低功率风光互补LED控制器设计

付贤松，舒志勇，牛萍娟

（1.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387；4.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387）

低功率风光互补LED控制器设计

付贤松1，3，4，舒志勇2，3，牛萍娟1，3，4

（1.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；2.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387；4.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387）

针对普通风光互补控制器效率低下和耗电等缺点，以MEGA16单片机为控制核心，采用最大功率点跟踪（MPPT）技术，设计了一款新型的风光互补路灯控制器.首先介绍了风光互补控制系统，然后设计了系统的硬件电路和软件流程，对蓄电池采用自适应智能控制三段式充电方法.实验结果表明：该控制器运行稳定，较普通控制器效率提升了11%，能小幅提高系统的发电效率.

低功率；风光互补；三段式充电；LED；控制器

可再生能源是缓解石化能源消耗与环境污染问题的有效方法，综合利用与开发可再生能源有利于保护环境，保障社会的可持续发展.在能源的开发和利用过程中，我国以煤炭、石油等化石资源为主，对绿色可再生能源的开发利用率不高.面对日益严重的污染与资源枯竭问题，太阳能和风能以其优储量丰富、安全、清洁无污染的优势，日益为人们所关注[1].目前应用领域广泛，可以为海岛、高速公路路灯供电、应用于无人区通讯基站和海上航标，效果良好[2]，对改善偏远地区居民生活质量也起到重要作用.在照明领域内，风光互补发电系统在离网地区发挥着重要作用.结合LED，可以发挥绿色能源的最大效益[3-4].本文将结合西藏昌都太阳能路灯项目来设计风光互补系统控制器，实现对风能和太阳能的最大功率控制，同时管理和保护蓄电池，并在一定程度上提高效率.

1 风光互补路灯控制系统

风光互补路灯控制系统主要构成为：太阳能电池、风力发电机、不可控整流AC/DC模块、风光互补控制器、蓄电池组、直流负载等组成[3].风光互补系统框图如图1所示.

图1 风光互补系统框图Fig.1 Solar and wind hybrid system

图1中的控制器是整个控制系统的核心，其工作状态与性能会直接影响路灯系统的工作效率及各模块工作寿命，尤其是蓄电池的寿命.蓄电池的寿命和放电深度、工作电压状态及温度有很大关系，这就对控制策略和系统关键参数采样精度有很高的要求.目前工程施工中，蓄电池一般埋于地下以维持蓄电池周围环境的相对稳定.

根据设计要求，系统负载为40 W LED路灯.首先，依据负载功率、额定工作电压、连续工作时间以及太阳能电池组件安装的地理位置（经、纬度）、气象资料（太阳辐射总量、平均日照数、最长连续阴雨天数）等条件，计算出光伏电池与风力发电机的配置.光伏电池和风力发电机配置的主要指标是风力发电机和光伏电池总发电量满足负载用电量.

1.1 蓄电池容量

根据计算公式：

式中：A为安全系数，取1.1～1.4；QL为负载日耗电量（Ah），取值一般为负载工作电流乘以日工作小时数N；NL为最长连续阴雨天天数；TO为温度修正系数，一般0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，铅酸蓄电池放电深度一般取0.75.

本系统设计中取A=1.4，QL=4.2 Ah，NL取2，TO为1，CC取0.75，计算得到BC=15 Ah.再取天数为5，可得到总的容量为75 Ah.

1.2 风力发电机

根据风能公式[5-7]：

式中：E为风能；Pw为额定功率；α为平均风速；β为风机设计风速；N为有风时间.

根据实际情况电池一般夜晚放电8～12 h，负载功率为40 W，则平均消耗电能为400 Wh.这里取α=4 m/s，β=8 m/s，N=18 h，这样计算输出近似为180 W.

1.3 光伏电池

光伏电池是一种将太阳辐射能通过光电效应直接转换成电能的装置[8-10].西藏地区位于我国太阳能资源一类地区，全年日照时数在3 200～3 300 h之间，辐射量为670×104～837×104kJ/cm2，相当225～285 kg标准煤燃烧所发出的热量.以青藏高原为例，其平均海拔高度在4 000 m以上，大气层薄空气清洁、透明度好、纬度低、日照时间长、太阳能质量高，为系统功能实现提供了保证.

本系统中采用的发电机为300 W三相交流永磁发电机，光伏电池120 W，蓄电池采用12 V、80 Ah电池2块.风机和光伏电池参数如表1所示，蓄电池的参数如表2所示.

