基于單片機控制的太陽能供電地下停車場照明控制系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 州和南昌7個產業化基地。長江三角洲、珠江三角洲、北方地區以及閩三角成為了我國LED產業發展的聚集地。 當今，我國半導體照明產業保持著良好的發展方向，外延片生產產業的發展極為迅速、芯片封裝產業規模持續保持較快增長、產品應用取得很大改善。二零零七年我國LED應用產品銷售額已超過三百億元，已成為世界景觀照明、太陽能LED應用產品最大的制造和出口國，正在逐步形成以半導體為核心的照明產業。我國在照明領域已經具有一定風格，以戶外照明的發展較為明顯，雖然已有近100家LED路燈照明制造企業建設了一些示范性道路，但室內照明產業仍然處于落后局面。2008年北京奧運會對LED照明的集中展示，讓人們對LED有了全新的認識，有力推動了中國半導體照明產業的發展。2010年上海世博會的籌辦，半導體LED照明作為一種新型“綠色”照明光源，受到了市政府相關部門及上海世博會事務協調局領導的高度重視，LED照明在世博會上得到了廣泛應用。LED照明所起到作用推動了自身產業的快速成長，尤為重要的是起了很好的帶頭作用[[] 馮垛生.《太陽能發電原理與應用》.北京：人民郵電出版社，. ]。從整體看，現在我國的LED照明還是處在起步時期，多數照明工程仍然被飛利浦、GE等國外實力較強的照明企業起主導地位。擺在國內企業面前的迫在眉睫的是擴大規模、提高生產技術水平進而提高產品質量，提高授權要價和研發核心專利的能力。只有這樣，中國LED照明才能會以較快的步伐向前邁進。被稱為第四代照明光源的LED，憑借節能、無污染、使用時間長、體積小等優勢，在各種指示、顯示、裝飾、一般照明和夜景照明等領域得到廣泛應用。最近幾年，國際上部分發達國家在LED的研究和生產方面進行了激烈的科技競賽。美國從兩千年起花費五億美元啟動了“國家半導體照明計劃”，歐盟也在二零零七年七月宣布實施了“彩虹計劃”。中國科技部在二零零三年六月份第一次提出發展半導體照明計劃。多年來，LED照明憑借其節能、環保的優點，倍受國家以及各級政府的關注，各地相繼實施相關法規和采取措施促進LED照明燈具市場的擴展；廣大消費者也對這類新興LED照明燈具產生了濃厚的興趣。然而，由于在改善技術和推廣上的投入成本始終較高，使得讓眾多消費者渴求已久的LED照明產品一直無法問世！[[] 郭曼.《愛護地球從綠色光源開始—記國家半導體照明工程研發及產業聯盟》[J].北京：2011年7期。]隨著我國一些制造商技術的發展以及不斷的降低生產成本，LED照明局面勢必改變。廉價優質的LED照明商品，行將為我國的照明產業帶來質的飛躍，廣大使用者必將在使用時感受到它的內在優越性！第2章 MPPT控制部分與DC/DC變換光伏陣列輸出是非線性的，而且它的輸出在不同的光照強度下、環境溫度下和負載情況變化時變化。根據太陽電池的工作原理，處于不同光照強度，溫度等環境條件下，光伏電池的輸出便隨著改變，輸出功率包括最大功率點也隨著相應改變。在實際的應用系統中，太陽光的輻射強度和大氣的透光率都是動態變化的，這就給建設太陽能發電系統帶來了困難。在環境溫度以及太陽光輻射強度不變的情況下，光伏電池的工作電壓是變化的，然而只有輸出電壓是一個恰當的值時，光伏電池才可以輸出最大功率，這時太陽能光伏電池的工作點即是最大功率點(Maximum Power Point)。