光伏LED智能控制器设计

杨雨芹

(扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

光伏LED智能控制器设计

杨雨芹

(扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

光伏发电不管是在能源利用还是环保方面，都具有传统能源不能比拟的优越性。由于目前中国正处于城镇化阶段，各地政府积极推进城乡一体化建设，道路亮化工程便是其中重要的部分。基于此背景下进行光伏LED路灯智能控制器设计，使其实现无线传输及最大功率追踪输出功能，不仅便于故障维修，同时能够最大化利用能源，这对路灯管理及环境保护方面都具有十分重要的意义。

光伏电源；LED路灯照明；最大功率点跟踪(MPPT)

引言

中国土地辽阔，大部分地区的采光率都相对充沛，这非常有利于太阳能路灯的发展。而现有的光伏LED路灯照明系统，非智能控制、维修复杂且覆盖面小，如果在路灯系统中采用直流供电，且添加充放电智能控制，使其发光率高、稳定性强和亮度可控等优点，这不仅能够摒弃常规路灯系统铺设时复杂的电线网路，同时可以减少经济开销，保护环境，使人们享受更优质的服务。

一、智能控制系统组成

(一)系统组成部分

智能控制系统包括光伏板、控制器、蓄电池和LED光源四部分。本系统控制芯片为STM32F103RET6，该芯片经济且处理能力强；光伏板选用的是非晶硅光伏板，功率20W，工作电压17.5V，工作电流1.14A；蓄电池为铅酸蓄电池，额定电压12V，充电电路为降压电路。图1是光伏LED路灯智能控制器结构框图。

光伏电池板把辐射在板上的光能转换成电能，通过智能控制器对蓄电池进行充放电，系统可以通过电子时钟程序控制蓄电池是否工作在充电状态，充电时间到，控制器就会开通开关管，使蓄电池进入充电状态。考虑到光伏LED路灯工作的特性，本系统设计时直接以光伏板是否接收到一定的光照为依据来判断是否开通LED路灯，如果外界光照强度较弱甚至没有，控制器就会命令蓄电池进入给负载供电的状态。同时为了保证蓄电池的安全充电，本系统根据蓄电池电量状态的不同设计了三段式充电，分别为快充、过充和浮充，在一般状态下蓄电池的工作状态是快充，即光伏板工作在最大功率点，当蓄电池电量充满时会自动切换到过充充电，采用恒压控制，浮充状态是一边充电一边供电，这个状态一般发生在蓄电池电量自动流失时。

本系统还设计了一个无线传输模块，可以实现智能控制器的简易故障检测功能。系统通过将检测到的路灯工作参数保存到存储器中，然后无线通信模块就可以把存储器中的路灯工作参数发送给外部移动设备或工作站，工作人员以此可以实现对LED路灯工作状态的监控与检测。无线通讯模块需外部配合使用，例如故障检测车，车身上需装载无线数据传输模块，用以接收路灯的具体工作参数。这些收到的工作参数还可以由故障检测车来具体分析，然后再将分析所得的结果发送给路灯控制器，以此来实现监控的目的。

二、智能控制系统硬件设计

首先对其最小系统电路进行设计，包括电源电路、复位电路和程序下载电路，这里不做一一介绍，然后配合电压采集模块和LED驱动电路模块进行整体设计。其中电压采集模块中的蓄电池充电电路是基于MPPT算法控制的Buck电路；蓄电池放电电路是Boost电路，本系统中直接采用台湾立锜科技公司生产的RT8480芯片实现。

(一)电压采集模块

1.Buck电路设计

功率开关管V由PWM脉宽调制信号控制导通或关闭，采样输出电压反馈到控制电路，经过MPPT最大功率点跟踪算法以此计算出PWM信号。本课题具体设计的硬件电路图如图2。

Buck变换器的参数设计：输入电压15—18V，输出电压12V，纹波为5%，输出电流为1.5A，开关频率为100 kHz，储能电感0.25mH，滤波电容0.125mF。

