太阳能LED路灯智能控制系统电力控制与负载驱动.doc

太阳能LED路灯智能控制系统电力控制与负载驱动太阳能LED路灯智能控制系统电力控制与负载驱动.txt什么叫神话？请听男人向你表达爱意；什么叫传说？请听男人对你的承诺；什么叫梦境？请看你自己听到前两者时的反应。 本文由feihuiwu123贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 30 卷 6 期 第 2009 年 12 月 发 光 学 报 CH I ESE JOURNAL O F LUM I ESCENCE N N 文章编号 : 1000 2 7032 ( 2009 ) 06 2 0892 2 06 太阳能 L ED 路灯智能控制系统电力控制与负载驱动 白 林 1, 3 , 黄 , 宋冬梅 , 何正文 力 2 3 3 ( 1. 大庆石油学院 计算机与信息技术学院 , 黑龙江 大庆 163318; 2. 大庆中学 , 黑龙江 大庆 163712; 3. 中国石油大庆石化公司 炼油厂 , 黑龙江 大庆 163711) 摘要 : 实现了太阳能 LED 路灯综合控制系统中太阳能逆变 、 蓄电池充电 、 照明组件驱动子系统控制方案 LED 与电路设计 ,并对相关技术进行了分析 。逆变子系统采用 DC /DC升压与 DC /AC 逆变分段控制 , DC /DC 段采 用最大功率跟踪 (M PPT)稳定输出直流 , DC /AC 段采用电压外环电流内环控制并结合无功功率检测反馈和电 流前馈控制的综合控制技术 。蓄电池充电子系统采用分段充电策略与控制技术来保证电池组充分充电 , 避 免蓄电池被过充以确保蓄电池能够长周期稳定工作 。最后通过对各种白光 LED 驱动方案的比较 ,确定了白 光 LED 最佳驱动方案为恒电流驱动脉宽调制 ( PWM )控制亮度 。 关 : 逆变 ; 最大功率点跟踪 (M PPT) ; 双环控制 ; 分段充电 ; 脉宽调制 键 词 中图分类号 : TN312. 8 PACS: 85. 60. Jb PACC : 7860F 文献标识码 : A 1 引 言 另外 ,由于太阳能光伏系统中光伏阵列的光 电效应 1 或光化学效应受光照 、 环境温度等环境 随着能源成本的上升 , 很多不可再生的矿物 因素影响很大 ,电力的输出并不稳定 。 能源由于污染等原因造成的环境代价太高 , 太阳 能等绿色可再生能源的使用开始逐渐进入能源领 域 。太阳能应用随着太阳能光伏元件的成本不断 下降和光电转化效率的提高 , 开始从边远的独立 应用 ,向城市化应用过渡 ,从辅助能源向替代能源 发展 ,成为传统水电 、 矿物能源 、 、 、 核能 光能 风能 , 以及燃料电池等多元新能源能源结构中的一员 。 综合以上原因 , 出于避免对太阳能电池板多 余发电能力的浪费和设备闲置 、 降低系统的总体 运行成本 ,考虑正常驱动某些常规负载的目的 ,有 必要集中日间多余的发电能力向常规电力网络输 出电力或者就近供应一部分电力给附近日间需要 电力的用户 ,需对光伏阵列或者蓄电池组输出的 电力稳压或者稳流 ,并进行升压 、 逆变等等 。 技术 2. 1 太阳能光伏阵列最大功率跟踪 (M PPT) 2, 3 2 太阳能逆变子系统设计及其控制 技术 在不同的光照强度下 , 太阳能电池阵列具有 图 1 所示的伏安特性曲线 , 它表明太阳电池既非 恒压源 , 也非恒流源 , 而是一种非线性直流电源 。 如图 1 所示太阳能电池阵列的伏安特性曲线与负 载特性曲线 L 的交点 A、 、 、 、 即为光伏系统 B C D E 的工作点 ,如果能使工作点移至光伏阵列伏安曲 线的最大功率 Pm ax点 A C E , 就可以 、 、 、 、 上 B D 最大限度地提高光伏阵列的能量利用率 。 最大功率控制方法主要有恒定电压控制法 、 扰动观测法 、 导纳微增法 3 路灯照明系统属于大面积的应用系统 。