光伏控制系統案例分析
太陽能路燈目前是光伏發電應用最為廣泛的領域之一。太陽能路燈以太陽光為能源，在安裝和使用過程中不需要鋪設復雜的管線，安全節能無污染。白天利用太陽光給路燈中的蓄電池充電，晚上利用蓄電池儲存的電能供給路燈工作。
路燈的開、關過程采用光控，在太陽能路燈的控制系統中采用最大功率跟蹤技術，最大程度地吸收太陽能，提高太陽能電池陣列的轉換效率，同時可以降低路燈系統運行成本。
下面案例中，針對太陽能控制系統的特點設計了一種基于PIC16F877單片機的智能控制器，提出了可行的太陽能電池最大功率點跟蹤方法和合理的蓄電池充電放電策略，該系統控制器具有電路結構簡單、可靠性高、實用性強等優點。
1.太陽能路燈控制系統
太陽能路燈控制系統的結構框圖如圖1-1所示，照明負載LED光源，光伏組件為單晶硅太陽能電池板，蓄電池為閥控式密封鉛酸蓄電池，虛線框所示即為所提出的控制器的主要部分。
整個系統用Microchip的PIC16877單片機實現控制，并利用單片機輸出的PWM波控制Buck型降壓電路來改變太陽能電池陣列的等效負載，實現太陽能電池的最大功率跟蹤。
VD1為太陽能電池板的防反、反充二極管，采用快恢復二極管，C1、C2為濾波電容，V為場效應開關管，L為儲能電感，VD2為續流二極管。
圖1-1 太陽能路燈控制系統結構框圖
2.控制器硬件設計
控制器是太陽能路燈控制系統的核心部分，關系到整個光伏系統的正常運行及工作效率。本案例中的智能控制器結構框圖如圖1-2所示。控制器的核心是PIC16F877，它是目前世界上片內集成外圍模塊最多、功能最強的單片機品種之一，是一種高性能的8位單片機。
PIC16F877采用哈佛總線結構和RISC技術，指令執行效率高，功耗極低，帶有FLASH程序儲存器，同時配置有5個端口33個雙向輸入輸出引腳，內嵌8個10位數字量精度的A/D轉換器，配有兩個可實現脈沖調制波形輸出的CCP模塊。
控制器的主要工作是白天實現太陽能電池板對蓄電池充電的控制，晚上實現蓄電池對負載放電的控制，具有光控功能，能夠在白天夜間自動切換。
圖1-2 太陽能路燈智能控制硬件結構框圖
控制器采集太陽能電池輸出的電壓電流，以實現太陽能電池最大功率點MPPT的跟蹤；采集蓄電池的端電壓，防止蓄電池的過充及過放；采集溫度，用于實現溫度補償。電壓采集可用霍爾傳感器或電阻分壓法實現，電流采集可用霍爾感器或分流器實現。
顯示模塊提示蓄電池過充、蓄電池欠壓等顯示功能，采用兩個雙色LED發光二極管（LED1，LED2）實現，分別顯示充電和放電狀態。當電壓由低到高變化時，指示燈由紅色到橙色到綠色漸變顏色顯示電壓高低。
充電狀態：當蓄電池電壓低于13伏時，LED1顯示綠色；當蓄電池電壓在13.4~14.4伏之間，時LED1顯示橙色；當蓄電池電壓高于14.4伏時，LED1顯示紅色。
放電狀態：當蓄電池電壓低于11伏時，LED2顯示紅色；當蓄電池電池電壓在12.2~12.4伏之間時LED2顯示橙色；當蓄電池電壓高于12.4伏時，LED2顯示綠色。
3.蓄電池充放電策略
作為太陽能路燈照明系統，儲能用的蓄電池由于存在過放、過充、使用壽命短等問題，要選擇合適的充放電策略。所有的蓄電池充電過程都有快充、過充和浮充三個階段，每一個階段都有不同的充電要求。系統中的控制器，采取綜合使用各充電方法應用于三個階段充電。
快充階段：蓄電池能夠接受最大功率時，采取太陽能電池最大功率點跟蹤，對蓄電池進行充電。當蓄電池端電壓達到轉換門限值后，進入過充階段。
過充階段：采用恒壓充電法，給蓄電池一個較高的恒定電壓，同時檢測充電電流，當充電電流降到低于轉換門限值時，認為蓄電池電量已充滿，充電電路轉換到浮充階段。
浮充階段：蓄電池一旦接近全充滿時，其內部的大部分活性物質已經恢復成原來的狀態，這時候為防止過充，采用比正常充電更低的充電電壓進行充電。浮充電壓根據蓄電池的實際要求設定，對12伏的閥控式密封鉛酸蓄電池來說，一般在13.4~14.4伏之間，此時在溫差較大的地區，還應該進行適當的溫度補償。
4.最大功率點跟蹤控制策略
在室外環境中，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強度和電池結溫的變化，具有強烈的非線性。因此控制器采用干擾觀測法來實現MPPT控制。在電路的具體實現中，干擾觀測法通過DC-DC變換器中的Buck型降壓電路來實現。
將Buck型降壓電路應用于太陽能路燈控制系統后，V為IR540NMOS場效應管，開關管的驅動采用TLP250，單片機輸出一個頻率10KHz的PWM波來控制開關器件。由此，通過調節負載兩端的電壓來改變太陽電池陣列的等效負載，從而實現太陽能電池的最大功率點跟蹤。
5.控制系統軟件設計
控制器軟件的主要任務是：實現蓄電池的充電控制；完成電壓電流的采集處理和計算；實現MPPT控制算法；實現蓄電池對負載的放電控制。控制系統軟件采用模塊化程序設計方法，其主程序流程圖，如圖1-3所示。
圖1-3 控制系統主程序流程圖
這里所設計的以單片機PIC16F877為控制核心的智能太陽能路燈控制器，具有外圍電路簡單、可靠性高的特點，實現了太陽能電池的最大功率點跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略，算法簡單，既提高了太陽能電池板的使用效率，同時又延長了蓄電池的使用壽命。
