基于MPPT技术的光伏路灯控制系统硬件设计.doc

II1 引言1.1 太阳能光伏发电的背景及意义随着社会生产的日益发展，能源的地位愈发重要。在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源本质上是数万年甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中，经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限1。此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战2。1.1.1 世界能源危机和太阳能的利用社会的发展，对能源的要求也越来越大。以往人类所用的能源主要是包括石油、天然气在内的化石能源，这些能源是经过数万年甚至更长的时间由古生物的遗体演变而成，储存在地球上的能源矿藏。这些能源虽然从本质上也是来源于太阳能，但是由于它们的积累需要经过漫长的地质年代，所以属于不可再生能源。因此对能源一点点消耗，能源总有一天到枯竭的时候。经济发展越快，对能源需求越大，能源消耗也就越快。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用目益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1，而太阳能发电每年增长达20，风力发电的年增长率更是高达26。预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。1.1.2 中国能源问题和太阳能利用的必要性中国作为一个发展中的国家，特别是近几年以高速发展，对能源的需求也越来越大。本国的能源已经满足不了国内的需求。中国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占588，原油占34，天然气占13，水资源占365。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年3。同时，由于中国人口众多、人均能源资源严重不足，人均能源资源探明储量只有135吨标准煤，仅相当于世界人均拥有量(264吨标准煤)的51。其中煤炭人均探明储量为147吨，为世界人均值(208吨)的70；石油人均探明储量29吨，为世界人均值的11；天然气人均探明储量为世界人均值的4；即使是水资源，按人口平均，也低于世界人均值4。另外，由于近年来中国经济发展迅速，国内对能源的需求飞速增长。从1993年起，中国已成为石油净进口国；从1996年起，中国已成为原油净进口国，到2000年，原油进口量已达6960万吨，而且，这种趋势仍在逐年增大。预计到2015年，中国的石油进口依存度(净进口量占消费量的比重)将达到35，2020年将进一步上升到40，而实际上到2007年已经达到50。预计到2015年和2020年，中国的天然气进口依存度将分别达到15和25。因此，能源供应安全问题已成为国家安全的关键因素之一4。我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。2000年世界卫生组织(WH0)公布的世界上污染最严重的十个大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。大力发展光伏发电将有助于尽早解决这一问题。产业化方面，2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2003年国内光伏电池的生产能力约20MW,但光伏组件的封装能力约50MW，远大于光伏电池的生产能力。虽然到2002年底，我国已有近20MW的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1左右。技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展。光伏电池技术不断进步，但与发达国家相比仍有差距。光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达21，批量生产效率为14，多晶硅实验室效率为125。图1 07年中国和世界能耗消费结构图1.2 太阳能光伏发电的优点和发展趋势光伏利用以电能作为最终表现形式，具有传输方便、无污染、取之不竭、可存储性安全可靠，无噪声，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路等方面的强劲优势，这些优点都是常规发电和其它发电方式所不及的。