太陽能LED路燈智能控制系統(tǒng)電力控制與負載驅動

1、太陽能LED路燈智能控制系統(tǒng)電力控制和負載驅動.txt什么叫神話？請聽男人向你表達愛意；什么叫傳說？請聽男人對你的承諾；什么叫夢境？請看你自己聽到前兩者時的反應。本文由feihuiwu123貢獻TXT,或下載源文件到本機查看。TXT,或下載源文件到本機查看。pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇第30卷6期第2009年12月發(fā)光學報CHIESEJOURNALOFLUMIESCENCENN文章編號:100027032(2009)0620892206太陽能LED路燈智能控制系統(tǒng)電力控制和負載驅動白林1,3,黃,宋冬梅,何正文力233(1.大慶石油學院計算機和信息技術學院,黑龍江大慶1

2、63318;2.大慶中學,黑龍江大慶163712;3.中國石油大慶石化公司煉油廠,黑龍江大慶163711)摘要:實現(xiàn)了太陽能LED路燈綜合控制系統(tǒng)中太陽能逆變、蓄電池充電、照明組件驅動子系統(tǒng)控制方案LED和電路設計，并對相關技術進行了分析。逆變子系統(tǒng)采用DC/DC升壓和DC/AC逆變分段控制,DC/DC段采用最大功率跟蹤(MPPT)穩(wěn)定輸出直流,DC/AC段采用電壓外環(huán)電流內環(huán)控制并結合無功功率檢測反饋和電流前饋控制的綜合控制技術。蓄電池充電子系統(tǒng)采用分段充電策略和控制技術來保證電池組充分充電，避免蓄電池被過充以確保蓄電池能夠長周期穩(wěn)定工作。最后通過對各種白光LED驅動方案的比較，確定了白光L

3、ED最佳驅動方案為恒電流驅動脈寬調制(PWM)控制亮度。關:逆變;最大功率點跟蹤(MPPT);雙環(huán)控制;分段充電;脈寬調制鍵詞中圖分類號:TN312.8PACS:85.60.JbPACC:7860F文獻標識碼:A引言另外，由于太陽能光伏系統(tǒng)中光伏陣列的光電效應1或光化學效應受光照、環(huán)境溫度等環(huán)境隨著能源成本的上升，很多不可再生的礦物因素影響很大，電力的輸出并不穩(wěn)定。能源由于污染等原因造成的環(huán)境代價太高，太陽能等綠色可再生能源的使用開始逐漸進入能源領域。太陽能使用隨著太陽能光伏元件的成本不斷下降和光電轉化效率的提高，開始從邊遠的獨立使用，向城市化使用過渡，從輔助能源向替代能源發(fā)展，成為傳統(tǒng)水電、

4、礦物能源、核能光能風能，以及燃料電池等多元新能源能源結構中的一員。綜合以上原因，出于避免對太陽能電池板多余發(fā)電能力的浪費和設備閑置、降低系統(tǒng)的總體運行成本，考慮正常驅動某些常規(guī)負載的目的，有必要集中日間多余的發(fā)電能力向常規(guī)電力網(wǎng)絡輸出電力或者就近供應一部分電力給附近日間需要電力的用戶，需對光伏陣列或者蓄電池組輸出的電力穩(wěn)壓或者穩(wěn)流，并進行升壓、逆變等等。技術2.1太陽能光伏陣列最大功率跟蹤(MPPT)2,3太陽能逆變子系統(tǒng)設計及其控制技術在不同的光照強度下,太陽能電池陣列具有圖1所示的伏安特性曲線,它表明太陽電池既非恒壓源,也非恒流源,而是一種非線性直流電源。如圖1所示太陽能電池陣列的伏安特性

5、曲線和負載特性曲線L的交點A、即為光伏系統(tǒng)BCDE的工作點，如果能使工作點移至光伏陣列伏安曲線的最大功率Pmax點ACE,就可以、上BD最大限度地提高光伏陣列的能量利用率。最大功率控制方法主要有恒定電壓控制法、擾動觀測法、導納微增法3路燈照明系統(tǒng)屬于大面積的使用系統(tǒng)。因此,如果每個路燈都是安裝有太陽能電池板的獨立使用系統(tǒng),其太陽能光伏發(fā)電的總裝機量是很可觀的。路燈照明的獨立使用系統(tǒng)的光伏器件一般只在白天對蓄電池進行充電,待電池充滿后多余產(chǎn)電能力只是提供了非常小的浮充電壓,而且作為獨立的使用系統(tǒng)蓄電池組都應儲備一部分后備電力以備在連續(xù)陰雨天等光照不足的天氣中使用,所以太陽電池板很多時候不會處于滿