因 此 ,如果每个路灯都是安装有太阳能电池板的独 立应用系统 ,其太阳能光伏发电的总装机量是很 可观的 。路灯照明的独立应用系统的光伏器件一 般只在白天对蓄电池进行充电 , 待电池充满后多 余产电能力只是提供了非常小的浮充电压 , 而且 作为独立的应用系统蓄电池组都应储备一部分后 备电力以备在连续阴雨天等光照不足的天气中使 用 ,所以太阳电池板很多时候不会处于满负荷工 作状态 。 Vol130 Dec. , 2009 No16 等 。以下是对以导纳 微增法对最大功率输出进行跟踪的技术进行分析 。 收稿日期 : 2008 2 2 修订日期 : 2008 2 2 10 24; 11 17 基金项目 : 大庆市科技攻关项目 ( 5GG2006 - 001) 资助 作者简介 : 白林 ( 1974 - ) , 男 , 朝鲜族 , 黑龙江大庆人 , 主要从事计算机嵌入式计算及应用的研究 。 E2 mail: billy19740622 yahoo. com. cn, Tel: ( 0459) 67529600 6期 第 白 , 等 : 太阳能 LED 路灯智能控制系统电力控制与负载驱动 林 893 M PPT的实质是一个自寻优过程 。当负载特 电压升高 ; 而当交点在阵列最大功率点相应电压 Um 之右时 , M PPT 的作用是使交点处的电压下 性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点 相应电压 Um 之左时 ,M PPT的作用是使交点处的 降 。图 2 说明了这个动态过程 。 太阳能电池的特性曲线可以分成 3 个工作 区 4 : 分别是电流源区 、 电压源区和最大功率点 。 M PPT控制首先要根据采集太阳能电池的工作电 压和功率 ,判断其运行在哪个工作区 ,然后根据不 同的工作区采取不同的控制修改指令 , 当检测工 作点在电流源区时就增加设定的 Vm ax值 , 当检测 工作点在电压源区时就减小设定的 Vmax值 , 然后 根据所得的 Vm ax值生成 PWM 控制脉冲 ,具体的计 算流程图如图 3 所示 。其中 Vo ld和 Io ld分别表示太 阳能电池的输出电压和电流的第 k - 1 次的值 , Pm ax为假定的太阳电池最大功率点 。 2. 2 逆变器设计与控制技术 图 4 为一个将推挽逆变电路和全桥整流电路 相结合的带有 DC /DC 转换的逆变电路示意图 。 工作原理为 : 先将低压直流电变为高频低压交流 电 ,经过高频变压器升压后再整流成高压直流 ,最 后经正弦波调制 , 滤波后输出正弦交流电 。逆变 器工作在高频状态下 , 所以升压变压器体积可以 做得很小 ,具有很高的升压效率 。而且升压稳压 与整流分开控制 ,降低了控制难度 ,提高了控制的 精确性 。 2. 2. 1 DC /DC 转换部分的控制 图 4 所示电路左侧的 DC /DC 转化部分将检 测到的太阳能光伏阵列的输出电压和电流参数送 入 M PPT模块 , 经过 M PPT运算控制得到参考电 压 ,将参考电压与太阳能电池的实际输出电压相 比较后 ,随后将二者误差经过 P I模块调节后 , 用 于产 生 PWM 波 形 , 并 与 三 角 波 比 较 共 同 驱 动 DC /DC 电路中 DC /低压高频 AC 的转换电路 。 另外还需要检测 DC /DC 输出电压 。当输出 的电压超过其上限电压设定值时要迅速减小太阳 能电池阵列的输出电流 , 从而减小太阳能电池的 输出功率 ,最终使 DC /DC 的输出电压被降低以保 护逆变电路正常工作 。 2. 2. 2 DC /AC 转换部分并网电流的合成与无功 功率补偿的统一控制 DC /AC 部分主要跟踪 DC /DC 的输出电压 。 把 DC /DC 的参考电压与 DC /DC 的检测电压经过 电压控制模块调节 , 得到的电流指令 IP , 向电力 网络逆变发电时也可称为有功分量幅值给定 。 