由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富，所以随着太阳电池转换效率的不断提高，生产成本的不断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会未来按展中占据重要地位。1.2.1 太阳能利用优点与传统的化石资源相比，光伏电源具有以下优势：(1)可靠、机动灵活。光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。目前已有数千套光伏系统的运行经验，晶体硅的寿命可达年以上。发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便；而且易安装、易运输、建设周期短；(2)安全、无噪声、无污染。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，噪音几乎没有，无环境污染和公害问题。同时太阳能可再生且无限，可直接输出商品味电能，具有理想的可持续发展属性；(3)安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。尤以可靠性高而备受人们重视；(4)兼容性好。光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使光伏系统很方便的增容；(5)资源普遍。太阳能无处不有，应用范围广，基本不受地域限制，只是受限制于地域之间资源分布的差别；独立光伏路灯系统，就是把太阳能转换成电能储存在蓄电池中，在夜间利用储存的电能驱动高光效节能灯工作的系统。独立光伏路灯系统有以下特点：(1)绿色环保，无任何污染物排放；(2)一般采用6V，12V和24V的安全电压，可以杜绝触电事故的发生；(3)运行费用低，维护工作量小，实现了可再生能源的利用；(4)在输电成本高或根本无法输电的地区尤其适用。由于独立光伏路灯的工作是不依赖供电电网的，而是由蓄电池直接供电，供电平稳，可以避免用电高峰和低谷的影响。1.2.2 太阳能光伏发电的发展从1839年法国科学家EBequerel发现液体的光生伏特效应(简称光伏现象)算起，太阳能电池经过了160多年漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳能电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳能电池的研制成功，在太阳能电池发展历史上起到了里程碑的作用。至今为止太阳能电池的基本结构和机理没有改变，太阳能电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳能电池、CIS太阳能电池、CdTe太阳能电池和纳米敏化太阳能电池等。中国于1958年开始研制太阳能电池，1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生。中国于1971年3月首次应用太阳能电池作为科学实验卫星的电源，开始了太阳能电池的空间应用。中国于1973年首次在灯浮标上进行应用太阳能电池供电的实验，开始了太阳能电池的地面应用。经过40多年的努力，中国的光伏发电技术己具有一定的水平和基础。至2004年底，已建成lO多个初具规模的光伏电池专业生产厂，晶体硅光伏电池的年生产能力约为57MW，非晶硅电池组件的年生产能力约为1OMW，光伏电池组件的年生产能力在150MW以上。全球太阳能电池的年产量正在迅速增长，2007年的增长率较2006年提升56，太阳电池年产量达到3436MW，中国厂商市场占有率由2006年的20提升至35。世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期规划：到2010年日本计划累计装机容量将达到5GW，德国为27GW，欧盟为3GW，美国为47GW，澳大利亚为075GW，印度、中国等发展中国家估计为152GW。统计表明到2015年，世界光伏系统累计装机容量预计将达到1415GWt61。据权威机构预测，2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1，2050年约占25。虽然2005年我国国内企业的光伏电池生产能力已达200兆瓦，但国内只消化不到10兆瓦6。国际国内形势和国家政策都要求国内大力开发光伏电池应用的下游产品，改善我国目前严重的能源消费不均衡状态，大力发展新型的可再生能源消费，为国家提出的建设可持续发展社会降低能源压力。1.3 研究意义和内容当前，阻碍光伏发电市场化的主要因素是价格，太阳能光伏组件的价格还比较昂贵，光电转换的效率还不高。在市场上广泛应用的光伏电池是单晶硅电池，这种电池在实验室的效率己经可以达到20以上，但是一般工业化生产的产品的普遍效率在1217之间，短时间内效率提高的空间并不大。