嵌入式技术在光伏发电控制系统中的应用研究

焦迎雪

(山西轻工职业技术学院，山西 太原 030013)

0 引言

近年来，地球上的能源危机和环境污染问题越来越严重，人类现在急需扩大开发利用新型的清洁可再生能源。作为清洁可再生的新型能源，太阳能的研究与应用具有广大的发展前景和深远的研究意义。

在光伏发电系统中，控制器起着举足轻重的作用，它的性能的好坏直接影响到太阳能利用效率的高低。随着电子技术的发展，嵌入式系统也被广泛应用到各个领域。它是以应用为中心，适应于应用系统的专用化的计算机系统，将嵌入式系统应用到光伏发电控制系统中，可以进一步提高光伏控制系统的性能和稳定性。这也是今后研究太阳能控制系统的主要发展方向。

1 嵌入式系统

随着电子技术的发展，集成化越来越高，嵌入式系统作为以应用为主要功能、以电子集成CPU技术为基础、可进行软件硬件裁剪的专用的微型计算机处理系统，它涉及到先进的CPU技术、传感器技术、电子技术等各个行业的具体应用技术，所以它是一个在技术上高度密集、资金上高度密集、领域分布上高度分散并且在进行着不断创新的集成电子系统。嵌入式系统作为一个信息采集分析和输出的控制器，主要具有对被控制对象进行控制，使其能被智能指控的功能。与传统的电子计算机技术相比具有专用性强、实时性好、可裁剪性好、可靠性高和功耗低等各项特点。该系统组成如图1所示[1]。

图1 嵌入式系统的概念和组成

嵌入式系统广泛应用于人们生活的各个方面，为人们生活提供了很大的便利，使人们的生活方式也发生了很大的变化。

2 光伏发电与太阳能跟踪技术的研究

2.1 光伏发电

光伏电池组件相当于一块大面积的半导体二极管，它具有单向导电性，它是在半导体晶体结构的PN结区间掺杂进杂质，当有光照射到电池组件上时，高速光子可使其产生自由电子和空穴，从而在PN结逐渐形成一个光生电场。在电源外电路上接一个电阻R作为负载，其两端将会有电流流过，产生有功功率。这就是光伏电池的光生伏特效应原理[2]。

2.2 跟踪技术的原理

视日运动轨迹跟踪就是根据太阳的运动规律来实现对太阳的跟踪，视日运动轨迹跟踪的关键就是要确定太阳的位置。本文主要就是描述太阳在两种坐标系中的表达方式，选定跟踪所要的坐标并且给出其中所要用到的参量及计算方法，分析太阳时角和方位角的变化，为光伏控制系统的设计及硬件设计提供基础。

3 太阳能跟踪控制系统设计

3.1 总体设计

太阳能跟踪控制系统包括光线传感单元，限位器，光伏电池组件，光伏电池组件移动电机，控制器等。通过光线传感器采集太阳光的高度角和方位角，然后对其进行运算分析利用控制器控制两台步进电机来驱动光伏电池阵列对太阳光高度角和方位角进行跟踪移动，以保持电池阵列的光接收面与太阳光始终垂直，使光伏阵列达到太阳能转换成电能的最大效率。

该系统进行光伏发电时，接入负载后测试输出电流、输出电压和输出功率，计算光伏电路的最大输出功率，利用控制电路实现MPPT单元来跟踪光伏电池阵列最大输出功率点，在任何光照环境下都可以输出最大功率，增大太阳能的转换效率。系统的跟踪控制功能主要是通过ARM微处理器的嵌入式系统来实现的。

在整个系统设计中，传感器功能单元接收各个传感器采集的采样信号，对其进行分析得到相应的信息然后再经过模数转换和数模转换后作为输入信号送入控制单元。整个控制系统功能单元需要对电路的电流、电压和功率以及光线进行数据采集分析，对电机进行控制保护等，所以系统包括光电传感器、电流电压传感器、角度传感器和限位器等。光电传感器是利用感光特性较好的光敏电阻完成光照方位的跟踪定位，电流电压传感器可以实时检测光伏电池阵列的输出电流值和输出电压值并能换算出光伏电池输出功率值。角度传感器由两个传感元件组成，可以检测光伏电池阵列的高度角和方位角。根据以上分析，该系统包括光跟踪单元和最大功率点跟踪单元MPPT两个部分，太阳能跟踪控制系统与其数据分析传输功能由嵌入式系统实现。

3.2 跟踪控制方案的设计

基于功能需要，光伏发电系统控制设计可分为光伏电池跟踪控制和输出功率跟踪控制两个模块。

图2 太阳能跟踪控制系统结构框图

本系统设计思路主要是利用光跟踪模式，根据光线传感器采集的光照射高度角和方位角等信息，利用嵌入式处理系统对相关数据进行分析，输出驱动信号，控制电机工作带动光伏阵列转动，使太阳光直射光伏电池。

方案设计是在这两种模式上的结合。系统在通电后，先读取实时时钟，判断系统是否为跟踪启动时间和跟踪停止时间，如果此时是启动时间则启动定时器定时采样光传感器的光电信号偏差值，采样偏差值在不断变化则反应了太阳光的运动，这类似于一种模糊控制方式，通过光信号偏差值来反应阳光方位情况，选择控制模式，完成太阳光跟踪。在晴好的天气是采用光电跟踪模式，对于阴雨天气或者云遮日情况下则采用太阳运行轨道光跟踪模式，根据天气的情况变化采用着不同的模式。当跟踪系统停止时间到来时，系统控制跟踪装置返回初始状态位置，系统进入休眠节能模式，等待次日的启动时间的到来，当启动时间到来时，进行新的一次系统循环。本光跟踪方式综合这两种控制模式的优点，克服两种控制模式的缺点，在两种跟踪方式互相补充下，使系统运行更加稳定，提高了系统跟踪的精度，具体结构如图3所示。

本系统最大功率跟踪控制方法设计一种改进传统的电导增量法，是一种自适应变步长电导增量方法，解决了传统的电导增量法中跟踪速度和跟踪精度之间的矛盾。自适应策略是在工作点远离最大功率点时，采用另一种策略争取在最少的执行时间内把工作点调到最大输出功率点附近，此算法使得从变化后功率到最大功率的调整步数大大减少，从而提高了跟踪速度。

3.3 嵌入式操作系统的选择

本系统设计根据最大功率跟踪控制的特点，要求实时跟踪最大功率点，因此整个系统对实时性能要求比较高，第二代微型控制系统(Miero Control Operation System Two)作为实时性能好的微内核嵌入式操作系统完全可以满足本系统的要求。MCOS II是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式的实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合用于微处理器和控制器，很多的商业操作系统性能相当于实时操作系统(RTOS)。

图3 太阳能跟踪控制系统

4 结束语

本文研究的太阳能跟踪控制系统属于一个单体小系统，利用高度集成的嵌入式处理器结合传统光伏控制器控制光伏电池阵列随光照强度和光照角度(高度角和方位角)进行最大功率点跟踪，实现自适应跟踪功能。