3 894 发 光 学 报 第 30 卷 图 4 DC /DC升压的逆变子系统示意图 带 Fig 4 The subsystem of invertion w ith boost voltage circuit of DC /DC . 由于电压外环控制算法得到的电流指令式 ( 1 )如下 : IP 3 安全性 ,系统必须实现电网无功电流和谐波的检 测 ,并且要对无功电流补偿快速反应 。 向通用电力网络输送电力时候对无功功率的 检测一般采用 dq0 坐标转换或基于无功功率理 论的无功电流检测法 。 基于三相瞬时无功功率理论的瞬时无功电流 的各指令分量式 ( 2 )为 : = Kdp + 其中 Kdp为电压环调节器比例系数 , Kdi为电压环 调节器积分系数 。 要保证向电网的供电质量 ,以及系统运行的 iaq = ibq = icq = 3 3 3 2 2 co s tia ( t) + co s tco s t - 2 ib ( t) + co s tco s t + 2 ic ( t) 3 3 3 2 2 co s t - 2 ( co s t) ia ( t) + co s t - 2 ib ( t) + co s t - 2 co s t + 2 ic ( t) ( 2 ) 3 3 3 3 3 2 2 co s t + 2 ( co s t) ia ( t) + co s t + 2 co s t - 2 ib ( t) + co s t + 2 ic ( t) 3 3 3 3 3 由式 ( 2 ) 和 式 ( 3 ) 可 得 并 网 电 流 的 指 令 值 式 ( 4 )为 : ica = iap - iaq 3 icc 3 3 icp 3 3 3 3 3 将并网电流指令值与电网电流测量值相比较 , 经 过 K1放大 , 并与电网的测量电压形成的前馈比例 系数 K2 放大的值相加得到公式 ( 5 ) : K1 ( ick - ick ) + K2 ek = V k , k = a, b, c 3 基于三相瞬时有功分量的式 ( 3 )为 : 3 3 iap = Ip sin t ibp = Ip sin t 3 3 icp = Ip sin t + 3 icb = ibp - ibq = - icq 3 Kdi 3 ( V dc / dc - V dc / dc ) S ( 1) 将式 ( 5 )代入光伏并网主回路电压方程式 ( 6 ) : L ( 3) 2 3 2 3 d ick + V k = ek dt 3 ( 6) 即可得到并网电流指令式 ( 7 )为 : ick ( s) = ( 1 - K2 ) ek ( s) - K1 ick ( s) L s - K1 ( 7) 最后以此指令生成 PWM 调制信号 , 并与三角波 比较产生驱动信号 , 驱动全桥逆变电路向通用电 力网络或者用电负载输出电能驱动负载 。 其中 K2 如果为 0, 即不引入前馈控制 , 则电 网电压对电流跟踪影响较大 , 如果要消除电网电 压对电流跟踪的非线性扰动影响 , K1 值要很大 。 K1 值较大时 , 虽然电流跟踪效果较好 , 但系统会 ( 4) 产生较大的电磁噪声和干扰 。当 K2 的前馈系数 为 1 时 ,则电网电动势的扰动影响可以完全消除 。 ( 5) 6期 第 白 , 等 : 太阳能 LED 路灯智能控制系统电力控制与负载驱动 林 895 如果是向单相母线的电力网逆变 , 在电路的 设计上需要将 DC /AC 部分的全桥整流电路去掉 一桥 ,运算公式运用三相逆变控制中对应 a 相部 分的公式即可 。 如果不需要向通用电力网络逆变输出电力 , 只是为了向独立系统中的某些常规交流负载供应 电力 ,则 DC /AC 部分只要在得到电流指令 后 ,将 3 IP 3 IP 50 时这个数量的电流却会导致严重的过充 。 充电器应该根据蓄电池的温度系数给予某种形式 的补偿 6 。可利用公式 V F = V F0 + ( T - T0 ) C 来 确定浮充电压 V F , 其中 V F0和 T0 分别为基准点的 电压和温度值 , C 为电压温度系数 。 