太阳能市电智能互补LED照明系统

2016-03-11杨菲菲郭震宁

电源技术 2016年4期

关键词：市电太阳电池导通

杨菲菲，郭震宁，廖炫

(华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021)

太阳能市电智能互补LED照明系统

杨菲菲，郭震宁，廖炫

(华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021)

基于双输入Buck原理，以单片机STC12C5604AD为控制核心，通过软硬件设计搭建一个太阳能/市电联合供电系统，实现不采用储能装备的太阳能LED照明系统。通过实验验证系统可工作在太阳能单独供电，市电单独供电，太阳能和市电联合供电的三种模式。此系统适合用在昼夜需要照明的环境下。

双输入Buck；太阳能；LED照明

一般的太阳能LED照明系统由太阳电池、蓄电池、控制器、LED负载等构成，若在有市电的情况下，可利用市电与太阳电池组成双电源互补供电照明系统。在国内实现太阳能市电互补一般有两种情况[1-2]：一是太阳电池给蓄电池充电，市电和蓄电池构成互补电源供电系统，二是根据太阳电池板和市电形成一个切换式的充电系统，给蓄电池充电，最后由蓄电池给负载供电。这些系统都用到了储能装置，目前最常用的储能装置是铅酸蓄电池，但其存在体积大、质量重，寿命短、比功率低、维护量大，此外，容易造成环境污染等一些难以克服的缺点[3-5]，同时蓄电池成本占光伏系统造价的20%～25%。

在一些需要昼夜照明的环境，例如地下车库、超市、地下商场等，可以不采用储能装置，利用多输入变换器(MIC)的原理，根据太阳能LED照明系统的负载功率大小等选择双输入Buck直流变换器的电路拓扑，搭建太阳能/市电联合供电系统。本文基于双输入Buck原理[6-8]，采用单片机STC12C-5604AD作为控制芯片，通过软硬件设计，搭建太阳能/市电联合供电LED照明系统。实现太阳能单独供电，市电单独供电，太阳能/市电联合供电的三种工作模式。

1 工作原理

在太阳能光伏电池和市电组成的联合供电系统中，为了能够实现最大限度地利用太阳能能源，需要选择合适的电路拓扑图和制定合理的能量管理控制策略，高效率的控制系统的能量流动，使两个供电输入源可以协调工作，给负载提供稳定的工作电压。根据太阳能光伏电池的功率和负载的规格，采用双输入Buck变换器[4-11]作为主电路，其拓扑结构如图1所示，1#源为太阳能光伏电池，2#源为市电经AC-DC变换器的直流电源，分别为1#、2#源的输入电压和输入电流，分别为输出电流和输出电压，Q1、Q2为开关管，D1、 D2为续流二极管，为滤波电感，为滤波电容，为负载，为A、B点的电压，为输出滤波电容的寄生电阻。以下讨论中Q1、Q2开关频率是相同的。

图1 双输入Buck变换器电路

模式一：如图2(a)所示，Q1导通，Q2关断，由电源单独供电，、二极管D2、电感、电容构成导通回路，此时。

模式二：如图2(b)所示，Q1关断，Q2导通，由电源单独供电，、二极管D1、电感、电容构成导通回路，此时。

模式三：如图2(c)所示，Q1导通，Q2导通，由和两电源共同供电，、电感、电容构成导通回路，此时。

模式四：如图2(d)所示，Q1关断，Q2关断，二极管D1、D2、电感、电容构成导通回路，电感续流。

图2 双输入Buck电路四种工作模式

两个输入源的电流分别为：输出电压：

利用式(3)维持输出电压稳定，当太阳电池足够供电给负载的时候，控制太阳电池端的开关管，当太阳能输出功率较小不足以供电给负载时，此时输出电压被拉低，太阳能端的开关管一直导通，控制市电端的开关管，补偿不足的功率，当太阳能几乎无输出功率的时候，停止太阳电池供电，市电单独供电。

2 系统结构

根据双输入Buck原理搭建的太阳能/市电联合供电的LED照明系统结构如图3所示，220 V交流市电经整流、滤波得到直流电，再经过Buck直流变换器得所需直流电，太阳能和市电通过双输入Buck电路构成联合供电电源。由于双输入Buck电路是个功率级电路，若电源的输入功率小于负载所需功率时，将会导致输出电压的降低，利用这个输入对输出的影响关系来完成切换方式。双输入Buck的输出电压在模式切换时会出现一定的波动，为了不影响LED灯具的正常工作，根据LED灯具的发光特点，在双输入Buck电路和LED灯具之间添加了LED恒流驱动芯片，以此保证LED灯具可正常稳定工作。