6、負荷工作狀態(tài)。Vol130Dec.,2009No16等。以下是對以導納微增法對最大功率輸出進行跟蹤的技術進行分析。收稿日期:200822修訂日期:2008221024;1117基金項目:大慶市科技攻關項目(5GG2006-001)資助作者簡介:白林(1974-),男,朝鮮族,黑龍江大慶人,主要從事計算機嵌入式計算及使用的研究。E2mail:billy19740622,Tel:(0459)675296006期第白,等:太陽能LED路燈智能控制系統(tǒng)電力控制和負載驅動林893MPPT的實質是一個自尋優(yōu)過程。當負載特電壓升高;而當交點在陣列最大功率點相應電壓Um之右時,MPPT的作用是使交點處的電壓下

7、性和太陽電池陣列特性的交點在陣列最大功率點相應電壓Um之左時,MPPT的作用是使交點處的降。圖2說明了這個動態(tài)過程。太陽能電池的特性曲線可以分成3個工作區(qū)4:分別是電流源區(qū)、電壓源區(qū)和最大功率點。MPPT控制首先要根據(jù)采集太陽能電池的工作電壓和功率,判斷其運行在哪個工作區(qū),然后根據(jù)不同的工作區(qū)采取不同的控制修改指令，當檢測工作點在電流源區(qū)時就增加設定的Vmax值，當檢測工作點在電壓源區(qū)時就減小設定的Vmax值,然后根據(jù)所得的Vmax值生成PWM控制脈沖,具體的計算流程圖如圖3所示。其中Vold和Iold分別表示太陽能電池的輸出電壓和電流的第k-1次的值,Pmax為假定的太陽電池最大功率點。2.

8、2逆變器設計和控制技術圖4為一個將推挽逆變電路和全橋整流電路相結合的帶有DC/DC轉換的逆變電路示意圖。工作原理為:先將低壓直流電變?yōu)楦哳l低壓交流電,經(jīng)過高頻變壓器升壓后再整流成高壓直流,最后經(jīng)正弦波調制,濾波后輸出正弦交流電。逆變器工作在高頻狀態(tài)下所以升壓變壓器體積可以做得很小,具有很高的升壓效率。而且升壓穩(wěn)壓和整流分開控制,降低了控制難度,提高了控制的精確性。2.1DC/DC轉換部分的控制圖4所示電路左側的DC/DC轉化部分將檢測到的太陽能光伏陣列的輸出電壓和電流參數(shù)送入MPPT模塊，經(jīng)過MPPT運算控制得到參考電壓，將參考電壓和太陽能電池的實際輸出電壓相比較后，隨后將二者誤差經(jīng)過PI模塊

9、調節(jié)后，用于產(chǎn)生PWM波形，并和三角波比較共同驅動DC/DC電路中DC/低壓高頻AC的轉換電路。另外還需要檢測DC/DC輸出電壓。當輸出的電壓超過其上限電壓設定值時要迅速減小太陽能電池陣列的輸出電流，從而減小太陽能電池的輸出功率，最終使DC/DC的輸出電壓被降低以保護逆變電路正常工作。DC/AC轉換部分并網(wǎng)電流的合成和無功功率補償?shù)慕y(tǒng)一控制DC/AC部分主要跟蹤DC/DC的輸出電壓。把DC/DC的參考電壓和DC/DC的檢測電壓經(jīng)過電壓控制模塊調節(jié)，得到的電流指令IP，向電力網(wǎng)絡逆變發(fā)電時也可稱為有功分量幅值給定。3894發(fā)光學報第30卷圖4DC/DC升壓的逆變子系統(tǒng)示意圖帶Fig4Thesub

10、systemofinvertionwithboostvoltagecircuitofDC/DC.由于電壓外環(huán)控制算法得到的電流指令式(1)如下:IP3安全性，系統(tǒng)必須實現(xiàn)電網(wǎng)無功電流和諧波的檢測，并且要對無功電流補償快速反應。向通用電力網(wǎng)絡輸送電力時候對無功功率的檢測一般采用dq0坐標轉換或基于無功功率理論的無功電流檢測法?；谌嗨矔r無功功率理論的瞬時無功電流的各指令分量式(2)為:Kdp+其中Kdp為電壓環(huán)調節(jié)器比例系數(shù)，Kdi為電壓環(huán)調節(jié)器積分系數(shù)。要保證向電網(wǎng)的供電質量，以及系統(tǒng)運行的iaq=ibq=icq=332nn2w3cos3tia(t)+costcos3t-2ib(t)+cos