图 5 为集成了直流脉冲充电与 LED 驱动电 路的太阳能 LED 照明系统的电路图 。在快充阶 段 ,通过调整充电电路开关管的驱动占空比 ,达到 控制太阳能电池输出电流的目的 , 并实现太阳能 电池的最大功率点跟踪 ; 在过充和浮充阶段 ,充电 电路仍然调整开关管的驱动占空比控制蓄电池的 充电电流 ,使之不超过蓄电池的最大可接受电流 。 以 与正弦值表相乘的结果作为生成 PWM 信号的指令 , 随后将 PWM 信号与三角波比较去 驱动全桥电路输出电力驱动负载 。 3 蓄电池充电子系统充电策略及其 控制技术 在应用太阳电池阵列做电源的应用系统中 , 一般都会使用蓄电池组存储电力 , 以备在夜间或 者阴雨天等太阳能电池阵列供电能力不足而缺电 时使用 。 对于蓄电池组而言 ,选择适当的充电方法 ,可 以延长蓄电池的使用寿命 , 而且可以提高充电效 率 ,另外蓄电池组的可靠与稳定对整个应用系统 的可靠和稳定也是至关重要的 。这需要准确判断 蓄电池组的充电状态从而选取充电电路的工作状 态 。控制器使用的充电电路采取了快充 、 、 过充 浮 充三个阶段的充电方法 5 图 5 太阳能 LED 照明系统蓄电池直流脉冲充电与照明 驱动子系统控制电路 Fig 5 The subsystem of direct current pulse charging of lead . acid battery and the driving control circuit of solar energy LED illum ination system : 快充阶段 : 充电电路的输出方式相当于电流 源 。输出电流蓄电池最大可接受电流 Imax 。充电 过程中 ,电路检测蓄电池端电压 。当蓄电池端电 压上升到转换门限值后 ,充电电路转到过充阶段 。 过充阶段 : 充电电路对蓄电池提供一个较高 电压 Voc ,同时检测充电电流 。当充电电流降到低 于转换门限值 Ioct时 , 认为蓄电池电量已充满 , 充 电电路转到浮充阶段 。 浮充阶段 : 蓄电池组充满电后 ,保持电量的最 好方法就是给蓄电池提供一个精确的 、 具有温度 补偿功能的浮充电压 。 浮充电压值既要足够大 , 能补偿蓄电池的自 放电电流 ; 又不能太大 ,以免导致蓄电池过充而损 坏 。在适当的浮充状态下 , 全封闭免维护铅酸蓄 电池能够稳定工作 6 10 年 , 而浮充电压即使只 有 5%的偏差 ,也会使蓄电池的寿命至少减半 5 4 大功率白光 LED 照明组件驱动子 系统控制技术分析 发光半导体属于直流驱动元件 ,驱动方式有 : 恒压驱动或称为电阻限流驱动方式 7 和恒流驱 动方式两种 。恒压驱动方式一般是以调节工作电 流的方式来调节照明用发光半导体的亮度 , 恒流 驱动方式一般是以脉宽调制 ( PWM ) 方式来调节 亮度 。 4. 1 大功率白光发光二极管照明组件的驱动与 亮度调节技术分析 相比之下 , 利用恒流驱动 PWM 调亮方式来 驱动大功率白光发光二极管组成的路灯照明灯具 比较适宜 。因为大功率白光发光二极管只有在特 定的电流区间内才能发出纯正的白光 , 对照明场 景内的景物有最强颜色的再现能力即显色性 ; 而 且 LED 的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒 , 适合于频繁开关以及高频运作的场合 , 因此可以 。 蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数 , 一个能够在 25 提供正常工作的充电电流 ,在 0 时却不足以提供足够的电量为电池充电 ; 而在 896 发 光 学 报 第 30 卷 方便地通过周期性的改变脉冲宽度 , 亦即控制 占空比的方式来实现对 LED 亮度的调节 。例如 要将亮度减半 , 只需在 50%的占空周期内提供 电流就可以实现了 。