关键词：城市照明太阳能 光伏发电 应用技术
三．太阳能光伏路灯控制器
理论上说，可将相同电压等级的太阳能电池直接与蓄电池或负载连接。但是太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性，如果将太阳能电池直接与蓄电池或负载连接，容易造成蓄电池和负载的损坏，影响其使用寿命。
因此，对蓄电池充电时，先将光电流送入太阳能控制器，经过限流放大、电压检测、温度补偿和过充保护电路，再输出至蓄电池，确保蓄电池的运行安全和使用寿命。
对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。
太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池充电，同时供给负载用电。充放电控制器的功能主要有两个，一是对蓄电池的充放电做保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是贮能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；另一是提供稳定的直流电压源给逆变器或直流负载使用。以下就这两项功能做一说明：
1、若蓄电池组过于饱和充电，或过度放电，都会造成蓄电池组的使用寿命降低，因此如何检测到蓄电池组的端电压，以及判断出其容量，都相当的重要。当蓄电池组达到饱和时或者放电只剩到总容量的20％时，即应切断系统，不再对蓄电池组做充或放电的动作。本系统的充放电控制功能为检测蓄电池组的容量，判断出何时可对蓄电池组做充电的动作，何时要由蓄电池组做放电的动作以供应负载的需求，其系统框图如图4-1所示。
2、虽然逆变器的输入直流电压范围为22V～66V，但因为日照量的瞬间变化很大，使得太阳能电池的输出电压及电流也会跟着改变，而逆变器也会一直重复在正常运行与停止运行的动作，将会造成使用者相当大的困扰。若系统装设充放电控制器，则不但可对蓄电池组做充电的控制外，还能提供逆变器相当稳定的直流输入电压，使得逆变器能一直固定在正常运行方式下，整体太阳能发电系统的供电质量也相对提高。
（一）控制器分类
光伏系统控制器按实现控制的方式可分为逻辑控制方式和计算机控制方式两大类。
逻辑控制方式是以模拟电路和数字电路为主构成的控制器，通过测量系统有关电气参数，按预定逻辑进行运算和判断，从而实现其指定功能。
小型光伏系统中，控制器多采用逻辑控制方式，它通过比较器对蓄电池组端电压和充放电转换电压进行比较，实现对蓄电池的过充放保护，所以也称为充放电控制器。图4-1-1是一种简单的放电控制电路，充电控制器工作原理与此类似。
计算机控制方式能全面集合光伏发电系统各种状态和各个部件工作状况的模拟量和数字量，充分利用计算机快速运算的能力及判断能力，对光伏系统实施最优化和智能化管理。
图4-1-2为一个智能控制器的原理框图。
智能型控制器的基本结构是以CPU为核心，各功能部件通过系统总线与CPU相连，各部分共同在软件系统指挥下完成信号检测、控制调节、系统管理、操作显示、联机通信等任务。
（二）控制器原理
4.2.1光伏系统逻辑控制的硬件结构
光伏系统逻辑控制的硬件结构框图如图4－2－1所示，其主要构成包括以下主要部分：
MCU：采用Microchip公司的PIC16C5x系列产品，其高速度、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、一次性编程芯片的低价值、小体积等，都极具强劲的竞争力。PIC16C5x系列单片机采用精简指令集，工作频率从DC-20MHZ，系统为哈佛结构，数据总线和指令总线各自独立分开，7个特殊功能寄存器，2级子程序堆栈，工作电源范围为2.5V-6V，内部自振式看门狗(WDT)，内部寄存器组(RAM)有25-72个，有内部复位电路，低功耗模式，耗电小于10uA，内带一个8位定时器／计数器，具备保密位（保密熔丝可在程序烧写时选择将其熔断，则程序不能被读出拷贝），同时提供四种可选振荡方式：低成本的阻容(RC)振荡；标准晶体，陶瓷振荡（XT）；高速晶体／陶瓷振荡（HS）；低功耗，低频晶体振荡（LP）。PIC16C5x有2-20根双向可独立编程的I/O口，且每根I/O口线都可由程序来编程决定其输入/输出方向。
电流采样模块、电压采样模块：根据系统的功率，可以采用电阻组件或互感器，如国产CT系列互感器，GMR电流互感器等，其一次侧电流可按C/5（C为蓄电池容量）考虑。
电源模块：由铅酸蓄电池提供电源，通过78xx等电源芯片为MCU确保稳定的工作电源（2.5V-6V）。
键盘输入：可采用标准的行列式键盘（或在光伏系统中预留接口，在需要设定时接入），也可订制专用的簿膜按键。
LCD显示：由于液晶显示器具有功耗极低、体积小、重量轻等特点，所以适用于铅酸蓄电池供电的系统。
