光伏LED智能控制器設(shè)計

楊雨芹

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

光伏LED智能控制器設(shè)計

楊雨芹

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

光伏發(fā)電不管是在能源利用還是環(huán)保方面，都具有傳統(tǒng)能源不能比擬的優(yōu)越性。由于目前中國正處于城鎮(zhèn)化階段，各地政府積極推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)，道路亮化工程便是其中重要的部分?；诖吮尘跋逻M(jìn)行光伏LED路燈智能控制器設(shè)計，使其實(shí)現(xiàn)無線傳輸及最大功率追蹤輸出功能，不僅便于故障維修，同時能夠最大化利用能源，這對路燈管理及環(huán)境保護(hù)方面都具有十分重要的意義。

光伏電源；LED路燈照明；最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)

引言

中國土地遼闊，大部分地區(qū)的采光率都相對充沛，這非常有利于太陽能路燈的發(fā)展。而現(xiàn)有的光伏LED路燈照明系統(tǒng)，非智能控制、維修復(fù)雜且覆蓋面小，如果在路燈系統(tǒng)中采用直流供電，且添加充放電智能控制，使其發(fā)光率高、穩(wěn)定性強(qiáng)和亮度可控等優(yōu)點(diǎn)，這不僅能夠摒棄常規(guī)路燈系統(tǒng)鋪設(shè)時復(fù)雜的電線網(wǎng)路，同時可以減少經(jīng)濟(jì)開銷，保護(hù)環(huán)境，使人們享受更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

一、智能控制系統(tǒng)組成

(一)系統(tǒng)組成部分

智能控制系統(tǒng)包括光伏板、控制器、蓄電池和LED光源四部分。本系統(tǒng)控制芯片為STM32F103RET6，該芯片經(jīng)濟(jì)且處理能力強(qiáng)；光伏板選用的是非晶硅光伏板，功率20W，工作電壓17.5V，工作電流1.14A；蓄電池為鉛酸蓄電池，額定電壓12V，充電電路為降壓電路。圖1是光伏LED路燈智能控制器結(jié)構(gòu)框圖。

光伏電池板把輻射在板上的光能轉(zhuǎn)換成電能，通過智能控制器對蓄電池進(jìn)行充放電，系統(tǒng)可以通過電子時鐘程序控制蓄電池是否工作在充電狀態(tài)，充電時間到，控制器就會開通開關(guān)管，使蓄電池進(jìn)入充電狀態(tài)。考慮到光伏LED路燈工作的特性，本系統(tǒng)設(shè)計時直接以光伏板是否接收到一定的光照為依據(jù)來判斷是否開通LED路燈，如果外界光照強(qiáng)度較弱甚至沒有，控制器就會命令蓄電池進(jìn)入給負(fù)載供電的狀態(tài)。同時為了保證蓄電池的安全充電，本系統(tǒng)根據(jù)蓄電池電量狀態(tài)的不同設(shè)計了三段式充電，分別為快充、過充和浮充，在一般狀態(tài)下蓄電池的工作狀態(tài)是快充，即光伏板工作在最大功率點(diǎn)，當(dāng)蓄電池電量充滿時會自動切換到過充充電，采用恒壓控制，浮充狀態(tài)是一邊充電一邊供電，這個狀態(tài)一般發(fā)生在蓄電池電量自動流失時。

本系統(tǒng)還設(shè)計了一個無線傳輸模塊，可以實(shí)現(xiàn)智能控制器的簡易故障檢測功能。系統(tǒng)通過將檢測到的路燈工作參數(shù)保存到存儲器中，然后無線通信模塊就可以把存儲器中的路燈工作參數(shù)發(fā)送給外部移動設(shè)備或工作站，工作人員以此可以實(shí)現(xiàn)對LED路燈工作狀態(tài)的監(jiān)控與檢測。無線通訊模塊需外部配合使用，例如故障檢測車，車身上需裝載無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，用以接收路燈的具體工作參數(shù)。這些收到的工作參數(shù)還可以由故障檢測車來具體分析，然后再將分析所得的結(jié)果發(fā)送給路燈控制器，以此來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的目的。

二、智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

首先對其最小系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計，包括電源電路、復(fù)位電路和程序下載電路，這里不做一一介紹，然后配合電壓采集模塊和LED驅(qū)動電路模塊進(jìn)行整體設(shè)計。其中電壓采集模塊中的蓄電池充電電路是基于MPPT算法控制的Buck電路；蓄電池放電電路是Boost電路，本系統(tǒng)中直接采用臺灣立锜科技公司生產(chǎn)的RT8480芯片實(shí)現(xiàn)。

(一)電壓采集模塊

1.Buck電路設(shè)計

功率開關(guān)管V由PWM脈寬調(diào)制信號控制導(dǎo)通或關(guān)閉，采樣輸出電壓反饋到控制電路，經(jīng)過MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤算法以此計算出PWM信號。本課題具體設(shè)計的硬件電路圖如圖2。

Buck變換器的參數(shù)設(shè)計：輸入電壓15—18V，輸出電壓12V，紋波為5%，輸出電流為1.5A，開關(guān)頻率為100 kHz，儲能電感0.25mH，濾波電容0.125mF。