光伏方阵是一种不稳定的电源，它的输出特性受外界环境如太阳能辐射度、温度和负载的影响。如何通过光伏最大功率跟踪控制器，使太阳能光伏方阵获得最大输出功率，充分利用太阳能光伏方阵的能量，提高系统的整体效率，降低光伏电池成本，具有相当重要的意义。目前，独立光伏路灯控制器应用最多的是不带MPPT(最大功率跟踪)普通型控制器，从实际使用经验来看，此类控制器最大的缺陷是：不能保证光伏电池方阵始终工作在输出功率的最大功率点上，这样便导致在太阳能向电能转化过程中，有大量功率损耗，降低了光伏电池的使用效率，而且光伏电池方阵在对蓄电池充电时，加载在蓄电池正负级上的电压和电流是不受控的，不符合蓄电池的充电特性，长期使用会减小蓄电池的容量，使蓄电池使用寿命下降，增加蓄电池成本。本课题是在设计光伏路灯系统情况下，由于向增加光伏发电吸引力必须从以下三个途径：(1)提高光伏电池转换效率；（2)降低知道电池组件及辅助设备成本，同时降低安装费用；（3）设计高效可靠系统，以降低每单元输出的费用以及提高使用寿命。在选用单晶硅的前提下，设备在此时一定的条件下，只有靠提高光伏转换效率才能获得最大的经济效益。本次利用MPPT(Maximum Power Point Tacking)最大功率点跟踪工作方式，通过对光伏电池方阵输出功率和蓄电池容量的实时检测，通过脉宽调制来控制光伏电池方阵的输出电流和输出电压，使其工作在输出功率的最大功率点上，实现光伏电池方阵输出功率向电能的最大程度的转化。同时，根据蓄电池的充电特性，对蓄电池各个阶段的充电电压加以控制，尽可能地延长蓄电池的寿命，降低成本。本课题的研究内容就是基于独立光伏路灯的构想，研究适合于此结构的最大功率跟踪的控制方法以及独立光伏路灯最大功率跟踪算法及其实现机制。2 MPPT控制技术2.1 MPPT控制基本原理由于光伏器件的输出功率随外部环境变化而变化，因此光伏发电系统普遍采用MPPT电路和相应的控制方法提高对光伏器件的利用效率7。假定电池的结温不变光伏器件结温不变，光伏器件的特性曲线如图2所示。图2 MPPT工作原理示意图 图中曲线一、二分别对应不同日照情况下光伏器件的IV特性曲线，A、B分别为不同日照情况下光伏器件的最大输出功率点，负载1、负载2为两条负载曲线。当光伏器件工作在A点时，日照突然加强，由于负载没有改变，光伏器件的工作点转移到A点。从图中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线I仍能输出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲线I上的B点，也就是说必须对光伏器件的外部电路进行控制使其负载特性变为负载曲线2实现与光伏器件的功率匹配，从而使光伏器件输出最大功率8。为了使太阳能电池阵列带任意电阻负载时，太阳能电池阵列都能工作在最大功率点，必须在负载和太阳能电池阵列之间加入一个阻抗变换器，如图3所示。图3 带阻抗变换器时的等效电路设变比K=VinV。，阻抗变换器的效率为l，则RL=K2RL，调节变比K便可使RL=Req从而使太阳能电池阵列工作于最大功率点，实现最大功率输出。阻抗变换器一般使用DC-DC变换器来实现，通过调节变换器开关管的实现调节变比K，从而实现太阳能电池阵列的最大功率点跟踪。2.2 MPPT控制的几种算法目前实现太阳能光伏电池板MPPT控制的方法很多，常见的有扰动观察法、增加跨导法、固定电压法、固定电流法等等。本节以下部分将分别介绍这几种控制方法，并进行比较，从中确定一两个方法进行设计。2.2.1 固定电压法(Constant Volrage Tracking，简称CVT)温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近，如图4所示。因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率9。图4 不同日照强度下的最大功率 从上面可以看出固定电压法实际上是把最大功率点跟踪简化为固定电压跟踪。固定电压法实现原理如图5所示。UR表示给定工作点电压，一般为某一温度下太阳能电池阵列的最大功率点电压，US为太阳能电池阵列实际输出电压。给定工作点电压和太阳能电池阵列实际输出电压比较后经过PI调节，调节结果与三角形载波进行比较产生PWM脉冲以驱动功率开关管，从而对太阳能电池阵列的负载阻抗进行调节，实现阻抗匹配。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20的电能10。图5 恒电压法实现原理基于固定电压法的跟踪器制造比较简单，而且控制比较简单，初期投入也比较少。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，以常规的单晶硅光伏电池为例，当环境温度每升高1时，其开路电压下降约为035045，具体较准确的值可以用实验测得，也可以按照光伏电池的数字模型计算得到。