根据太阳能输出的功率变化，系统有三种工作模式[9-11]，如图4所示。

图3 系统结构

图4 系统三种工作模式下的能量流动

模式一：光照充足情况下，太阳能输出功率略大于负载，变换器工作在稳压状态，由太阳能光伏电池单独供电。

模式二：光照稍弱情况下，太阳能光伏电池输出功率不足以供电给负载，但却仍可正常工作，此时市电供电，提供不足功率，太阳能端的开关一直保持导通状态，此时和市电串联成一个总输入源，整个电路构成一个Buck电路，此时太阳电池和市电一起提供负载所需功率。

模式三：光照弱的情况下，如晚上，太阳能功率控制器直接关断开关管，太阳电池停止工作，市电单独工作，提供负载所需功率。

3 系统设计

3.1 主电路

3.1.1 LED驱动电路

根据RT8480恒流驱动芯片以及太阳电池容量、负载功率等参数对电路各个部分进行设计。本系统的LED负载功率为20 W，太阳电池的最大输出功率为30 W，最大输出电压为18 V，直流源电压为24 V，开关频率为20 kHz。

LED属于电流控制型半导体器件，其亮度与正向电流成正比，因此选择PWM控制的恒流驱动芯片RT8480搭建LED驱动电路，RT8480是一款恒频的电流模式控制的升压驱动芯片，利用PWM驱动外部功率管MOSFET，其输入电压范围3.6～36 V，输出电流可根据需要自行设置；工作频率最高可达800 kHz，具有欠压、过压以及过温保护等保护功能。根据系统设定的参数以及厂家提供的芯片手册可计算RT8480外围器件参数，如图5所示。

图5 LED驱动电路

3.1.2 MOS管驱动电路

本系统选择PMOS作为开关元件，为使MOS管实现快速开、断功能，需要一个驱动能力强的驱动电路，选择甲乙类互补对称功率放大电路作为驱动电路，如图6所示，当输入信号为高电平时，三极管S9013导通，NPN管2N5551导通，使MOS管的VGS大于一定的电压阈值，此时MOS管导通；若输入为低电平，三极管S9013截止，此时PNP管2N5400导通，形成一个MOS管的泄荷电路，加快开关管的关断。

图6 MOS管驱动电路

3.1.3 采样电路

本系统总共要采集三个电压参数：太阳能的电压；市电端的电压；输出电压。根据电路拓扑图可知市电端的电压和输出电压均是共地的，因此可以采集共地的电压，利用分压电阻的方法进行电压信号采集，而太阳能端的电压是非共地电压，而非共地电压信号的采集方式利用运算放大器搭建差分电路，利用霍尔电压传感器等，考虑到运放的调试难度，因此本系统中利用霍尔电压传感器检测采集太阳能的电压信号。

3.2 软件设计

本系统选择STC12C5604AD作为控制芯片，选择两路I/O口作为PWM输出，控制两个MOS管。通过判断是白天或是黑夜，太阳能的输出电压低于设定的电压值时，判断为黑夜，如果是黑夜的时候，此时单片机输出低电平，关断太阳能端的MOS管，根据设计好的占空比计算方法，输出相对应的PWM信号，控制市电端的MOS管开断，市电单独供电给LED负载，若太阳能的输出电压高于设定的电压值的时候，判断为白天，此时则需要通过迟滞比较器的原理进行软件设计，当检测到的输出电压大于设定的输出电压上限值的时候，证明太阳能的输出功率大于负载功率，可以单独供电给负载，此时根据软件设计的占空比计算方法，单片机输出对应的PWM信号，控制太阳能端的MOS管开断，单片机另一个输出口输出的是低电平信号，市电端的MOS管关断，若检测到的输出电压低于设定的输出电压下限值的时候，太阳能的输出功率小于负载功率，不能单独供电给负载，需要市电与太阳能联合供电给负载，根据软件设计的算法得出两个管子的占空比，单片机输出高电平，太阳能端的MOS管一直导通，此时太阳能和市电串联供电，形成一个Buck电路，单片机输出相对应的占空比，控制市电端的MOS管开断，输出电压稳定在一个数值，太阳能和市电联合供电给负载。控制流程图如图7所示。

图7 程序流程图

图8 太阳能单独供电

4 实验验证

Intelligent complement of solar energy and electricity for LED lighting system

Based on the principle of double-input Buck converter， STC12C5604AD microcontroller was used as control core， and a solar/grid power supply system was built through hardware and software design， building the solar LED lighting systems without energy storage equipment.The experiment results show that the system can achieve the three modes that solar power alone， grid power alone and solar/grid power supply.The system is suitable for being use in day and night lighting environment.

double-input Buck converter;solar energy;LED lighting system

TM 91

1002-087 X(2016)04-0854-03