嵌入式技术在光伏发电控制系统中的应用

孙良武，王昊宇

（青海大学，青海 西宁 810016）

0 引 言

当今时代，国内外许多的科研人员致力于开发出可靠的新能源来支撑国家经济的发展，并且或多或少的将这些能源应用到现实生活中。能源的应用需要考虑能源的储备、地理条件以及稳定性等多方面的因素，这使得太阳能在众多新型能源中脱颖而出。现阶段，对于太阳能的利用非常少，人类开采太阳能还存在巨大的空间。太阳能比传统能源更加清洁，能缓解当前世界全球变暖以及温室效应的恶劣环境。随着世界各国对太阳能的重视程度日益增加，光伏发电技术将被广泛应用，太阳能动力装置也将随处可见。整个光伏发电系统中，控制器是一个至关重要的部件。控制器能够控制光伏系统中光伏阵列的最大电能输出以及电能储存，其性能直接影响了整个光伏系统的工作状况和太阳能利用率。

目前，计算机信息技术以及电子技术发展日趋成熟，嵌入式技术作为计算机技术和电子技术融合的新型产物，也逐渐被人们开发并应用至各行各业。嵌入式技术的引进能够有效地提升光伏发电控制系统运行的可靠性和稳定性，因此需要进一步实现嵌入式技术在光伏发电控制系统中的应用。

1 嵌入式系统概述

嵌入式系统是随着计算机技术以及电子电工技术的不断发展而形成的高集成化的新兴科学技术，其技术核心是电子集成技术，深度融合了电子技术、传感器技术以及计算机技术等多个领域的先进技术，因此具有非常强大的应用功能，是一种能够对软件和硬件进行各种操作的微型计算机处理系统。根据嵌入式系统的不同应用形式，嵌入式系统结构可以分为4个主要部分组成，处理器、外围设备、操作系统及应用软件。这4个部分各司其职且相互联系，其中处理器主要负责嵌入式系统的硬件系统的正常工作，是嵌入式系统的核心部件；外围设备主要是实现嵌入式系统运行过程中的存储、通信及显示等辅助功能；操作系统主要是满足嵌入式系统在时间和精度上的工作需求；应用软件主要是负责满足客户特定的应用要求。嵌入式系统应用功能主要包括了信息采集处理以及控制指令信号的输出。嵌入式系统是以传统电子计算机技术为基础，通过不断地创新和不断地集成化形成的新型技术。与传统电子计算机技术相比，嵌入式系统具有更强的实时性和专用性、更高的可靠性和稳定性以及更低的能源消耗等优点。这使得嵌入式系统受到了越来越多研发企业的青睐，被广泛应用于人们的日常生活，使人们获得了更加方便快捷的生活体验，改善了人们的生活水平。

2 光伏发电与太阳能跟踪技术的基本原理

2.1 光伏发电的基本原理

光伏发电系统是依据光生伏特效应将太阳能转换成电能的一个发电系统，其工作原理是太阳光照射在半导体上，会使半导体PN结上的杂质产生自由电子，形成光生电场，产生电流，从而达到发电的目的。光伏发电系统主要由光伏阵列、控制器及应用系统三部分结构组成。光伏阵列是由半导体材料制成的性能一致或相近的太阳能电池串并联构成的，具有单向导电的性能。太阳光照射在光伏阵列上，光伏阵列通过吸收大量的太阳能产生电流，从而为系统提供电源。光伏阵列主要是由硅制成的半导体，因此其温度特性以及伏安特性不稳定，会呈现出非线性的情况。光伏阵列的转化率是光伏发电系统的一个重要参数，它的质量与成本将直接决定整个系统的质量和成本，所以光伏发电系统的光电转换效率取决于光伏阵列的转化率[1]。

2.2 太阳跟踪技术的基本原理

在太阳光照强度和温度保持恒定的情况下，不同工作状态下的光伏阵列输出的电流大小不同。这是由于太阳按一定的规律相对地球运动使得太阳光照射在光伏阵列上的距离发生改变，影响了光伏阵列吸收太阳能的效率，从而使得太阳能的转化效率发生改变。为了提高光伏发电系统的工作效率，需要找到光伏阵列输出功率达到最大值时的工作点，然后根据太阳的运动轨迹以及环境温度等条件的改变调整光伏阵列的工作状态，使得光伏阵列始终处于最大输出功率工作点。人们为了寻找光伏阵列的最大输出功率工作点研究出了太阳跟踪技术，根据太阳每天的运动规律对太阳进行实时跟踪，通过太阳在坐标系的位置分析太阳的实时角和方位角的变化，计算出光伏阵列最佳工作点的轨迹。太阳跟踪技术提高了太阳能光伏发电控制系统运行效率，是整个控制系统的核心，可以提高20%～30%的系统效率，同时也能让光伏发电控制系统稳定运行。

3 嵌入式光伏发电控制系统设计

3.1 嵌入式光伏发电控制系统总体设计

太阳跟踪控制系统中包含了传感单元、光伏电池组件、驱动单元以及控制单元等。太阳跟踪控制系统总体设计需要根据不同的太阳坐标位置，分析其不同的方位角和实时角，通过控制器来对电机和光伏阵列进行驱动，保证光伏阵列在任何温度环境以及任何光照强度下都始终处于最大输出功率的工作点。太阳跟踪控制系统中，各单元各司其职且相互联系，传感单元将接收到的外部光照以及环境温度信息传递给控制单元，控制单元通过对采集的数据分析传递指令信号给电机，驱动单元驱动光伏阵列运动到最高输出功率工作点。

3.2 嵌入式光伏发电控制方案设计

光伏发电控制方案围绕着提高光伏发电系统能量转化效率最大化的目标，根据光伏发电控制系统的结构可以分为光伏电池跟踪控制和最大输出功率跟踪控制两个控制模块。方案设计基于两个控制模块，根据不同的光照以及环境温度情况来选择合理的控制方案，合理利用不同方案各自的优点，实现方案之间的互补，提高了系统对太阳的跟踪精度和速度，从而增加了系统运行的稳定性和可靠性。例如，在太阳光照好的情况下采取光伏电池跟踪控制方案，光照条件不好的情况下采取最大输出功率跟踪控制方案[2]。

3.3 嵌入式操作系统的选择

光伏发电控制系统中，嵌入式操作系统被大量应用于太阳跟踪控制系统以及最大输出功率跟踪控制系统，实现了数据的分析传输、数据的管理存储、任务调度以及中断处理等操作，提高了系统的安全性、稳定性以及准确性，还降低了整个系统的能源消耗。嵌入式操作系统根据其应用场合的不同可以分为实时操作系统以及非实时操作系统两大类，在一些电子产品消费领域选择非实时操作系统，在通信、控制等领域选择实时操作系统[3]。

4 结 论

光伏发电控制系统是能够将太阳能转化成电能的节能环保型的控制系统。本文将嵌入式技术融合到光伏发电控制系统中，实现了光伏阵列最大功率跟踪控制，使得系统具有自适应的跟踪功能，提高光伏发电控制系统的能量转化效率，从而进一步优化了光伏发电控制系统的工作性能。