固定电压法控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便的通过硬件实现。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。为了克服以上缺点，可以在CVT的基础上采用一些改进的办法： 手工调节方式：根据实际温度的情况，手动调节设置不同情况下的Vmax ,但这比较麻烦和粗糙。 微处理器查询表方式：事先将不同温度下测得的Vmax值存储于EPROM中，实际运行时，微处理器通过光伏阵列上的温度传感器获取阵列温度，通过查表确定当前的Vmax值。采用CVT以实现MPPT控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多的使用，特别是光伏水泵系统中。随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法逐渐被新方法所替代11。2.2.2 扰动观察法(Perturbation and ObservationP&0)扰动观察法，是一种基于实时控制的MPPT控制方法，它通过对电路施加扰动，改变太阳能光伏电池的工作状态，并且实时观察和计算光伏电池板输出功率的大小，将计算结果与前一时间点进行比较，以此为依据或维持或改变控制下一步扰动的方向，从而使得太阳能光伏电池板的输出最终稳定在最大功率点附近12。算法可以简述如下：光伏控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列输出，改变步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”：然后通过比较扰动周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续扰动，相反，如果输出功率减小，则改变“扰动”方向。扰动观察法的算法流程图如图6所示。图6 扰动观察法流程图 扰动观察法的扰动变量根据实际情况和条件的不同，可以采用输出电压、输入电压、输出电路的占空比等等。其中以输出电压作为扰动变量的MPPT算法主要是通过控制充电回路中功率开关管的导通和关断来改变太阳能光伏电池输出压的大小，其控制策略如图6所示。因为在这种控制方法下，功率的变化路径从图上看起来好像爬山一样，所以这种控制策略又被称为爬坡法13。扰动观察法是目前MPPT算法中使用最广的一个算法，这个算法的主要优点是原理简单，实现方便，而且跟踪精度高，其最大功率点的跟踪精度可以达到90以上。然而，扰动观察法也有其固有的缺点，即在最大功率点附近存在不可避免的振荡从而导致额外的功率损耗，再者就是当外界环境剧烈变化时可能产生电压崩溃现象14。其中，振荡是扰动观察法固有的一种现象，它是因为扰动观察法对控制变量的不停扰动产生的。最大功率点附近的振荡过程从图7中也可以看出，最终系统将在23432附近振荡。虽然说减小扰动步长可以减小最大功率点附近的振动幅度，但是同时也将会增大最大功率点的跟踪时间，并且不可能真正地消除振荡。所以说，振荡在扰动观察法中是不可避免的。图7 变量为电压的扰动观察法示意图图8 扰动观察法误判示意图此法最大的优点在于其结构简单，被测参数少，能比较普遍的适用于光伏系统的最大功率跟踪。但是，在系统已经跟踪到最大功率点附近时，扰动仍然没有停止，这样系统在最大功率点附近振荡，会损失一部分功率，而且初始值和步长的选取对跟踪的速度和精度都有较大的影响。另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象，如图8所示，假设系统已经工作在MPP附近，在II光强下，当前工作点电压记为V1，阵列输出功率记为P1。当电压扰动方增加电压至V2，如果光强不发生变化，阵列输出功率为P2P1，控制系统工作正确。但如果光强下降至I，则对应V2的输出功率可能为P3O，V小于最大功率点电压；当dPdVO，V大于最大功率点电压；当dPdV=O，V等于最大功率点电压。将这三种情况代入(2)式可得：当VVMPP时， (4) 当V=VMPP时， （5） 这样可以根据dIdV与IV之间关系来调整工作点的电压来实现最大功率点的跟踪。图9所示为增加电导法所示流程图。从图中可以看出，由于控制流程中增加了dIdV与IV的判断，所以可以有效的避免出现振荡。图9 增加电导法控制流程图 图10中Vn和In分别为检测到的当前太阳能电池阵列电压值和电流值，Vb和Ib分别为上一控制周期太阳能电池阵列电压值和电流值。 增量电导法的优点是：在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。