11、tcos3t+2ic(t)3332nnnn23cos3t-2(cost)ia(t)+cos3t-2ib(t)+cos3t-2cos3t+2ic(t)(2)333332nnnn3cos3t+2(cost)ia(t)+cos3t+2cos3t-2ib(t)+cost+2ic(t)33333由式(2)和式(3)可得并網(wǎng)電流的指令值式(4)為:ica=iap-iaq3icc33icp33333將并網(wǎng)電流指令值和電網(wǎng)電流測量值相比較,經(jīng)過K1放大,并和電網(wǎng)的測量電壓形成的前饋比例系數(shù)K2放大的值相加得到公式K1(ick-ick)+K2ek=Vk,k=a,b,c3基于三相瞬時有功分量的式(3)為:33ib

12、p=Ipsin3t33icp=Ipsin3t+3icb=ibp-ibq=-icq3Kdi3(Vdc/dc-Vdc/dc)S(1)將式(5)代入光伏并網(wǎng)主回路電壓方程式L(3)n23n23dick+Vk=ekdt3(6)即可得到并網(wǎng)電流指令式(7)為:ick(s)=(1-K2)ek(s)-K1ick(s)Ls-最后以此指令生成PWM調制信號，K1(7)并和三角波(5):3iap=Ipsint(6):比較產(chǎn)生驅動信號，驅動全橋逆變電路向通用電力網(wǎng)絡或者用電負載輸出電能驅動負載。其中K2如果為0，即不引入前饋控制，則電網(wǎng)電壓對電流跟蹤影響較大，如果要消除電網(wǎng)電壓對電流跟蹤的非線性擾動影響，K1值要很

13、大。K1值較大時，雖然電流跟蹤效果較好，但系統(tǒng)會(4)產(chǎn)生較大的電磁噪聲和干擾。當K2的前饋系數(shù)為1時，則電網(wǎng)電動勢的擾動影響可以完全消除。(5)6期第白，等:太陽能LED路燈智能控制系統(tǒng)電力控制和負載驅動林895如果是向單相母線的電力網(wǎng)逆變，在電路的設計上需要將DC/AC部分的全橋整流電路去掉一橋，運算公式運用三相逆變控制中對應a相部分的公式即可。如果不需要向通用電力網(wǎng)絡逆變輸出電力，只是為了向獨立系統(tǒng)中的某些常規(guī)交流負載供應電力，則DC/AC部分只要在得到電流指令后，將3IP3IP50C時這個數(shù)量的電流卻會導致嚴重的過充。充電器應該根據(jù)蓄電池的溫度系數(shù)給予某種形式的補償6。可利用公式VF=

14、VF0+(T-T0)C來確定浮充電壓VF，其中VF0和T0分別為基準點的電壓和溫度值，C為電壓溫度系數(shù)。圖5為集成了直流脈沖充電和LED驅動電路的太陽能LED照明系統(tǒng)的電路圖。在快充階段,通過調整充電電路開關管的驅動占空比,達到控制太陽能電池輸出電流的目的,并實現(xiàn)太陽能電池的最大功率點跟蹤;在過充和浮充階段,充電電路仍然調整開關管的驅動占空比控制蓄電池的充電電流,使之不超過蓄電池的最大可接受電流。以和正弦值表相乘的結果作為生成PWM信號的指令,隨后將PWM信號和三角波比較去驅動全橋電路輸出電力驅動負載。3蓄電池充電子系統(tǒng)充電策略及其控制技術在使用太陽電池陣列做電源的使用系統(tǒng)中,一般都會使用蓄電

15、池組存儲電力,以備在夜間或者陰雨天等太陽能電池陣列供電能力不足而缺電時使用。對于蓄電池組而言,選擇適當?shù)某潆姺椒?可以延長蓄電池的使用壽命,而且可以提高充電效率,另外蓄電池組的可靠和穩(wěn)定對整個使用系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定也是至關重要的。這需要準確判斷蓄電池組的充電狀態(tài)從而選取充電電路的工作狀態(tài)?？刂破魇褂玫某潆婋娐凡扇×丝斐?、過充浮充三個階段的充電方法5圖5太陽能LED照明系統(tǒng)蓄電池直流脈沖充電和照明驅動子系統(tǒng)控制電路Fig5Thesubsystemofdirectcurrentpulsechargingoflead.acidbatteryandthedrivingcontrolcircuitofso