最大功率點跟蹤(MPPT)即指實時調節光伏電池的輸出功率，讓它一直在最大功率點附近工作的過程。考慮到光伏電池的特殊性，如何準確地設置它的工作電壓、電流來找到最大功率點是非常重要的。目前，通常采用DC/DC變換實現，DC/DC變換的形式主要有升壓式（Boost）、降壓式（BUCK）、升降壓式(BUCKBoost)、庫克式（CUK）四種。最大功率點跟蹤的算法是光伏發電系統的另一個關鍵問題，在當前提出的眾多的控制方法里，主要包括擾動觀察法、恒壓跟蹤法、電導增量法、模糊邏輯控制法等[[] 任柱.《基才AVR單片機的光伏系統充電器的設計》[J]. 北京：人民郵電出版社，2008. ]。光伏電池的等效簡化的線性電路如圖21所示，R0上的功率可表示為： 圖21 光伏電池簡化電路圖由于U、均是常數,因此對上式兩邊求導，便可以得到：只有當式（22）中的=時，才會取得最大值。因此，針對光伏電池等效簡化的線性電路，當負載電阻和電源內阻相等時，負載便可以獲得最大功率。盡管DC/DC變換電路以及光伏電池都是非線性的，然而在短時間里，可以把它們看作是線性的。由光伏電池的簡化電路可知：當=時，和兩端的電壓均是電壓U的一半，此時取得最大值。由上所述可知，采取調節DC/DC變換電路的等效電阻，便可以一直使光伏電池的內阻和轉化電路的等效電阻保持一致，從而實現光伏電池的最大功率點跟蹤，也就是光伏電池的MPPT。與此類推，實際應用時可以采取調節負載兩端的電阻值，來使負載獲得最大功率。圖22 最大功率跟蹤示意圖光伏電池最大功率點跟蹤的示意圖如上圖22所示。圖中直線表示負載電阻；虛曲線表示等功率線；表示光伏電池的短路電流；表示光伏電池的斷路電壓；表示光伏電池的最大功率點。由圖可知，光伏電池最大功率跟蹤原理為：光伏電池工作于M點時，光伏電池的輸出功率要比在最大功率點處小很多。采取改變輸出電壓的方法，把負載電壓調節到U01處，讓負載的功率從M點向N點移動。因為N點與光伏電池的最大功率點處于同一點上，所以此時光伏電池獲得最大功率。最大功率點跟蹤的關鍵問題是研究跟蹤的算法，目前應用較廣泛的幾種為：恒①壓跟蹤法、②擾動觀察法、③電導增量法等。處于不同光照強度下的光伏電池功率電壓特性曲線如圖23。由圖可知，同一溫度條件下，不同的光照強度，光伏電池的最大功率點差不多分布在某一固定垂線的兩側附近。于是我們可以認為，恒壓跟蹤法就是把某個特定輸出電壓的垂直線近似看成最大功率線，讓光伏電池輸出一個特定的電壓，便可以找到最大功率點。顯然，此方法是一種近似的最大功率點跟蹤算法。圖23 不同光照強度下光伏電池功率電壓特性曲線此方法具有容易實現、控制方便、可靠性以及穩定性高的優點；但是該方法沒有考慮溫度對太陽能電池斷路電壓的影響，因此控制精度差。譬如每當安裝地點的溫度增加1℃，不為負載供電時，%%。現在已研究出部分改善的恒壓跟蹤算法，可以通過改變電位器的值輸出不同電壓值，通過溫度查表改變電壓等等。伴著數字信號處理技術在光伏發電系統中的應用，恒壓跟蹤法將會逐步被取代。擾動觀察法原理圖如圖24，首先獲取當前陣列輸出功率P1，當在原輸出電壓的基礎上增加或減少很小電壓分量△u時，輸出功率可能發生改變，測量電壓改變后的輸出功率P2，然后計算出P2－P1，得出功率差△P。當△P0時，光伏電池位于上升側，即最大功率點左側，需再升高電壓值，使功率自左向最大功率點持續逼近，維持原方向繼續擾動；當△P0時，光伏電池位于下降段，即最大功率點尺的右側，即改變擾動方向，降低工作電壓值，自右向最大功率點靠近；若△P=0，電池位于最大工作點（或附近），此時不需要改變輸出電壓[[] 馮垛生、張淼、趙慧、林珊. 