增量电导法的缺点是：太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点：如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区：步长太长，又会使系统振荡加剧，影响跟踪精度。在实的光伏系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相对较高，其要求传感器的精度比较高、系统各个部分响应速度比较快。而且由于增量电导法算法较为复杂，且在跟踪的程中需花费相当多的时间去执行AD转换，为实现实时跟踪控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。图10 太阳能光伏电池的PV曲线3 太阳能光伏发电路灯控制系统总体分析3.1 系统总体设计3.1.1 系统设计基本原则 低功耗原则。整个控制系统和路灯的照明所需要的能量全部来自太阳能电池板，然而能量的损失又是不可避免的。但要尽可能的减少系统的能量损失，就需要降低系统功耗，因此控制器所用器件要全部采用低功耗器件，控制电路也要尽可能地减少器件，使电路简洁，降低能耗。 可靠性原则。本控制器需要在室外安装、运行，而且要常年免维护运行，同时室外环境多变，昼夜温差较大，寒暑季节变化更为显著，所有这些都对系统的可靠性提出了较高的要求。 实时性原则。虽然实时性在本系统中，相对比低功耗和可靠性要求来说，要求不是太高，但系统要对太阳能电池板的输出功率实时检测跟踪，因此也需要系统具备一定的实时性。3.1.2 系统目标系统主要实现独立光伏路灯太阳能电池板的最大功率跟踪功能。根据不同的MPPT控制原理，设计不同的控制器,并基于一种原理来进行设计，设计其大概框架图和具体部分电路图。3.2 MPPT技术的硬件电路支持用DCDC变换器可以实现最大功率点的跟踪。DCDC变换电路(也称为斩波电路或斩波器)是接在光伏阵列和负载之间，通过控制电压将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。它被广泛应用于直流开关电源、逆变系统、通信领域、地铁、无轨电车等直流电动机的驱动设备中。为了提高光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保持最大功率输出，就要进行最大功率跟踪(简称MPPT)。本文采用BUCK电路来实现最大功率跟踪，其电路组成如图11。 图11 BUCK电路BUCK电路中开关管导通的占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化，输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一个输出电压值和输出电流值。而MPPT技术即是通过调节BUCK电路的占空比而改变光伏阵列的输出阻抗，从而寻求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。由BUCK电路实现MPPT技术时，光伏阵列的输出电压高于蓄电池的端电压时，才能实现较好的调节。当光伏阵列的输出电压低于蓄电池端电压时，BUCK电路的控制失去作用。3.2.1 BUCK电路下面分析开关管导通与截至的情况与输出电压的关系，以及电感电流连续状态下器件的选择。设VS为输入电压，VO为输出电压，IO为负载电流，电感量为L，开关频率fS为48KHz，开关周期为TS，导通时间为t1=DltS，断开时间为t2=D2tS，开关管导通时间为tON=tl=D1tS，开关管截止时间tOFF=t2=tS-tl=D2tS，D1=TON/TS1，称Dl为导通时间占空比，D2为截止时间占空比，很明显Dl+D2=1。在输入输出不变的前提下，当开关管导通时，电感电流平均值IL=IO=VO/R，电感电流线性上升增量为iL=-Vs-VoLD1Ts（6）当开关管截止时，电感电流iL增量为iL=-VsLD2Ts（7）由于稳态时这两个电流变化量相等，即iL=|iL|，所以 VsLD2Ts=(Vs-Vo)D1TsL（8）又因为D1+D2=1整理 Vo=VsD1 （9） 这表明，输出电压VO随占空比D1而变化，由于D1l，故VOLc=240.3022148103为保证电路安全可靠的工作，取电感值为100H。 电感采用铁硅铝材料的磁环，铁硅铝材料是金属磁粉心材料一种。金属磁粉心是一种具有均匀分布气隙的金属软磁材料。由于具有相对较高的饱和磁通密度，较好的温度稳定性和机械冲击适应性，金属磁粉心材料是制造电感类感性器件较为理想的材料。金属磁粉心材料包括铁粉心和铁硅铝、高磁通以及铁镍钼粉心。铁硅铝、高磁通、铁镍钼粉心具有优异的磁性能，饱和磁通密度高，功率损耗小，在很宽的温度范围内，性能变化小，同时具有优良的耐温、耐湿、抗振等高可靠性。