表1 风机与光伏电池规格表Tab.1 Wind generator and PV panels specification

表2 蓄电池规格表Tab.2 Battery specification

2 控制策略与设计

太阳能和风能虽然绿色清洁但存在一定的局限性，与太阳能相比，风能稳定性差，而太阳能依赖光照条件，夜间无法利用.因此，在充电设计中，白天以太阳能为主，风能为辅；夜晚利用风能资源.

控制器利用单片机周期性地检测蓄电池电压，根据电压判断蓄电池所处状态，并设置其充电电压及最大电流大小.依据蓄电池参数，考虑余量，当充电达到28.8 V时，单片机发出PWM信号使开关管截止，切断充电回路；放电达到21.6 V时，断开放电回路.蓄电池充电方法采用技术成熟的三阶段充电法，即MPPT[11]限流充电即最大功率点输出限流充电、恒压充电、浮充充电[12-13].系统的放电由软件控制，以简化电路设计.

充电过程中，为了保证系统安全，实时检测风力发电整流后输出电压来确定是否开启卸荷电路.放电过程中，通过串联在输出回路的开关管调节输出电流.若放电电流过大，通过采样反馈，单片机关断输出，保护负载，减小占空比，延时之后再次开启放电电路.

2.1 系统硬件电路设计

2.1.1 主电路设计

光伏输入和风力发电机输入均采用非隔离的升压拓扑结构，功率开关管IRF3205由驱动芯片IR2118进行驱动，单片机输出的PWM信号在进入IR2118之前需要增加放大电路和腾柱图电路以增加驱动能力.光伏发电系统电路图如图2所示.

图2 光伏输出电路Fig.2 PV output circuit

图2中，光伏电池最大输出功率控制是由升压式（Boost）变换电路实现的[14]，由功率开关管T5、续流二级管D10、储能电感L2和滤波电容C9、C10、C11组成.当开关管T5导通时，电感L2储能，电感电流增加，续流二极管D10截止，电容向负载供电；当开关管T5截止时，电感上电流减小，释放出能量.由于电感中电流不能突变，电感将产生感应电动势，使二极管D10导通.电感和电源一起经二极管向负载供电，向电容充电，达到输出电压大于输入电压的目的.系统中负载相当于蓄电池，电源是太阳能电池板，这样实现了对电池的连续充电.

风力发电机是风光互补系统供能的另一部分，风力发电系统输出如图3所示.

图3 发电机输出电路Fig.3 Output circuit of generator

图3中，风力机发电经过三相整流桥，成为直流电压，然后再升压，与太阳能发电中DC/DC升压原理一样.由于风力发电的不稳定性，需要增加卸荷电路.图中T1和R1组成卸荷电路，当直流侧电压超过28.8 V时，T1导通，启动卸荷装置，将发出的多余能量消耗在R1上，当直流侧电压低于28.8 V时，关闭Q2，卸荷装置停止工作，卸荷电路可以有效地防止损坏设备，提高系统的可靠性.

2.1.2 输出电路设计

蓄电池组对LED灯具的放电是通过控制开关继电器来实现的.放电电路原理图如图4所示.

图4 放电电路原理图Fig.4 Output circuit

图4中，当light端口为高电平时，Q9导通，K1闭合，蓄电池向LED驱动芯片供电，点亮LED负载；当light端口为低电平时，Q9关闭，K1打开，蓄电池停止供电，LED负载熄灭.

2.1.3 电流与电压采样

为了保证采样的精度，电流采样使用直流电压霍尔器件，将输入的电流信号转化为输出的电压信号.电流采样原理图如图5所示.

图5 电流采样原理图Fig.5 Current sensing circuit

图5中，采样芯片ACS712是Allegro公司的一种霍尔线性电流传感器，能检测出与交流或直流电流成比例的电压.在引脚6外接一个滤波电容，可以降低输出噪音，改善电流精度.芯片的输出响应时间短，磁滞极小，Vcc=5 V，最大输出电压为5 V，输出电流在10 mA，所以输出的电压信号直接送到单片机的AD转换端口实现电流检测.

系统的风机整流输出电压、太阳能电池板输出电压、蓄电池电压均大于单片机AD转换端口电压，因此采用电阻分压的方法进行电压采集.图中的接地电容C8进行高频滤波，电解电容C7进行低频滤波.采样电路原理图如图6所示.

图6 电压采样原理图Fig.6 Voltage sensing circuit

图6中，采样点电压过滤掉干扰信号后，经R2和R3分压后送到单片机的AD采样引脚，为了保护AD端口，增加二极管D16.