《太陽能發電技術與應用》.北京：人民郵電出版社，.]。這種方法的優勢在于原理簡單，容易實現；不足之處是當光照強度改變很快時，容易造成誤判，導致工作點更加遠離最大功率點，控制無效。圖24 擾動觀察法原理圖電導增量法又被稱為導納增量法，是通過最大功率點的電壓來調節光伏電池輸出電壓的方法。根據光伏電池的功率電壓特性曲線可知在最大功率點處存在：又通過公式得：從而可得：一旦上式存在，光伏電池的輸出就會處于最大功率點。因此，根據確定電壓與電流的關系，便可確定當前狀態能否達到最大功率點，即：(1)若，位于最大功率點處，不要改變參考電壓；(2)若，位于最大功率點的左側，須要升高參考電壓；(3)若，位于最大功率點的右側，須要降低參考電壓。 DC/DC變換器DC/DC變換器，又稱直流斬波器，它的工作方式是根據改變占空比來控制輸出DC電壓的均值。該電壓的均值由可調寬度的脈沖構成，脈沖的平均值就是DC輸出電壓。在配置合適的LC濾波器把方波脈沖轉換成無紋波DC輸出，裝置中的二極管為續流二極管。根據功率開關器件的電流（電壓）的波形的形式，可以把DC/DC變換劃分為正弦型、方波型。正弦型是因為在穩態運行中，這種開關變換器功率開關器件中的電流（電壓）波形本質上是正弦波。方波型是因為在穩態運行中，這種變換器中的開關器件的電流（電壓）波形本質上是方波；DCDC變換器的按其結構分類為：圖26降壓式電路。當IGBT開關元件V導通時，二極管VD工作于截止狀態，電源E為負載供電，與此同時電感L不斷的儲存能量，這時u0=E，電感電流i0按照指數曲線升高；當V截止時，流過電感的電流i0經VD續流，u0約等于0，i0按指數曲線降低，為使i0連續且脈動變小，習慣方法是增大L值。當電流連續時，負載兩端的電壓的均值可表示成： ()α表示導通占空比，簡稱導通比或者占空比u0最大為E，α變小，u0跟著變小，叫做降壓斬波電路，又稱Buck Converter。其在PWM中是最基本、使用最方便的一種變換結構。它的優勢為電路結構簡單，動態性能好。不足之處在于：①輸入電流的脈動將造成對輸入電源的電磁干擾，因此在實際應用時常在電源與變換器之間配置一個輸入濾波電容；②穩態電壓比一直比1小，因此只能降低電壓；③開關器件發射極沒有接地，增加了驅動電路復雜程度。，當IGBT開關元件V接通時，電源E作為能量源向電感L儲存能量，電感L電流i1增加，二極管VD關斷，電容C為負載R供電，這時u0=E。當V關斷時，電感電流i1減小，放出能量，因為電感電流不可以突變，便會產生感應電動勢，感應電動勢左邊是負極右邊為正極，二極管被迫導通，并和電源一起通過二極管為負載供電，與此同時對電容C充電，這時存在u1=E－u0，根據能量守恒得： 整理得： () (25)因為，輸出電壓大于電源電壓，因此該變換器又被稱作升壓斬波電路，其又被叫做Boost變換器。由于，因此改變它便能改變u0與導通占空比的關系：于是，式(25)可整理為：圖27 升壓式電路V關斷VD導通V導通VD關斷ttiVT圖28 電路連續導電模式下的穩態波形升壓變換器在蓄電池電壓高并且光伏電池的輸出電壓低的場合應用較廣。它的優勢在于：①輸入的電流是連續的，對電源只有較小電磁干擾；②開關器件IGBT的發射極接地，簡化了驅動電路。其不足之處在于：①輸出端的二極管的電流不是