16、larenergyLEDilluminationsystem快充階段:充電電路的輸出方式相當于電流源。輸出電流蓄電池最大可接受電流Imax。充電過程中,電路檢測蓄電池端電壓。當蓄電池端電壓上升到轉換門限值后,充電電路轉到過充階段。過充階段:充電電路對蓄電池提供一個較高電壓Voc,同時檢測充電電流。當充電電流降到低于轉換門限值Ioct時,認為蓄電池電量已充滿,充電電路轉到浮充階段。浮充階段:蓄電池組充滿電后,保持電量的最好方法就是給蓄電池提供一個精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓。浮充電壓值既要足夠大,能補償蓄電池的自放電電流;又不能太大,以免導致蓄電池過充而損壞。在適當?shù)母〕錉顟B(tài)下,全封閉免維

17、護鉛酸蓄電池能夠穩(wěn)定工作610年，而浮充電壓即使只有5%的偏差，也會使蓄電池的壽命至少減半5大功率白光LED照明組件驅動子系統(tǒng)控制技術分析發(fā)光半導體屬于直流驅動元件，驅動方式有:恒壓驅動或稱為電阻限流驅動方式7和恒流驅動方式兩種。恒壓驅動方式一般是以調節(jié)工作電流的方式來調節(jié)照明用發(fā)光半導體的亮度，恒流驅動方式一般是以脈寬調制(PWM)方式來調節(jié)亮度。4.1大功率白光發(fā)光二極管照明組件的驅動和亮度調節(jié)技術分析相比之下，利用恒流驅動PWM調亮方式來驅動大功率白光發(fā)光二極管組成的路燈照明燈具比較適宜。因為大功率白光發(fā)光二極管只有在特定的電流區(qū)間內才能發(fā)出純正的白光，對照明場景內的景物有最強顏色的再現(xiàn)

18、能力即顯色性;而且LED的響應時間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開關以及高頻運作的場合，因此可以。蓄電池的電壓特性具有明顯的負溫度系數(shù)，一個能夠在25C提供正常工作的充電電流，在0C時卻不足以提供足夠的電量為電池充電；而在896發(fā)光學報第30卷方便地通過周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來實現(xiàn)對LED亮度的調節(jié)。例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內提供電流就可以實現(xiàn)了?？蛇x擇200300Hz的開關頻率來進行PWM亮度調節(jié),這是因為人眼無法分辨超過40Hz的頻率的變化率又會引起白光顏色發(fā)生移位線性108發(fā)LED進入工作狀態(tài)即可,延時一段后,轉為正常驅動和亮度調節(jié)模式。此外,在

19、大電流作用下,LED器件會有一定的溫升,提高了LED器件材料活性,這也有助于大功率白光發(fā)光二極管的啟輝和進入正常工作模式。但是,啟輝的電流大小要經(jīng)過嚴格的統(tǒng)計和分析測算,否則發(fā)光器件在大電流的長期沖擊之下將在正常使用過程中逐漸發(fā)生色偏移甚至老化,影響使用壽命。,而太高的頻9和亮度調節(jié)非。另外,二者相比較而言,恒電流驅動PWM調亮方式驅動大功率白光發(fā)光二極管,在同樣的亮度下,器件升溫要比恒電壓驅動電流調節(jié)亮度的方式低,耗能少,有利于延長燈具的正常使用壽命。此外,此種驅動方式也可使用于直流電機的驅動和變頻率調速。4.2大功率白光發(fā)光二極管照明組件的啟輝和結論本文設計的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)同時考慮并設計了太陽能多余電力逆變輸出至常規(guī)電網(wǎng)的帶DC/DC升壓電路的逆變系統(tǒng)和鉛酸蓄電池的充放電電路和策略。實驗室設計并實施的實驗電路在逆變效率和鉛酸蓄電池使用壽命的延長等方面,逆變效率最好可接近matlab等數(shù)學分析軟件模擬的最大峰值的75%。在冬季實驗室設計制造的太陽LED路燈采用本文所設計的啟輝方案完全能夠達到冬季正常啟輝照明的目的,并盡可能的保證了LED路燈和相關子系統(tǒng)的使用功能完全發(fā)揮并最