2.運(yùn)放調(diào)理電路

自從發(fā)布軍政令后，衢州城實(shí)際上成了一座兵城，原來允許每家每戶只留一個人看家守院，實(shí)際上，衢州的老百姓怕死得要命，早早都卷了細(xì)軟關(guān)門大吉。人一走，商賈全無，這下可苦了八十六軍上萬張守城官兵的嘴，入城月余，盡管米面不缺，但蔬菜、食油、肉類全無，這讓人怎么活啊。剛開始，軍紀(jì)還嚴(yán)，憲兵管束得也緊，街上少有入室盜物的，但天天吃米飯饅頭，有錢也沒處使，一些“寧當(dāng)飽死鬼，不當(dāng)餓死漢”的家伙開始撬門入室尋找食物。見長官見了也只是輕描淡寫地罵兩聲，于是搶劫之風(fēng)便從城東刮到城西。實(shí)在看不下去了，中將副軍長陳頤磊便下令軍法從嚴(yán)，法辦了幾起搶劫打傷老百姓的，局面才平息下來。

為了采集光伏板側(cè)的輸出電流值，首先對康銅電阻R59兩端的電壓進(jìn)行采樣，然后將UPV和UDCDC電壓值分別送給運(yùn)算放大器的反向輸入端和同相輸入端進(jìn)行調(diào)理，最后送給CPU的A/D采樣模塊。圖3是運(yùn)放調(diào)理電路。

3.Boost電路

為了能讓LED路燈正常工作，蓄電池的輸出電壓需放大到LED路燈的額定電壓，才能使之正常發(fā)光。本系統(tǒng)設(shè)計的電路為基于RT8480集成芯片構(gòu)成的恒流電源電路，能夠保證穩(wěn)定的恒流輸出，RT8480是輸出PWM信號以實(shí)現(xiàn)升壓的控制器，一般在設(shè)計驅(qū)動外部 MOSFET 實(shí)現(xiàn)大電流輸出的LED電路時使用，這對于恒流控制的LED來說無疑是最佳選擇。

(二)功率開關(guān)管的隔離驅(qū)動電路

功率開關(guān)管電路設(shè)計要求需要達(dá)到以下幾點(diǎn)，首先需要能夠快速地上升或下降來發(fā)出觸發(fā)脈沖，其次管子的開啟電壓應(yīng)低于觸發(fā)脈沖電壓，最后為了避免誤導(dǎo)通，柵極應(yīng)提供低電阻放電回路。本系統(tǒng)設(shè)計是利用高頻的隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路與主電路之間的電氣隔離并得到合適的驅(qū)動電壓幅值。具體驅(qū)動電路硬件設(shè)計電路圖如圖4所示。

圖中的R88、R83起限流作用，并聯(lián)在電阻兩端的電容C54、C53是提高脈沖信號的上升和下降速度，采用三級放大電路，第三級為推挽輸出電路。為獲得12V的輸出電壓，所以變壓器的變比為1∶1，同時在負(fù)載兩端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，將電壓鉗位在12V。

三、智能控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

軟件設(shè)計分為兩個步驟：PSIM仿真和軟件程序編寫。

雙閉環(huán)PI控制：

本文采用擾動觀測法進(jìn)行控制，雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)可以快速有效地將被控對象穩(wěn)定在設(shè)定工作點(diǎn)，這里需要實(shí)現(xiàn)的是負(fù)載端的恒流輸出，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法來調(diào)節(jié)MOS管的占空比，以實(shí)現(xiàn)DC-DC變換目標(biāo)，控制流程圖如圖5所示。

仿真結(jié)果輸出如圖6，從結(jié)果圖中可以明顯看出輸出電流在調(diào)節(jié)一段時間后達(dá)到了穩(wěn)定輸出的狀態(tài)。

圖7是控制器MPPT算法的仿真結(jié)果，從中可以看出，光伏板達(dá)到最大功率點(diǎn)的時間大概是0.15s，最大功率點(diǎn)值約為33W，在此基礎(chǔ)上動態(tài)平衡。

智能控制系統(tǒng)的軟件程序主要有以下幾個部分：初始化設(shè)計、A/D采樣光伏電池、蓄電池和LED燈電流、電壓；

蓄電池充放電處理程序設(shè)計；LED電流環(huán)程序設(shè)計；CPU驅(qū)動信號；PWM信號處理程序等。

圖8是控制系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤窗口，該結(jié)果為陰天情況下的測量值，光照強(qiáng)度較低，所以實(shí)驗(yàn)測得的光伏板的最大功率約為11.8W，理論值可以達(dá)到19.5W。

結(jié)束語

本智能控制系統(tǒng)并沒有采用光照或溫度傳感器來判斷外在光照環(huán)境的變化，而是直接通過光伏板接收的光照強(qiáng)度來判斷白天還是夜晚，光伏板在系統(tǒng)中又相當(dāng)于一個傳感器，這樣做不僅可以縮小系統(tǒng)的規(guī)模，還可以降低成本，同時與普通的太陽能路燈相比，本系統(tǒng)還具備另外一個優(yōu)勢，就是可以進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)，便于路燈的監(jiān)控與維修。

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〔責(zé)任編輯：李海波〕

10.3969/j.issn.1008-6714.2017.04.041

2017-02-13

楊雨芹(1992—)，女，江蘇濱海人。

G424.31

A

1008-6714(2017)04-0089-03