光伏控制系统案例分析
太阳能路灯目前是光伏发电应用最为广泛的领域之一。太阳能路灯以太阳光为能源，在安装和使用过程中不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。白天利用太阳光给路灯中的蓄电池充电，晚上利用蓄电池储存的电能供给路灯工作。
路灯的开、关过程采用光控，在太阳能路灯的控制系统中采用最大功率跟踪技术，最大程度地吸收太阳能，提高太阳能电池阵列的转换效率，同时可以降低路灯系统运行成本。
下面案例中，针对太阳能控制系统的特点设计了一种基于PIC16F877单片机的智能控制器，提出了可行的太阳能电池最大功率点跟踪方法和合理的蓄电池充电放电策略，该系统控制器具有电路结构简单、可靠性高、实用性强等优点。
1.太阳能路灯控制系统
太阳能路灯控制系统的结构框图如图1-1所示，照明负载LED光源，光伏组件为单晶硅太阳能电池板，蓄电池为阀控式密封铅酸蓄电池，虚线框所示即为所提出的控制器的主要部分。
整个系统用Microchip的PIC16877单片机实现控制，并利用单片机输出的PWM波控制Buck型降压电路来改变太阳能电池阵列的等效负载，实现太阳能电池的最大功率跟踪。
VD1为太阳能电池板的防反、反充二极管，采用快恢复二极管，C1、C2为滤波电容，V为场效应开关管，L为储能电感，VD2为续流二极管。
图1-1 太阳能路灯控制系统结构框图
2.控制器硬件设计
控制器是太阳能路灯控制系统的核心部分，关系到整个光伏系统的正常运行及工作效率。本案例中的智能控制器结构框图如图1-2所示。控制器的核心是PIC16F877，它是目前世界上片内集成外围模块最多、功能最强的单片机品种之一，是一种高性能的8位单片机。
PIC16F877采用哈佛总线结构和RISC技术，指令执行效率高，功耗极低，带有FLASH程序储存器，同时配置有5个端口33个双向输入输出引脚，内嵌8个10位数字量精度的A/D转换器，配有两个可实现脉冲调制波形输出的CCP模块。
控制器的主要工作是白天实现太阳能电池板对蓄电池充电的控制，晚上实现蓄电池对负载放电的控制，具有光控功能，能够在白天夜间自动切换。
图1-2 太阳能路灯智能控制硬件结构框图
控制器采集太阳能电池输出的电压电流，以实现太阳能电池最大功率点MPPT的跟踪；采集蓄电池的端电压，防止蓄电池的过充及过放；采集温度，用于实现温度补偿。电压采集可用霍尔传感器或电阻分压法实现，电流采集可用霍尔感器或分流器实现。
显示模块提示蓄电池过充、蓄电池欠压等显示功能，采用两个双色LED发光二极管（LED1，LED2）实现，分别显示充电和放电状态。当电压由低到高变化时，指示灯由红色到橙色到绿色渐变颜色显示电压高低。
充电状态：当蓄电池电压低于13伏时，LED1显示绿色；当蓄电池电压在13.4~14.4伏之间，时LED1显示橙色；当蓄电池电压高于14.4伏时，LED1显示红色。
放电状态：当蓄电池电压低于11伏时，LED2显示红色；当蓄电池电池电压在12.2~12.4伏之间时LED2显示橙色；当蓄电池电压高于12.4伏时，LED2显示绿色。
3.蓄电池充放电策略
作为太阳能路灯照明系统，储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题，要选择合适的充放电策略。所有的蓄电池充电过程都有快充、过充和浮充三个阶段，每一个阶段都有不同的充电要求。系统中的控制器，采取综合使用各充电方法应用于三个阶段充电。
快充阶段：蓄电池能够接受最大功率时，采取太阳能电池最大功率点跟踪，对蓄电池进行充电。当蓄电池端电压达到转换门限值后，进入过充阶段。
过充阶段：采用恒压充电法，给蓄电池一个较高的恒定电压，同时检测充电电流，当充电电流降到低于转换门限值时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转换到浮充阶段。
浮充阶段：蓄电池一旦接近全充满时，其内部的大部分活性物质已经恢复成原来的状态，这时候为防止过充，采用比正常充电更低的充电电压进行充电。浮充电压根据蓄电池的实际要求设定，对12伏的阀控式密封铅酸蓄电池来说，一般在13.4~14.4伏之间，此时在温差较大的地区，还应该进行适当的温度补偿。
4.最大功率点跟踪控制策略
在室外环境中，太阳能电池的输出电压和输出电流随着日照强度和电池结温的变化，具有强烈的非线性。因此控制器采用干扰观测法来实现MPPT控制。在电路的具体实现中，干扰观测法通过DC-DC变换器中的Buck型降压电路来实现。
将Buck型降压电路应用于太阳能路灯控制系统后，V为IR540NMOS场效应管，开关管的驱动采用TLP250，单片机输出一个频率10KHz的PWM波来控制开关器件。由此，通过调节负载两端的电压来改变太阳电池阵列的等效负载，从而实现太阳能电池的最大功率点跟踪。
5.控制系统软件设计
控制器软件的主要任务是：实现蓄电池的充电控制；完成电压电流的采集处理和计算；实现MPPT控制算法；实现蓄电池对负载的放电控制。控制系统软件采用模块化程序设计方法，其主程序流程图，如图1-3所示。
图1-3 控制系统主程序流程图
这里所设计的以单片机PIC16F877为控制核心的智能太阳能路灯控制器，具有外围电路简单、可靠性高的特点，实现了太阳能电池的最大功率点跟踪，采用了合理的蓄电池充放电策略，算法简单，既提高了太阳能电池板的使用效率，同时又延长了蓄电池的使用寿命。
