低功率风光互补LED控制器设计分析

低功率风光互补LED控制器设计分析

黄修力

黄修力

（广东建设职业技术学院）

摘要：本文主要根据普通的风光互补的控制器效率较低与耗电的一些缺点，以MEGA16的单片机做为控制的核心，利用最大功率的点跟踪技术，设计出一款新的风光互补的路灯控制器。先介绍了关于风光互补的控制系统，最后设计出系统硬件的电路与软件的流程，蓄电池使用的是自适应的智能控制的三段式充电的方法。结果显示，该控制器的运行稳定，比普通控制器的效率提高10%，可以小幅度地提高系统发电的效率。

关键词：低功率；风光互补；LED；控制器

1引言

缓解关于石化能源的消耗和污染环境问题有效的方法是利用可再生的能源，综合地使用和开发可再生的能源利于保护环境，推进社会可持续发展。在能源开发与利用当中，在我国主要以煤炭和石油一些化石的资源为主，在开发绿色的可再生能源方面有所欠缺。对于日益严重的污染问题和资源枯竭的问题，风能与太阳能因为储量丰富，安全且清洁无污染优势日益被人们得到关注。在目前，风能与太阳能应用的领域非常广泛，例如可在海岛或者高速公路的路灯供电，可以应用到无人区的通讯基站以及海上的航标，其效果较好，在改善关于偏远地区的居民的生活质量方面也起到非常重要的作用。在照明的领域，在离网的地区风光互补的发电系统发挥着非常重要作用，其与LED结合可发挥对于绿色能源最大的效益。本文结合了西藏昌都的太阳能路灯的项目对风光互补的系统控制器进行设计，对风能与太阳能实现最大功率的控制，并且管理与保护蓄电池，在一定的程度上来提高效率。

2风光互补的路灯的控制系统

风光互补的路灯的控制系统由太阳能的电池，风力的发电机，不可控的整流的AC/DC的模块，风光互补的控制器，蓄电池组以及直流的负载等构成。风光互补的控制器在整个控制的系统中是核心，它的工作状态和性能直接会使路灯的系统工作的效率受到影响以及各个模块的工作的寿命，特别是蓄电池工作的寿命。蓄电池工作的寿命与放电的深度，工作的电压以及温度有非常大的关系，因此对控制的策略与系统关键的参数都要有很高要求。在现在的工程施工当中，蓄电池通常是埋到地下用来维持蓄电池稳定的周围环境。按照设计的要求，系统的负载是40瓦的LED路灯。先根据负载的功率，额定的工作电压，连续的工作时间，太阳能电池的组件安装位置，气象的资料等条件来计算光伏电池和风力发电机的一些配置。光伏电池与风力发电机的配置主要的指标为风力发电机与光伏电池的总发电量要满足负载的用电量。

3光伏电池

光伏电池指将一种太阳辐射通过光电的效应直接化成电能装置。西藏的地区是我国的太阳能资源第一类地区，其全年的日照时间在3200到3300小时之间，辐射的能量为670×1044kJ/cm2到837×104kJ/cm2，等同于225到285千克标准的煤燃烧发出的热量。例如在青藏高原，它的平均海拔的高度高于4千米，大气层的薄空气很清洁，透明度也较好，纬度低，日照的时间长，太阳能的质量高，给系统功能的实现提供了很好的保证。本系统采用了发电机是300瓦的三相交流的永磁发电机，120瓦的光伏电池，采用两块12V，80Ah的蓄电池电池。

4控制策略与设计

虽然风能和太阳能绿色清洁但还是存在一些局限，风能和太阳能相比其稳定性较差，但是太阳能因为得依赖光照的条件，所以在夜间不能利用。所以，在充电的设计当中，在白天主要设计太阳能，而在夜晚则全部利用风能的资源。

蓄电池的电压可以利用控制器根据单片机的周期性来检测，由电压的情况来确定蓄电池的状态，并且设置充电的电压和最大电流的大小。根据蓄电池的参数来确定余量，充电到27.8V的时候，单片机将发出PWM的信号截止开关管，充电的回路被切断；当放电到21.6V的时候，将断开放电的回路.蓄电池的充电是采用技术成熟三阶段的充电方法，也就是MPPT的限流充电。系统放电是由软件来控制，从而简化了电路的设计。在充电的过程当中，为保证系统的安全，根据实时地检测风力的发电整流后的输出电压确定要不要开启卸荷的电路。在放电的过程当中，可通过串联对输出回路的开关管进行调节输出的电流。如果放电的电流太大，可通过采样的反馈、单片机的关断输出、保护负载、减小占空比，延时后重新开启放电的电路。

4.1系统硬件的电路设计

4.1.1主电路的设计

光伏的输入与风力发电机的输入都采用的是非隔离升压拓扑的结构，功率的开关管是由驱动芯片来进行驱动，对于单片机的PWM输出信号要在进驱动芯片之前增加放大的电路与腾柱图的电路来增加驱动的能力。控制光伏电池的最大输出的功率是由升压变换的电路来实现的，分别由功率的开关管、续流的二级管、储能的电感和滤波的电容组成。当开关管导通的时候，电感进行储能，电感的电流增加，续流的二极管截止，电容则向负载供电；当开关管截止的时候，电感上的电流减小，并释放能量。因为电感中得电流无法突变，电感将会产生感应的电动势使二极管导通。电感与电源一起经过二极管来向负载进行供电，向电容进行充电，以达到输出的电压比输入的电压大的目的.在系统中的负载等同于蓄电池，电源在太阳能中是电池板，这样可以实现对电池连续进行充电。

风力的发电机对于风光互补的系统提供另一部分的能量，风力机的发电是经过三相的整流桥，使其成为直流的电压，再进行升压，和太阳能发电当中的升压原理是一样的。因为风力得发电具有不稳定性，因此需增加卸荷的电路。

4.1.2输出电路设计

蓄电池组关于LED灯具放电通过控制开关的继电器来实现。放电电路原理图如图1所示。在图1中，当在light的端口是高电平的时候，Q9导通，K1闭合，蓄电池开始向LED的驱动芯片来供电，进而点亮了LED的负载；当在light的端口是低电平的时候，Q9关闭，K1打开，蓄电池则停止供电，这时LED的负载熄灭。

图1放电电路的原理图

4.2系统软件的设计

当今太阳能的最大功率跟踪的算法有很多种，例如恒电压的控制法，传统导纳的增量法，扰动的观测法，模糊的算法等。在本系统使用变步长的扰动方法，系统采用的是AVR系列的单片机，软件的编程环境是AVRStudioIDE.首先系统要初始化每个模块，然后再检测光伏电池与风力发电机输出的电压及电流，由此判断它的状态，来确定是否要开启卸荷的电路。要检查蓄电池的两端的电压，由此来判断它的储能的情况，然后进入到相应充电的过程来进行充电。如果蓄电池的电压比欠压点低则把放电的回路断开，马上停止对其放电；如果比过压点高则要断开充电的回路来使蓄电池得到保护。在充电的过程当中，三段式的充电方法被采用：在充电的初期，进行充电的方式是大电流的限流；随充电过程进行，则进入到均充的阶段，在此过程应用电压的闭环来控制，使蓄电池进行恒压的充电，这时充电的电流逐渐在减小；在充电的电流减小为1A的时候，则进入浮充的阶段，然后控制在变换器的输入的恒定电压。

5结束语

本文主要介绍了低功率的风光互补的LED控制器的设分析，其具有电路结构的简单，工作较稳定，且符合设计的标准，小幅度地提升效率，可应用到离网路灯的系统当中。

参考文献

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