付賢松，舒志勇，牛萍娟

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

低功率風(fēng)光互補(bǔ)LED控制器設(shè)計(jì)

付賢松1，3，4，舒志勇2，3，牛萍娟1，3，4

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

針對(duì)普通風(fēng)光互補(bǔ)控制器效率低下和耗電等缺點(diǎn)，以MEGA16單片機(jī)為控制核心，采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款新型的風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器.首先介紹了風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程，對(duì)蓄電池采用自適應(yīng)智能控制三段式充電方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制器運(yùn)行穩(wěn)定，較普通控制器效率提升了11%，能小幅提高系統(tǒng)的發(fā)電效率.

低功率；風(fēng)光互補(bǔ)；三段式充電；LED；控制器

可再生能源是緩解石化能源消耗與環(huán)境污染問題的有效方法，綜合利用與開發(fā)可再生能源有利于保護(hù)環(huán)境，保障社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展.在能源的開發(fā)和利用過程中，我國(guó)以煤炭、石油等化石資源為主，對(duì)綠色可再生能源的開發(fā)利用率不高.面對(duì)日益嚴(yán)重的污染與資源枯竭問題，太陽能和風(fēng)能以其優(yōu)儲(chǔ)量豐富、安全、清潔無污染的優(yōu)勢(shì)，日益為人們所關(guān)注[1].目前應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可以為海島、高速公路路燈供電、應(yīng)用于無人區(qū)通訊基站和海上航標(biāo)，效果良好[2]，對(duì)改善偏遠(yuǎn)地區(qū)居民生活質(zhì)量也起到重要作用.在照明領(lǐng)域內(nèi)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在離網(wǎng)地區(qū)發(fā)揮著重要作用.結(jié)合LED，可以發(fā)揮綠色能源的最大效益[3-4].本文將結(jié)合西藏昌都太陽能路燈項(xiàng)目來設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能和太陽能的最大功率控制，同時(shí)管理和保護(hù)蓄電池，并在一定程度上提高效率.

1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)主要構(gòu)成為：太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、不可控整流AC/DC模塊、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組、直流負(fù)載等組成[3].風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)框圖Fig.1 Solar and wind hybrid system

圖1中的控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其工作狀態(tài)與性能會(huì)直接影響路燈系統(tǒng)的工作效率及各模塊工作壽命，尤其是蓄電池的壽命.蓄電池的壽命和放電深度、工作電壓狀態(tài)及溫度有很大關(guān)系，這就對(duì)控制策略和系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)采樣精度有很高的要求.目前工程施工中，蓄電池一般埋于地下以維持蓄電池周圍環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定.

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)負(fù)載為40 W LED路燈.首先，依據(jù)負(fù)載功率、額定工作電壓、連續(xù)工作時(shí)間以及太陽能電池組件安裝的地理位置（經(jīng)、緯度）、氣象資料（太陽輻射總量、平均日照數(shù)、最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)）等條件，計(jì)算出光伏電池與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的配置.光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置的主要指標(biāo)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池總發(fā)電量滿足負(fù)載用電量.

1.1 蓄電池容量

根據(jù)計(jì)算公式：

式中：A為安全系數(shù)，取1.1～1.4；QL為負(fù)載日耗電量（Ah），取值一般為負(fù)載工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)N；NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天天數(shù)；TO為溫度修正系數(shù)，一般0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC為蓄電池放電深度，鉛酸蓄電池放電深度一般取0.75.

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中取A=1.4，QL=4.2 Ah，NL取2，TO為1，CC取0.75，計(jì)算得到BC=15 Ah.再取天數(shù)為5，可得到總的容量為75 Ah.

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

根據(jù)風(fēng)能公式[5-7]：

式中：E為風(fēng)能；Pw為額定功率；α為平均風(fēng)速；β為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)速；N為有風(fēng)時(shí)間.

根據(jù)實(shí)際情況電池一般夜晚放電8～12 h，負(fù)載功率為40 W，則平均消耗電能為400 Wh.這里取α=4 m/s，β=8 m/s，N=18 h，這樣計(jì)算輸出近似為180 W.

1.3 光伏電池

光伏電池是一種將太陽輻射能通過光電效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置[8-10].西藏地區(qū)位于我國(guó)太陽能資源一類地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)在3 200～3 300 h之間，輻射量為670×104～837×104kJ/cm2，相當(dāng)225～285 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量.以青藏高原為例，其平均海拔高度在4 000 m以上，大氣層薄空氣清潔、透明度好、緯度低、日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽能質(zhì)量高，為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)提供了保證.

本系統(tǒng)中采用的發(fā)電機(jī)為300 W三相交流永磁發(fā)電機(jī)，光伏電池120 W，蓄電池采用12 V、80 Ah電池2塊.風(fēng)機(jī)和光伏電池參數(shù)如表1所示，蓄電池的參數(shù)如表2所示.

