基于A(yíng)tmega16的智能太陽(yáng)能充電器設計

光伏系統電流的變化是隨著(zhù)外界環(huán)境變化而變化的，要想實(shí)現光伏系統的最大功率跟蹤，一般可以通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)完成：第一步是采用合適的搜索算法，找到光伏系統的最大功率點(diǎn)；第二步是通過(guò)控制手段，使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)。該控制系統的總體程序流程圖如圖2 所示。光伏發(fā)電擾動(dòng)觀(guān)察法是最常用的MPPT 控制方法之一，其原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少光伏陣列輸出電壓，并觀(guān)測之后其輸出功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號。這種控制算法一般采用功率反饋方式，通過(guò)兩個(gè)傳感器對光伏陣列輸出電壓及電流分別進(jìn)行采樣，并計算獲得其輸出功率。該方法雖然算法簡(jiǎn)單，且易于硬件實(shí)現，但是響應速度較慢，只適用于那些日照強度變化比較緩慢的場(chǎng)合。而且穩態(tài)情況下，這種算法會(huì )導致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩，因此會(huì )造成一定的功率損失，而日照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì )失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。針對這種算法在實(shí)際應用中遇到的情況，根據本系統實(shí)際提出了一種實(shí)用的改進(jìn)算法。在本獨立光伏路燈系統中，是要對蓄電池進(jìn)行充電，需要考慮實(shí)現最大功跟蹤的同時(shí)，還要兼顧最大限度的延長(cháng)蓄電池的壽命，具體采用了不同的蓄電池充電策略，可以在程序流程圖中看出。

本文提出一種改進(jìn)的最大功率跟蹤方法，首先根據蓄電池的當前狀態(tài)來(lái)判斷需不需要充電，然后根據電路前級檢測到的光伏電池發(fā)電的電壓和電流大小來(lái)決定最大功率點(diǎn)的設定，將光伏發(fā)電強度分為兩種工作方式，對特定的電池板取一特定的參數。在光伏發(fā)電輸出調理電路的前級和后級的參數檢測過(guò)程中，每隔一定的時(shí)間連續采集10 個(gè)相鄰的電壓、電流信號（ATmega16 有自帶的A/D 轉換器，設置的采樣率為200 Hz），去掉最大和最小的數據后，進(jìn)行均值濾波，并同時(shí)得到此時(shí)的電壓和電流的大小，在整個(gè)控制采集數據的過(guò)程中，為了有效地消除隨機干擾，我們在程序中設定一個(gè)幅度比例系數，即每?jì)蓚€(gè)信號的幅度采集值要有一定的比例關(guān)系，若超過(guò)這個(gè)比例，則認為是干擾信號，便進(jìn)行這個(gè)數據的重新采樣，連續超過(guò)三次采樣數據都是干擾信號時(shí)，系統則自動(dòng)取消這一次測量。對于采集到的有效數據，經(jīng)過(guò)了均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，要得到更好的點(diǎn)參數數據，我們把采集到的數據進(jìn)行LMS(即自適應最小均方濾波器)濾波，該濾波器的應用較簡(jiǎn)單，它是最陡下降梯度算法，用梯度的瞬時(shí)值迭代，從而使均方誤差最小化，用這種方法處理的數據效果非常好，對弱信號處理中有很好的應用前景，通過(guò)試驗，我們選定濾波器階數為三階，收斂因子μ（步長(cháng)）為0.001，權矢量W 初始化為：W=[0,0,0]T，其遞推公式為：

式中：x (k) 為觀(guān)測樣本；X (k－1)為過(guò)去的觀(guān)測樣本矢量；WT(k－1)X(k－1)表示基于過(guò)去的觀(guān)測樣本而預測的現在的信號，這里選擇預測誤差e（k）=x (k)－WT(k－1)X(k－1)作為調節權重的參數，可以證明，預測誤差最小等價(jià)于恢復誤差最小。通過(guò)LMS 濾波器后，我們可以得到比較理想的數據，為實(shí)時(shí)準確提取出最大功率所需要的參數提供了條件，也找到了參數的特征，有助于進(jìn)一步的數據提取。當然還有其他的提取參數的方法，諸如頻域濾波，FFT 變換，小波變換等等，本系統采用該方法以后，數據采集的準確度有了很大的提高，可以對于弱信號參數的情況也能實(shí)時(shí)找到最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現了對太陽(yáng)能的最優(yōu)利用和蓄電池的科學(xué)管理。

4 結束語(yǔ)

美國英特梅爾(ATMEL)公司推出的ATmega16 系列單片機具有低功耗、實(shí)時(shí)處理能力強、運行速度快等優(yōu)點(diǎn)，性?xún)r(jià)比高，正日益得到廣泛的應用，尤其在自動(dòng)信號采集系統、便攜式設備、長(cháng)時(shí)間工作裝置中，體現了它的特點(diǎn)，本文所述的智能太陽(yáng)能充電控制系統充分利用了ATmega16 系列單片機所提供的各種集成模塊，合理分配片上資源，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設計，從而提升了整個(gè)控制系統的性能。