2.运放调理电路

自从发布军政令后，衢州城实际上成了一座兵城，原来允许每家每户只留一个人看家守院，实际上，衢州的老百姓怕死得要命，早早都卷了细软关门大吉。人一走，商贾全无，这下可苦了八十六军上万张守城官兵的嘴，入城月余，尽管米面不缺，但蔬菜、食油、肉类全无，这让人怎么活啊。刚开始，军纪还严，宪兵管束得也紧，街上少有入室盗物的，但天天吃米饭馒头，有钱也没处使，一些“宁当饱死鬼，不当饿死汉”的家伙开始撬门入室寻找食物。见长官见了也只是轻描淡写地骂两声，于是抢劫之风便从城东刮到城西。实在看不下去了，中将副军长陈颐磊便下令军法从严，法办了几起抢劫打伤老百姓的，局面才平息下来。

为了采集光伏板侧的输出电流值，首先对康铜电阻R59两端的电压进行采样，然后将UPV和UDCDC电压值分别送给运算放大器的反向输入端和同相输入端进行调理，最后送给CPU的A/D采样模块。图3是运放调理电路。

3.Boost电路

为了能让LED路灯正常工作，蓄电池的输出电压需放大到LED路灯的额定电压，才能使之正常发光。本系统设计的电路为基于RT8480集成芯片构成的恒流电源电路，能够保证稳定的恒流输出，RT8480是输出PWM信号以实现升压的控制器，一般在设计驱动外部 MOSFET 实现大电流输出的LED电路时使用，这对于恒流控制的LED来说无疑是最佳选择。

(二)功率开关管的隔离驱动电路

功率开关管电路设计要求需要达到以下几点，首先需要能够快速地上升或下降来发出触发脉冲，其次管子的开启电压应低于触发脉冲电压，最后为了避免误导通，栅极应提供低电阻放电回路。本系统设计是利用高频的隔离变压器来实现驱动电路与主电路之间的电气隔离并得到合适的驱动电压幅值。具体驱动电路硬件设计电路图如图4所示。

图中的R88、R83起限流作用，并联在电阻两端的电容C54、C53是提高脉冲信号的上升和下降速度，采用三级放大电路，第三级为推挽输出电路。为获得12V的输出电压，所以变压器的变比为1∶1，同时在负载两端并联稳压二极管，将电压钳位在12V。

三、智能控制系统软件程序设计

软件设计分为两个步骤：PSIM仿真和软件程序编写。

双闭环PI控制：

本文采用扰动观测法进行控制，双闭环PI调节可以快速有效地将被控对象稳定在设定工作点，这里需要实现的是负载端的恒流输出，采用电压外环、电流内环的双环控制方法来调节MOS管的占空比，以实现DC-DC变换目标，控制流程图如图5所示。

仿真结果输出如图6，从结果图中可以明显看出输出电流在调节一段时间后达到了稳定输出的状态。

图7是控制器MPPT算法的仿真结果，从中可以看出，光伏板达到最大功率点的时间大概是0.15s，最大功率点值约为33W，在此基础上动态平衡。

智能控制系统的软件程序主要有以下几个部分：初始化设计、A/D采样光伏电池、蓄电池和LED灯电流、电压；

蓄电池充放电处理程序设计；LED电流环程序设计；CPU驱动信号；PWM信号处理程序等。

图8是控制系统最大功率点跟踪窗口，该结果为阴天情况下的测量值，光照强度较低，所以实验测得的光伏板的最大功率约为11.8W，理论值可以达到19.5W。

结束语

本智能控制系统并没有采用光照或温度传感器来判断外在光照环境的变化，而是直接通过光伏板接收的光照强度来判断白天还是夜晚，光伏板在系统中又相当于一个传感器，这样做不仅可以缩小系统的规模，还可以降低成本，同时与普通的太阳能路灯相比，本系统还具备另外一个优势，就是可以进行无线传输数据，便于路灯的监控与维修。

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〔责任编辑：李海波〕

10.3969/j.issn.1008-6714.2017.04.041

2017-02-13

杨雨芹(1992—)，女，江苏滨海人。

G424.31

A

1008-6714(2017)04-0089-03