表1 風(fēng)機(jī)與光伏電池規(guī)格表Tab.1 Wind generator and PV panels specification

表2 蓄電池規(guī)格表Tab.2 Battery specification

2 控制策略與設(shè)計(jì)

太陽能和風(fēng)能雖然綠色清潔但存在一定的局限性，與太陽能相比，風(fēng)能穩(wěn)定性差，而太陽能依賴光照條件，夜間無法利用.因此，在充電設(shè)計(jì)中，白天以太陽能為主，風(fēng)能為輔；夜晚利用風(fēng)能資源.

控制器利用單片機(jī)周期性地檢測(cè)蓄電池電壓，根據(jù)電壓判斷蓄電池所處狀態(tài)，并設(shè)置其充電電壓及最大電流大小.依據(jù)蓄電池參數(shù)，考慮余量，當(dāng)充電達(dá)到28.8 V時(shí)，單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)使開關(guān)管截止，切斷充電回路；放電達(dá)到21.6 V時(shí)，斷開放電回路.蓄電池充電方法采用技術(shù)成熟的三階段充電法，即MPPT[11]限流充電即最大功率點(diǎn)輸出限流充電、恒壓充電、浮充充電[12-13].系統(tǒng)的放電由軟件控制，以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì).

充電過程中，為了保證系統(tǒng)安全，實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電整流后輸出電壓來確定是否開啟卸荷電路.放電過程中，通過串聯(lián)在輸出回路的開關(guān)管調(diào)節(jié)輸出電流.若放電電流過大，通過采樣反饋，單片機(jī)關(guān)斷輸出，保護(hù)負(fù)載，減小占空比，延時(shí)之后再次開啟放電電路.

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 主電路設(shè)計(jì)

光伏輸入和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入均采用非隔離的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率開關(guān)管IRF3205由驅(qū)動(dòng)芯片IR2118進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)在進(jìn)入IR2118之前需要增加放大電路和騰柱圖電路以增加驅(qū)動(dòng)能力.光伏發(fā)電系統(tǒng)電路圖如圖2所示.

圖2 光伏輸出電路Fig.2 PV output circuit

圖2中，光伏電池最大輸出功率控制是由升壓式（Boost）變換電路實(shí)現(xiàn)的[14]，由功率開關(guān)管T5、續(xù)流二級(jí)管D10、儲(chǔ)能電感L2和濾波電容C9、C10、C11組成.當(dāng)開關(guān)管T5導(dǎo)通時(shí)，電感L2儲(chǔ)能，電感電流增加，續(xù)流二極管D10截止，電容向負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管T5截止時(shí)，電感上電流減小，釋放出能量.由于電感中電流不能突變，電感將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使二極管D10導(dǎo)通.電感和電源一起經(jīng)二極管向負(fù)載供電，向電容充電，達(dá)到輸出電壓大于輸入電壓的目的.系統(tǒng)中負(fù)載相當(dāng)于蓄電池，電源是太陽能電池板，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的連續(xù)充電.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)供能的另一部分，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出如圖3所示.

圖3 發(fā)電機(jī)輸出電路Fig.3 Output circuit of generator

圖3中，風(fēng)力機(jī)發(fā)電經(jīng)過三相整流橋，成為直流電壓，然后再升壓，與太陽能發(fā)電中DC/DC升壓原理一樣.由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，需要增加卸荷電路.圖中T1和R1組成卸荷電路，當(dāng)直流側(cè)電壓超過28.8 V時(shí)，T1導(dǎo)通，啟動(dòng)卸荷裝置，將發(fā)出的多余能量消耗在R1上，當(dāng)直流側(cè)電壓低于28.8 V時(shí)，關(guān)閉Q2，卸荷裝置停止工作，卸荷電路可以有效地防止損壞設(shè)備，提高系統(tǒng)的可靠性.

2.1.2 輸出電路設(shè)計(jì)

蓄電池組對(duì)LED燈具的放電是通過控制開關(guān)繼電器來實(shí)現(xiàn)的.放電電路原理圖如圖4所示.

圖4 放電電路原理圖Fig.4 Output circuit

圖4中，當(dāng)light端口為高電平時(shí)，Q9導(dǎo)通，K1閉合，蓄電池向LED驅(qū)動(dòng)芯片供電，點(diǎn)亮LED負(fù)載；當(dāng)light端口為低電平時(shí)，Q9關(guān)閉，K1打開，蓄電池停止供電，LED負(fù)載熄滅.

2.1.3 電流與電壓采樣

為了保證采樣的精度，電流采樣使用直流電壓霍爾器件，將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出的電壓信號(hào).電流采樣原理圖如圖5所示.

圖5 電流采樣原理圖Fig.5 Current sensing circuit

圖5中，采樣芯片ACS712是Allegro公司的一種霍爾線性電流傳感器，能檢測(cè)出與交流或直流電流成比例的電壓.在引腳6外接一個(gè)濾波電容，可以降低輸出噪音，改善電流精度.芯片的輸出響應(yīng)時(shí)間短，磁滯極小，Vcc=5 V，最大輸出電壓為5 V，輸出電流在10 mA，所以輸出的電壓信號(hào)直接送到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換端口實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè).