2.1.4 功率开关管驱动电路

在光伏与风力发电机功率控制电路中，选用IR2118芯片.IR2118芯片具有抗干扰能力强、可靠性高、结构简单以及价格便宜等特点.基于IR2118的驱动电路如图7所示.

图7 基于IR2118的功率开关管驱动电路Fig.7 Drive circuit of power MOSFET based on IR2118

图7中PWM信号经过放大电路后，通过芯片IR2118对IRF3205进行驱动.为防止驱动信号输入电流太小，IR2118前级输入可以使用图腾柱式扩流电路.改进电路如图8所示，此电路可有效改善驱动电流，增强驱动能力.

图8 改进的信号调整电路Fig.8 Updated Signal adjusting circuit

2.2 系统软件设计

目前，太阳能最大功率跟踪算法有多种，如恒电压控制法[15]、传统导纳增量法[16]、扰动观测法[17]、模糊算法等.本系统使用的变步长扰动方法.

系统采用AVR系列的ATmega16单片机，软件编程环境为AVR Studio IDE.系统首先初始化各个模块，然后检测光伏电池和风力发电机的输出电压和电流，判断其状态，确定是否需要开启卸荷电路.检测蓄电池两端电压，判断其储能状态，根据状态进入相应的充电过程开始充电.若蓄电池电压低于欠压点则断开放电回路，立刻停止放电；若高于过压点则断开充电回路以保护蓄电池.在充电过程中，采用三段式充电：在充电初期，采用大电流限流充电；随着充电过程的进行，进入均充阶段，应用电压闭环控制，让蓄电池恒压充电，充电电流逐渐减小；当充电电流减小到1 A时，进入浮充阶段，控制变换器输入恒定电压.充电流程图如图9所示.

图9 充电流程图Fig.9 Charging flow chart

3 测试结果

为了验证本设计控制器优势，将其与市场上某不含MPPT功能产品进行比较测试.

自然环境中，风力发电机的输出直接受到风速的影响.测试中，在相同的风速下分别测试有本设计控制器的风力发电机与某产品的功率，进行对比得出结论.测试过程中，模拟了不同的风速环境，记录了2.5～9.5 m/s的风速范围下的风力机输出电压、电流，通过计算得到输出功率.风力发电机输出功率曲线如图10.

图10 风力发电机输出功率曲线图Fig.10 Output power curve of wind generator

从图10可以看出，随着风速的不断提高，本设计控制方案的风力发电机输出功率数值和某产品相比有小幅提升.

光伏电池的最大输出功率和外界的温度、光照强度及光照角度都有很大关系.测试中，选取了某个晴天作为实验样本，记录了某一段时间的光伏发电系统的输出功率.这里将多个数值取平均值的方法作为某一时间的测量值.实验数据拟合曲线如图11所示.

图11 光伏电池输出功率曲线图Fig.11 Output power curve of PV

从图11可以看出光伏电池在一天时间中功率的变化，中午阳光最强，辐照度值最大，所以光生电流变大，光伏电池的输出效率变大；傍晚，辐照值减弱，光伏电池效率随之减弱.

测试结果表明，本设计较不含MPPT功能产品效率有小幅度提升，约为11%，基本达到设计目的.

4 结束语

本文设计的低功率风光互补控制器具有电路结构简单、工作稳定，符合设计标准，效率有小幅度提升，提升约11%，可应用于离网路灯系统.

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Design of a low power solar-wind hybrid LED controller

FU Xian-song1，3，4，SHU Zhi-yong2，3，NIU Ping-juan1，3，4
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；4.Tianjin Municipal Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Due to low efficiency and high loss of the common controller of wind-solar hybrid power system，a new controller for the wind-solar hybrid streetlights was proposed.The controller use MEGA16 made by Atmel as the microprocessor，with the maximum power point tracking（MPPT）technology.The structure and configuration of wind-solar hybrid power system are introduced，the circuit and flow chart are also designed，the intelligent control of the three-stage battery charging is adapted.It is shown that the controller of the lighting system has good stability advantages，improves the efficiency of the system by 11% compared with the common controller，thus it has extensive application prospects.

low power；solar-wind hybrid；three-stage charging；LED；controller

TM923

A

1671－024X（2015）03－0052－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.03.012

2014-11-17

科技型中小企业技术创新资金资助项目（13ZXCXGX31700）

付贤松（1976—），男，博士，副教授，研究方向为数模混合集成电路设计，专用集成电路设计与集成系统和LED驱动电源. E-mail：fuxians@163.com