远程通讯接口：系统采用异步串行通信，在PIC16C5x内部没有异步串行通信口，可用软件来完成异步串行通信（ＲＳ-232标准的异步串行通信），结果证明工作非常可靠、稳定。同时用软件来完成串行通信，也降低了系统的硬件成本。
MOSFET控制模块：MCU的系统逻辑控制信号，通过MOSFET控制模块形成MOSFET的门极控制电压，来完成对系统的状态及保护逻辑控制。
此外，考虑系统可使用于不同的功率，对于所使用的MOSFET和大功率开关管都留有充足的裕量，来满足不同系统的要求。同时系统中还给出一些LED，为了便于直接观察系统的状态和出现的问题，
4.2.2 光伏系统逻辑控制的软件部分 。
基本的主程序是初始化时，完成PIC16C5x的I/O配置和中断设置，在循环等待过程中，采集判断系统所处的状态，并进入相应的状态处理子程序，同时等待键盘输入和串行通信的起始位，流程参见图4-2-2。
异步串行通信是通过设置通用I/O口，以软件形式来完成异步串行通信。同时系统通过键盘的输入，来控制LCD的显示内容，由LCD在线显示系统所处的状态，表明系统充电或放电状态。也可选择显示蓄电池电压、容量及充放电电流的大小。所有这些数据可在需要时通过串行通信传送给上位机进行进一步处理，将使得光伏的维护和检修更加方便。
（三）控制器功能
4.3.1控制器功能
由于嵌入式控制技术的发展，光伏控制器的性能和功能得以提升，具备了充放电控制、能量管理和遥控遥信功能。其主要功能如下：
1、具有过充、过放、电子短路、过载保护、防雷、防反接保护等保护功能。
2、过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式。
3、光控、时控两种控制方式。
4、光伏系统工作状态显示。包括：（1）蓄电池荷电状态(SOC)显示和蓄电池端电压显示；（2）负载状态(耗量等)显示；（3）光伏阵列工作状态(充电电压、充电电流、充电量等)显示；（4）辅助电源工作状态显示；（5）环境状态(太阳辐射量、温度、风速等)显示。
5、光伏系统信息(系统发电量、失电量、失电记录、故障记录等)储存。
6、最优化的系统能量管理(光伏阵列最佳工作点跟踪MPPT、温度补偿、择优补偿、择优启动特殊负载及后备电源自动切换等)。
7、光伏系统故障报警。
8、光伏系统遥测、遥控、遥信功能等。
4.3.2 PWM充电控制
PWM控制技术即脉宽调制控制技术，就是对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲。
充电器中采用的脉宽PWM法是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
采用脉宽调制控制，大大提高了充电效率和太阳电池的利用率（比常规2点式控制提高至少15％）。在接近充满点时，充电电流逐渐减小，可有效地防止蓄电池过充。
4.3.3 SOC放电控制
蓄电池剩余容量(SOC)放电过程控制，是根据SOC的大小，自动调整负荷的工作状态，防止蓄电池过放的控制方式。
SOC放电控制方法：
以北京市计科能源新技术开发公司生产的JKLD-12/24-10型路灯控制器为例，SOC放电控制的具体做法是：每天晚上开灯时，控制器里的智能芯片按数学模型对蓄电池剩余容量进行计算，然后根据SOC的大小，决定如何开灯。蓄电池的SOC处于正常范围时，不管是单灯还是双灯都按拨码设置的亮灯时间工作；当蓄电池发生亏电，其SOC低于设定值时，亮灯时间和灯具配置（仅对双灯系统）将根据SOC的水平自动向下调整，减少能耗。待蓄电池的SOC恢复到大于90%后，又自动恢复到设定的亮灯时间工作。这样既可以保证路灯每天都亮，又不会造成蓄电池过放电，有效地保护了蓄电池。
4.3.4最大功率点跟踪 (MPPT)
MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟踪器，作用是使太阳能电池阵列工作在最大输出功率点。它是太阳能电池发电系统中的重要部件。MPPT是高效率的DC／DC变换器，相当于太阳能电池输出端的阻抗变换器。
通俗解释为：发电系统等效为一个有内阻的电压源，内阻受外部因素（如温度、太阳照度等）及内部因素影响而一直变化着，而负载端则为受电源供电电压和外接用户负载影响的可变负载。简单原理图如下：
如果要想保证负载端一直能得到最大的功率供给，则始终要保证R1=R2。
MPPT根据智能的控制策略判断最大功率点的位置，自动调整发电系统的输出电流，来跟踪最大功率点电压，由此实现MPPT的功能。
具体控制过程分为两个阶段：
第一阶段确定出太阳电池工作在最大功率点时太阳电池的输出电压值Uref。
第二阶段改变太阳电池对蓄电池的充电电流使太阳电池的输出电压稳定在Uref。
以上两个阶段的完成是由控制电路通过检测太阳电池的输出电压和输出电流，采用逐次比较法来实现的。
（未完待续）