高磁通粉心具有较高的饱和磁通高度，特别适宜于制造较高功率密度的电感类器件；铁镍钼粉心具有较小的功率损耗和较好的温度稳定性；铁硅铝粉心具有较好的性能价格比16。这三类磁粉心特别适宜于制造高频有源PFC电感、开关电源输出扼流圈及谐振电感等功率器件，设计人员可根据不同的拓扑模式、功率、电压、电流、频率等应用条件进行不同材料类别、不同尺寸及不同磁导率的最佳选择。高磁通、铁镍钼、铁硅铝粉心作为功率材料一般情况下应用频率不宜超过500kHz，最佳应用频率在100kHz左右。4 太阳能光伏发电路灯控制系统硬件电路设计4.1 电流采样电路电流信号的采样采用康铜丝电阻，此系列电阻选用高精密合会丝并经过特殊工艺处理，使其阻值低，精度高，温度系数低，具有无电感，高过载能力。可广泛用于通讯系统，电子整机，自动化控制的电源等回路作限流，均流或取样检测电路连接等。本设计通过康铜丝电阻采样的电压信号经过集成运放LM358的放大，输入到单片机中，进行数据的处理和控制,如下图13所示。图13 电流采样电路本电路中，考虑到康铜丝电阻的特点，用其作为采样电阻。回路电流在康铜丝电阻上产生的压降输入到集成运算放大器的反向输入端。其U5=U6=0V 0-U1R1=U7R2 U7U1=-R2R1=-10 （13）由于Ui0，故经过康铜丝电阻的采样和运算放大器的放大，将采样的电流变化转变成电压信号的变化，将其送入单片机进行处理。本设计采用10毫欧的康铜丝，若回路电流为3A时，Ui=-0.30.01=-0.03V，U7=10x0.03=0.3V。若回路电流为16A(短路电流)时，Ui=-160.01=-0.16V，U7=10xO.16=1.6V。在软件设计中，只用到比较两个采样时刻的电流的大小，结合采样电压的大小对功率值进行计算。4.2 电压采样电路 如图14所示，太阳能板电压采样电路采用电阻分压采样，C13为电源滤波，Uo=Ui2.449.4=0.049Ui本设计中采用额定电压为17.2V的两个太阳能光伏阵列串行连接，若某一时刻输出为额定电压值34.4V，则Uo为1.88V。若某一时刻输出电压值为2V(白天转黑夜的判断电压值)，则Uo为0.097V，AD转换后的值为56。若某一时刻(开路电压)电压值为21.7V，则Uo为1.97V。完全满足C8051F330的IO端口的要求。图14 太阳能板电压采样电路D1为防反充二极管。又称阻塞二极管。其作用是避免由于太阳能电池在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时，蓄电池通过太阳能电池放电。它串联在太阳能电池电路中，起单向导通作用。要求其能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小。一般可选用合适的整流二极管。采用蓄电池电压采样电路也采用电阻分压采样，C17为电源滤波，如图15所示。图15 蓄电池电压采样电路 U2=3Ui54=0.0556Ui 本设计中采用额定电压为24V的蓄电池，当蓄电池达到最高电压264V时，则U2为1467V，AD转换后的值为455。当蓄电池达到额定电压24V时，则U2为13334V，AD转换后的值为413。当蓄电池达到最低电压22V(低于22V时，断开负载)时，则U2为12223V，AD转换后的值为379。完全满足C8051F330的IO端口的要求。4.3 反激变换器的缓冲器与RC缓冲器的设计(1).反激变换器的缓冲器在反激变换器中，引起开关应力高(可导致开关损坏)的原因有两个：一是开关关断时，漏电感引起开关管集电极电压突然升高；二是负载线不够合理。两个原因均是由于负载是电感性引起的，前者影响较大，后者次之。抑制开关应力有两个办法。一是减小漏电感；二是耗散过电压的能量，或者使能量反馈回电源中。减小漏电感主要靠工艺；耗散过电压的能量依靠与电感线圈并联的RC缓冲器，或与开关关联的RC缓冲器；能量反馈回电源中依靠附加的线圈和定向二极管。在反激变换器中，储存在变压器原边电感LP的主要能量在反激时期中将传输到副边。副边回路寄生电感、电容C1的寄生电感，还有输出线路漏感折算到原边电感用LLT表示，它与LP串联接在晶体开关管Tr集电极上，如图16所示。(LP+LLT)上的能量在LLT关断时产生过电压，重新按集-射极间。因此过电压是构成损坏管子的开关应力，必须加缓冲网络予以限制。图中为在原边电感旁加电路R1、C2、D2。图 16 缓冲电路Tr导通时，VS电压加在(LP+LPT)上，由于D2反偏阻止C2的充电，所以VC2O。当Tr关断时，由于反激作用，Tr集电极电压VC快速上升，但由于D2此时有正偏压而导通，使Tr电流被R1、C2分流，VC2电压逐渐上升，即VC电压也是逐渐上升，而且钳位在2VS数值上。从而把VC上升的尖峰电压的顶部削去。