电和风力发电产生；电能变换主要通过AC/DC和DC/DC变换器实现；电能储存由蓄电池完成，还能实现电能调节及平衡负载；电能消耗部分包括直流负载（路灯）和卸荷电路；风光互补控制器由外围电路和Atmega 8构成，主要是对风力发电机、光伏组件的电流和电压进行控制，不仅保证蓄电池充电的平稳、快速、高效，避免出现过放、过充等情况，而且还能增加蓄电池的使用寿命［3-4］.

图1 风光互补路灯系统结构

2 风光互补路灯系统控制策略

2.1 光伏发电最大功率点跟踪控制策略

光伏发电的输出功率是非线性的，最大功率受温度、光照强度、负载特性等因素的影响.最大功率点跟踪控制就是在环境条件改变时，能稳、快、准的跟踪到最大功率点.电导增量法，根据光伏电池的输出特性曲线（如图2），在最大功率点Pmax处，dP/du=0；若dP/du＞0时，最大功率在输出功率的右边，应增加光伏阵列的电压；若dP/du＜0，最大功率在输出功率的左边，应减小光伏阵列的电压.

2.2 风力发电最大功率点跟踪控制策略

风力发电得到的能量有限，而且随机性比较大，如何捕获最大的风能（MPPT）是风力发电研究的重要内容，选择变步长扰动爬山法，在某个风速时，风机输出的功率曲线见图3.

图2 光伏电池输出特性曲线

图3 风机输出功率曲线

由图3知，风机转速为nc时，最大输出功率是Pmax.假设风机在A点工作，用步长d1扰动风机转速，扰动后的风机输出功率是P2，如果ΔP=P2-PA＞0，说明干扰的方向是对的，可以继续进行干扰，直到功率接近或达到最大功率点.如果ΔP=P2-PA＜0，表示被干扰的方向是不对的.然后用步长d1向相反方向扰动风机转速，分析ΔP的结果，方法同上.如果两个干扰方向得到的都是ΔP＜0，需要减小步长，使步长d2＜d1，重复上述计算，步长d2大小根据实际情况确定.在风机功率逐渐向C点逼近，且|d2|＜d（最小扰动步长）时，停止扰动，这时风机已经在最大功率点附近工作.

2.3 蓄电池充电控制策略

由于风机和光伏组件输出的电能为非线性，为了充分利用两种能源，必须设计合适的充电控制策略，目前普遍应用的充电方法有恒压充电、恒流充电及多阶段充电等.

为高效合理的解决蓄电池的充电问题，采用三阶段充电法.充电第一阶段为恒流充电，当畜电池电压和充电电流均达到设定值时，进入恒压充电阶段，控制器通过蓄电池电压检测电路采集电压信号，驱动直流斩波电路对蓄电池进行恒压充电，可以保证充电初期不会过流，充电后期不会过压；最后是浮充充电阶段，控制器产生较小的占空比驱动信号，控制直流斩波电路对蓄电池进行浮充，可以弥补蓄电池供电过程中损失的储能，保证蓄电池处于满电的状态，延长蓄电池的使用寿命.充电过程如图4所示.

图4 单块蓄电池的充电过程

3控制器的硬件设计

系统选用ATmel公司开发的Atmega 8单片机控制芯片，具有高性能和低功耗的8位AVR微处理器、面向字节的两线串行接口、内置PWM三通道、10位8路ADC和两个可编程串行USART等特点，能实现实时控制.

Atmega 8控制器的主要功能：产生开关管所需的PWM驱动信号；对太阳能电池输出电压、蓄电池电压、电流检测电路的输出电压，及风机的整流输出电压等模拟量进行检测；控制路灯继电器的闭合和关断；根据采样结果判断蓄电池的工作模式，选择相应的充电控制策略等.详细结构见图5.

3.1 检测电路的选取

图5 风光互补路灯的控制器框架

检测电路是控制器的重要组成部分，只有对光伏组件输出的电压、风力发电机的整流电压输出、光伏充电电流、蓄电池电压、风力发电充电电流等变量进行快速准确的检测才能达到较好的控制效果.

（1）电流检测电路

电流检测电路如图6所示，被测电流I通过霍尔电流传感器输出转换后的电流，通过电阻R m转换成电压信号，再经电压跟随器输出并通过电阻R2和R3分压后，送给Atmega8控制器的ADC。

（2）电压检测电路

电压检测电路采用分压电路（见图7），其中R1、R2为采样电阻，电容用于信号滤波，避免主电路影响采样信号.以光伏电压检测分析，将样点电压通过R1和R2分压后，使输出采样电压不高于3V.这种检测电路只需正电源供电，结构简单，成本低，应用广泛.

图6 电流检测电路

图7 电压检测电路

3.2 DC/DC驱动电路

要实现PWM脉宽调制电路和驱动电路的隔离，直接驱动MOSFET，选择日本东芝公司生产的TLP250光耦驱动芯片，驱动电路见图8.输入电压经过PWM1斩波调制，再经TLP250光耦、放大，来驱动功率器件的通断.

3.3 卸荷电路

当晚上多风时，风机产生的电能超出路灯的需要，若没有超过保护的限值，风机可以对蓄电池充电.如果风机输出的功率过大，则会给控制器造成一定的冲击，为了更好的保护系统，使用卸荷电路（如图9）将多余的功率转变成热量消耗掉［7］.由于风能的间歇性和随机性，产生的电压也是断续的，一般的比较器使开关管呈现非线性，使开关电路切换频繁，因此采用滞环控制法.

图8 DC/DC驱动电路

图9 卸荷电路

4 系统软件的设计

系统主程序流程见图10.从主程序开始，先对AD采样模块、PWM模块单片机控制、定时器进行初始化；之后检查风机输出的空载电压，如果电压比卸荷限定值要大，这时控制器会根据整流输出的电压值调整开关管PWM驱动信号占空比，再启动卸荷电路.如果蓄电池是处于检测状态，这时采样AD进行检测，之后根据蓄电池情况选择在充电各个阶段和保护模式间切换.

图10 主程序流程图

5 实验结果

以所在城市5月份某天的天气为例，所测数据如表1.从表中数据看出，从早上8时开始，随着光照强度增强,风速提高,蓄电池的充电电流逐渐增加，在14时左右，蓄电池充电电流出现最大值，从17时开始，光照强度开始减弱，风速也渐渐减缓.由于天气骤然变化，出现雷雨天气，蓄电池充电电流突然下降，直至18时，充电电流几乎为0.实验结果表明，采用基于Atmega 8的路灯控制器，环境条件改变时，能迅速捕捉到太阳能和风能的最大功率，有效的提高能源的利用率.

表1 不同时间点蓄电池电压和充电电流值

6 结论

通过对风光互补路灯控制器的硬软件设计及实验结果分析，验证了控制器具有较好的使用效果.该设计操作简单，容易升级和维护［8］.只需要对软件和硬件进行改动就能在不同的功率场合使用.