發(fā)布時間:2018/11/3 10:23:02 來源:本站
一般的太陽能LED照明設備,需將光伏充電控制器和LED驅動電源兩個獨立的產(chǎn)品集成,涉及產(chǎn)品選型、匹配等一系列問題。本文所設計的控制系統(tǒng),將光伏充電與LED驅動兩個功能在同一電路中實現(xiàn)。
要在同一主電路中實現(xiàn)太陽能充放電控制和恒流驅動一體化,需采用雙向直流變換器電路。雙向直流變換器電路,實現(xiàn)光伏發(fā)電與LED輸出兩者間自動切換,即在白天有光照時,雙向變換器切換為輸入模式,對太陽能電池發(fā)電進行蓄電池儲存;夜晚或無光照時,雙向變換器切換為輸出模式,蓄電池通過直流變換器放電,提供LED路燈照明電能。電路中單片機及其驅動電路控制充電和放電過程的切換,以及充電電壓和LED路燈電流大小。
本系統(tǒng)蓄電池一組充電電壓13V左右,太陽能板開路電壓達到21.5V,充電需要降壓處理,經(jīng)典的方案是采用Buck拓撲結構的DC/DC轉換電路。蓄電池放電采用Boost 的DC/DC 轉換電路,為LED驅動提供電能。本系統(tǒng)充放電與LED恒流驅動一體,電路在Buck和Boost電路的基礎上改為基本架構為Buck-Boost 雙向DC/DC變換器。
如圖1所示,本系統(tǒng)的主電路為雙向DC/DC變換電路,由一個電感和多個功率MOS 開關管、電容等組成。此電路通過MOS功率管Q4和Q1兩個開關控制Buck充電和Boost放電的切換。
2.2.1 最大功率點跟蹤充電技術
雙向DC/DC變換電路的光伏充電的工作過程為:MOS管Q2、 Q1斷開,形成Buck結構DC/DC變換電路。單片機控制Buck電路的MOS管Q4的開關 ,輸出一定的電壓或電流,對蓄電池充電。
光伏太陽能板只有在一個特定輸出電壓下,才能得到最大的光電轉換效率(即輸出功率最大)。受外部光照強度和溫度的影響,其輸出Upmax是變化的。本系統(tǒng)通過MPPT算法,在實用的精度范圍內,設置合適的太陽能板輸出電壓盡可能地保證系統(tǒng)具有最大光電轉換效率。
太陽能板在參考光照強度、環(huán)境溫度下的功率與輸出電壓的關系
在極值條件, dP/dV=0得
圖1 主電路結構
其中 DI、DV是關于太陽能板在參考光強、參考溫度環(huán)境下的參數(shù),Isc為太陽板短路電流。表達式是個超越方程,可由牛頓迭代法解出對應最大功率點的電壓 Vmax。
通過對迭代法的簡化處理,實現(xiàn)在低端單片機中可以處理的MPPT算法,由單片機控制MOS 開關管Q4 的PWM 信號占空比,調整等效Buck邊換電路的輸出電壓和輸入電壓的大小。在適當?shù)木确秶鷥,實現(xiàn)充電環(huán)節(jié)的MPPT控制。
2.2 .2 放電驅動負載
本系統(tǒng)使用采用太陽能專用膠體蓄電池,一組的工作輸出電壓DC12V ,而LED路燈負載的工作電壓范圍大多在DC36~48 V,所以系統(tǒng)蓄電池放電過程,采用Boost 變換電路進行DC電壓的變換,MOS開關管Q2接通Boost回路,蓄電池儲蓄的電能向路燈負載放電。通過單片機調整開關管Q1 的PWM信號,調節(jié)輸出電流LED電流的大小,實現(xiàn)對LED負載的恒流驅動。
考慮到本系統(tǒng)的一些關鍵控制要求,以及制造成本,控制系統(tǒng)以意法半導體公司的單片機STM8S103F3為控制核心。相對于現(xiàn)在眾多的8位單片機,STM8的性價比是很高的:一個10位連續(xù)漸近式模數(shù)轉換器(ADC1),提供多達5個多功能的輸入通道和一個內部多路復用輸入通道;16位通用定時器,帶有3個CAPCOM通道(IC、OC 或 PWM) ,可滿足本系統(tǒng)的控制功能要求。
控制設計框架如圖2所示,系統(tǒng)以STM8單片機為控制核心,外圍電路包括數(shù)據(jù)采集、PWM和I/O控制等信號的驅動電路。光照強度、溫度,蓄電池、光伏陣列和LED 負載的電壓/ 電流 等參數(shù)信息,通過相應的驅動電路轉化送入STM8 的ADC 接口,進行AD 轉換。根據(jù)程序算法,控制信號單元輸出信號,通過驅動電路控制對應的MOS開關管(含普通開關信號和PWM信號),實現(xiàn)MPPT 充電、LED恒流供電。用紅外遙控器與主機進行通信,設置所需工作參數(shù),主機人機界面顯示相應工作狀態(tài)。
此外,本系統(tǒng)通過對蓄電池電流、電壓等數(shù)據(jù)的采集控制,還具有對蓄電池過充、過放等各項保護功能。
對本文設計的系統(tǒng)進行實驗驗證。主要參數(shù):太陽能組件標稱最大功率電壓 17.5V,最大功率電流5.71A,短路電流6.31A;儲能設備采用一組膠體畜電池,充電電壓13.8V;LED負載額定功率40W,測量工作電壓31.6V,工作電流1.2A。
在系統(tǒng)對儲能電池充電這一階段,對光伏電池電壓輸出實行MPPT控制,通過半透明物體改變光照傳感器接收的光照強度,系統(tǒng)對充電電壓加以不斷調節(jié),測量系統(tǒng)PV輸出電壓值與Matlab仿真的結果接近,響應的時間也在許可范圍了,達到預期的控制效果。實驗電路中,如圖1所示,測量R5兩端電壓波形(即間接測LED負載電流變化),得到波形穩(wěn)定,上下波動在3%以內。說明控制器的很好恒流驅動作用。
圖2 系統(tǒng)整體控制設計框架
本文進行了MPPT獨立式光伏大功率LED照明電源研究,采用了經(jīng)過簡化的迭代法實現(xiàn)MPPT控制,一定程度地使充電效率得到提高。并且本系統(tǒng)把小型光伏充電系統(tǒng)與LED照明控制系統(tǒng)有效結合,節(jié)約成本,減小了設備的體積,便于推廣。
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