在周期的剩下时间里，随R1放电电流减小，C2的电压将会返回到原来值。多余的反激电能消耗在足上。此钳位电压是自跟踪的，在稳态工作时，因为C2的电压会自动的调整，直到所有多余的反激电能消耗在冠上。如果在所有其他情况下，都要维持某一恒定钳位电压，则可通过减小R1值或漏电感LTP的值，来抑制钳位电压的升高趋势17。(2).保护环节-RC缓冲器晶体管关断过程是开关管最易损坏的时间。在使用时保护晶体管需加上RC缓冲器，场效应管理论上与晶体管做相似处理与计算。基极驱动方法分析中提到，基极反向电流要大，以便使存储时间减少。遗憾的是基极反向电流过大情况会使基-射结击穿，晶体管损坏。有两个方法可防止这种情况的发生：一是在集电极-发射极电压VCE处于低值时，关断晶体管；二是管子关断时，集电极电压上升的同时，较快地减少集电极电流。如图17所示，使用RC缓冲器接在晶体管C、E两端，在关断晶体管时以减少集电极电流。其工作原理是：当晶体管TR1关断时，电容C通过二极管D1被充电到(VC-VD1)。这样集电极电流有了分路，集电极电流能较快地减小。当晶体管TR1导通时，C通过电阻R和TR1放电。图17 RC缓冲器 参数的选择可按经验公式求得。在关断时，能量转移关系可写成 IcVCE(tr+tf)2=cVCE22 (14) 式中 IC最大的集电极电流(A) VCE最大的集电极-发射极电压(V) tf最大的集电极电压上升时间(s) tr最大的集电极电压下降时间(s) 解得电容C的表示式为C=Ic(tz+tf)VCE(15) 据上述，TR1关断时C充电，TR1开通时，已充电的C经R和TR1放电，电容器两端的电压为：c=Vce-tonRC (16)为了承担TR1关断时全部的充电电压，选RC值使，从而vc=VC。 同样，我们选择RC，使电容在每次导通时间ton中，可放完电。假设三倍时间常数可以放完电，则 3RC=ton (17) R=ton3C (18)本设计中，最大漏源电压为50V，最大漏极电流10A，上升时间是120ns，下降时间是95ns。工作频率为48KHz。则 C=10(120+95)10350=43nf取电容型号为473。工作频率为48KHz，取ton =10.4s, 则 R=10.4us34710-9 取阻值为100的电阻。4.4 过流自动切断负载保护电路 在电路中，太阳能电池板对蓄电池进行充电时采用保险丝进行过流保护，用额定电流为5A的保险丝保护控制器的充电过程。对于路灯负载，主灯和副灯各自进行了过流保护。 为了节省能源，负载采用两个路灯，主灯和副灯。在人流量大时主灯和副灯同时打开，当人流量小时，关闭副灯，只有主灯工作。主灯每天工作8个小时，副灯每天工作4个小时。工作时间也可根据需要调整拨码开关改变。在工作过程中，为了避免短路等情况下电流过大而烧坏路灯，引入了过流自动切断负载保护电路。两灯过流保护总框图如下图18所示。图 18 电路过流保护总框图 如图19所示单个路灯时的过流保护电路。当太阳能电池电压低于某个值(2V)时，单片机输出低电平，负载路灯接入，单片机丌始定时，定时长短由拨码开关的状态决定，当定时时间到时，单片机输出高电平，此时断开路灯。图 19 单个路灯时的过流保护电路 当单片机输出为低电平，此时三极管Q2截至，电路处于正常工作时(未过流状态)，其集电极电压约为12V，晶闸管Q3处于截止状态，开关管T2导通，负载接入电路。电路中采用阻值为O.05的康铜丝作为取样电阻，运算放大器反向输入端电压通过电阻最和风分压后得到电压为0.66V，当电路中过流时，比如瞬间电流等于20A，则运算放大器的同向输入端电压为1V，由于运放处于开环状态，同向输入端电压高于反向输入端电压时，运算放大器输出高电压18。采用的LM358集成运算放大器，其输出高电压为VCC-1.5，则为10.5V。晶闸管当阳极电位高于是阴极电位并且控制极有足够的正向电压和电流时，晶闸管会由截至状态转换到导通状态，而运算放大器的输出高电压足以使晶闸管导通。此刻，会将三极管的集电极直接通过晶闸管接地，从而开关管T2的栅极驱动为低电压，T2截至，将负载切断。一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。所以要想负载重新接入，须重上电即可。 设计中要求主灯和副灯两个负载，过流保护由图20所示电路承担。当单片机输出为低电平，此时三极管Q3、Q5截至，正常工作时(未过流状态)，Q3、Q5集电极电压约为12V，晶闸管处于截止状态，开关管Q7、Q4导通，主灯和副灯同时接入电路。当电路中过流时，运算放大器的同向输入端电压高于反向输入端电压。由于运放处于开环状态，故运算放大器输出高电压。晶闸管Q2、Q6会由截至状态转换到导通状态，将三极管Q3、Q5的集电极直接通过晶闸管Q2、Q6接地，从而开关管Q7、Q4的栅极驱动为低电压，Q7截至，将主灯切断，Q4截至，将副灯切断。