系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)整流輸出電壓、太陽能電池板輸出電壓、蓄電池電壓均大于單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換端口電壓，因此采用電阻分壓的方法進(jìn)行電壓采集.圖中的接地電容C8進(jìn)行高頻濾波，電解電容C7進(jìn)行低頻濾波.采樣電路原理圖如圖6所示.

圖6 電壓采樣原理圖Fig.6 Voltage sensing circuit

圖6中，采樣點(diǎn)電壓過濾掉干擾信號(hào)后，經(jīng)R2和R3分壓后送到單片機(jī)的AD采樣引腳，為了保護(hù)AD端口，增加二極管D16.

2.1.4 功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

在光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制電路中，選用IR2118芯片.IR2118芯片具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及價(jià)格便宜等特點(diǎn).基于IR2118的驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示.

圖7 基于IR2118的功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 Drive circuit of power MOSFET based on IR2118

圖7中PWM信號(hào)經(jīng)過放大電路后，通過芯片IR2118對(duì)IRF3205進(jìn)行驅(qū)動(dòng).為防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入電流太小，IR2118前級(jí)輸入可以使用圖騰柱式擴(kuò)流電路.改進(jìn)電路如圖8所示，此電路可有效改善驅(qū)動(dòng)電流，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力.

圖8 改進(jìn)的信號(hào)調(diào)整電路Fig.8 Updated Signal adjusting circuit

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前，太陽能最大功率跟蹤算法有多種，如恒電壓控制法[15]、傳統(tǒng)導(dǎo)納增量法[16]、擾動(dòng)觀測(cè)法[17]、模糊算法等.本系統(tǒng)使用的變步長(zhǎng)擾動(dòng)方法.

系統(tǒng)采用AVR系列的ATmega16單片機(jī)，軟件編程環(huán)境為AVR Studio IDE.系統(tǒng)首先初始化各個(gè)模塊，然后檢測(cè)光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流，判斷其狀態(tài)，確定是否需要開啟卸荷電路.檢測(cè)蓄電池兩端電壓，判斷其儲(chǔ)能狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的充電過程開始充電.若蓄電池電壓低于欠壓點(diǎn)則斷開放電回路，立刻停止放電；若高于過壓點(diǎn)則斷開充電回路以保護(hù)蓄電池.在充電過程中，采用三段式充電：在充電初期，采用大電流限流充電；隨著充電過程的進(jìn)行，進(jìn)入均充階段，應(yīng)用電壓閉環(huán)控制，讓蓄電池恒壓充電，充電電流逐漸減小；當(dāng)充電電流減小到1 A時(shí)，進(jìn)入浮充階段，控制變換器輸入恒定電壓.充電流程圖如圖9所示.

圖9 充電流程圖Fig.9 Charging flow chart

3 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)控制器優(yōu)勢(shì)，將其與市場(chǎng)上某不含MPPT功能產(chǎn)品進(jìn)行比較測(cè)試.

自然環(huán)境中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出直接受到風(fēng)速的影響.測(cè)試中，在相同的風(fēng)速下分別測(cè)試有本設(shè)計(jì)控制器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)與某產(chǎn)品的功率，進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論.測(cè)試過程中，模擬了不同的風(fēng)速環(huán)境，記錄了2.5～9.5 m/s的風(fēng)速范圍下的風(fēng)力機(jī)輸出電壓、電流，通過計(jì)算得到輸出功率.風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率曲線如圖10.

圖10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率曲線圖Fig.10 Output power curve of wind generator

從圖10可以看出，隨著風(fēng)速的不斷提高，本設(shè)計(jì)控制方案的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率數(shù)值和某產(chǎn)品相比有小幅提升.

光伏電池的最大輸出功率和外界的溫度、光照強(qiáng)度及光照角度都有很大關(guān)系.測(cè)試中，選取了某個(gè)晴天作為實(shí)驗(yàn)樣本，記錄了某一段時(shí)間的光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率.這里將多個(gè)數(shù)值取平均值的方法作為某一時(shí)間的測(cè)量值.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線如圖11所示.

圖11 光伏電池輸出功率曲線圖Fig.11 Output power curve of PV

從圖11可以看出光伏電池在一天時(shí)間中功率的變化，中午陽光最強(qiáng)，輻照度值最大，所以光生電流變大，光伏電池的輸出效率變大；傍晚，輻照值減弱，光伏電池效率隨之減弱.

測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)較不含MPPT功能產(chǎn)品效率有小幅度提升，約為11%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目的.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的低功率風(fēng)光互補(bǔ)控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，效率有小幅度提升，提升約11%，可應(yīng)用于離網(wǎng)路燈系統(tǒng).

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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

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目（13ZXCXGX31700）

付賢松（1976—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)，專用集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)和LED驅(qū)動(dòng)電源. E-mail：fuxians@163.com