在布版过程中为了能准确的切断电路，要使康铜丝采样电阻尽可能靠近放大器。要想主灯和副灯重新接入，须重上电即可。 过流保护电路完全采用硬件电路进行控制，在电流过大的瞬间切断电路，防止器件的损坏，在实验中验证了其功能的实现，大大提高整个系统的可靠性，但此保护电路不能自动恢复，必须人为重新加上电源电路才能运行。图 20 双灯头路灯的过流自动切断负载保护电路 图20所示电路也是主、副灯是否接入的控制电路。当其他控制条件满足时，若单片机控制主灯的端口输出为低电平，则主灯就接入电路，开始工作；若单片机控制副灯的端口输出为低电平，则副灯就接入电路，开始工作。当然主副灯也可以同时工作。若单片机控制主副灯的端口输出高电平，则Q3、Q5导通，三极管处于饱和状态，两三极管的集电极电压为三极管饱和电压，约为0.8V，此时开关管Q7、Q4的栅极驱动为低电压，则Q7截至，将主灯切断，Q4截至，将副灯切断。当然电路也可实现单独接入一个灯工作，另一个灯熄灭。4.5 电源电路与拨码开关电路 (1).电源电路 对于任何电子产品来说，电源都是一个很重要的组成部分，电源部分的好坏很大程度上决定了产品性能的优劣。系统利用太阳能电池输出的电能来为控制板供电，从而不必再为控制器另备独立的外部电源19。本系统中辅助电源电路根据系统设计的需要而设计的，由于采用了凌阳C8051F330D单片机进行控制，故系统需要提供正33V的电压给CPU供电；另外，还要正12V电源主要是给系统电路中的三极管等元件的正常工作提供能量。因为太阳能发电系统主要用于网电未涉及的地域，而本系统为独立光伏发电系统，所以整个系统的工作需要太阳能电池板所产生的电能量经转换或处理后的电源的支持，在本课题中欲需得到正3.3V和12V电源支持控制芯片和集成运算放大电路或晶体管的工作。太阳能电池输出电能通过智能控制器将电能存储到蓄电池中，蓄电池额定电压值为24V，在21.6V26.4V之间正常工作，如图21所示，蓄电池电压经过冠限流后，输入到三端稳压器7812，输出稳定的12V电压。通过稳压二极管IN4733，其额定电压为5.1V，进行分压后，经稳压器ASl17，将其输出电压值调到3.3V，以供单片机工作。图 21 电源电路(2).拨码开关电路 拨码开关电路如图22所示，本设计采用的是一个多位BCD编码拨动开关，里面每个开关都有一块电路板，通过变换产生BCD编码，开关下面的4个管脚输入相应的BCD码，每档按二进制的8421码记数。电路中接入主灯和副灯，每个灯的定时都分别在0-15小时内可调，所以每个灯对应4位拨码开关，电路中采用的是一个8位拨码开关来承担两个灯的定时。拨码开关的上拨、下拨两种状态分别代表二进制中的1和020。图 22 拨码开关电路拨码开关的16个状态分别代表可定时015小时。采用拨码开关可以方便的根据季节的不同及不同地区黑夜时间长短的不同对路灯亮的时间进行灵活的调整。表1 拨码开关的16个状态0=00008=10001=00019=10012=001010=10103=001111=10114=010012=11005=010113=11016=011014=11107=011115=11114.6 控制器的散热太阳能路灯控制器的大部分应用领域都比较特殊，均为太阳光照资源丰富或网电未及的区域，而太阳能控制器的往往安装在路灯灯罩里，灯罩每天在太阳的直射下工作，其内部温度较高，在日照强度较大的地区，太阳能控制器甚至要长时间在80以上的温度下工作，为了防止器件的烧坏，必须加入散热器进行散热。 传统散热方法(对流、辐射和传导)是采用散热器(即传导)。散热器给热提供传输到对流通路，相似电路中再加一个电阻并联，减少了总阻值，使得温升降低。 最便宜的散热器是一块金属板，通常经过阳极化处理，把器件用夹子或螺钉固定到散热器上(螺钉固定比央子好，因为夹子压力不好控制；但螺纹固定需要附加零件和工序)。由于器件与散热器之间接触不很平整，通常在将器件安装到散热器上之前应当在接触面涂敷硅脂，排除空隙，降低总热阻。但是导热硅脂十分脏，会带来其它问题，建议在生产线不要用。用螺钉将器件固定到散热器上，应当注意螺纹安装力矩。因为接触面总是不平整，安装力矩过大，造成器件弯曲变形，反而造成器件与散热器之间气隙加大，而造成散热效果变差，甚至损坏器件内部芯片。用螺钉固定最好采用经过校验的力矩扳手，当超过给定力矩时，扳手打滑，不能继续加大力矩。 金属散热器需要与电路绝缘，因为散热器通常是接地的，例如接到外壳。可以在器件和散热器之间放一个导热绝缘挚片。通常采用的材料硅橡胶布，还可以采用云母或氧化铍，高温还可采用聚亚酰胺片。通常避免采用氧化铍。 用于像TO220封装的散热器还是比较好的。但是，把表面贴装元件直接接触散热器似乎不是好方法。当你采用表面贴装MOSFET，这些晶体管热传输的主要形式是通过它的引线，引线传热严重限制了器件在高功率应用。