可选择 200 300 H z的开 关频率来进行 PWM 亮度调节 , 这是因为人眼无 法分辨超过 40 Hz的频率的变化 率又会引起白光颜色发生移位 线性 10 8 发 LED 进入工作状态即可 , 延时一段后 , 转为正 常驱动和亮度调节模式 。此外 ,在大电流作用下 , LED 器件会有一定的温升 ,提高了 LED 器件材料 活性 ,这也有助于大功率白光发光二极管的启辉 和进入正常工作模式 。但是 , 启辉的电流大小要 经过严格的统计和分析测算 , 否则发光器件在大 电流的长期冲击之下将在正常使用过程中逐渐发 生色偏移甚至老化 ,影响使用寿命 。 , 而太高的频 9 和亮度调节非 。另外 , 二 者 相 比 较 而 言 , 恒 电 流 驱 动 PWM 调亮方式驱动大功率白光发光二极管 , 在 同样的亮度下 , 器件升温要比恒电压驱动电流 调节亮度的方式低 , 耗能少 , 有利于延长灯具的 正常使用寿命 。 此外 ,此种驱动方式也可应用于直流电机的 驱动和变频率调速 。 4. 2 大功率白光发光二极管照明组件的启辉与 5 结 论 本文设计的太阳能 LED 路灯控制系统同时 考虑并设计了太阳能多余电力逆变输出至常规电 网的带 DC /DC 升压电路的逆变系统和铅酸蓄电 池的充放电电路和策略 。实验室设计并实施的实 验电路在逆变效率和铅酸蓄电池使用寿命的延长 等方面 ,逆变效率最好可接近 m atlab 等数学分析 软件模拟的最大峰值的 75% 。在冬季实验室设 计制造的太阳 LED 路灯采用本文所设计的启辉 方案完全能够达到冬季正常启辉照明的目的 , 并 尽可能的保证了 LED 路灯和相关子系统的使用 功能完全发挥并最大可能的延长了系统中铅酸蓄 电池的使用寿命 。 低温启动 在我国北方寒冷地区 ,冬季气温低 ,早晚温差 大 ,由于低温会影响到发光材料的活性等 ,发光半 导体不容易被激发驱动正常发光 。可采用逆变技 术产生高频率大电流启辉 , 因为在启辉阶段不必 考虑发光半导体因为电流超出正常发白光范围的 驱动电流而产生发光色偏移问题 , 只要能正常激 参 : 考 文 献 1 Huang Chuhui, L i Fuyou, Huang Yanyi U ltra th in F ilm forO ptics and E lectron ics M . Beijing: Peking University Press, . 2001. 2 Dai Xinp ing, M a guang, Yang Xiaohong A control method for maxim um power tracing of photovoltaic generation system . 3 Patcharap rakiti N. M axim um power point tracking using adap tive fuzzy logic control for grid 2connected photo 2voltaic system 5 Texas Instruments Corp. Corp. , 1999. 8 Pang Yunfan. V ision and L igh ting M . Beijing: The Railw ay Publisher, 1993, 3. 9 Gerhard Scharf D riving InGaN 2 ased L ED in Pa ra llel C ircu its M . Ger . B man: OSRAM Op to Sem iconductors, 2001. com /pc / download. 10 Dave Kim. T iny R egu la tors D rive W h ite L ED B ackligh ts R /OL . L inear Technoloy Corporation: http: www. linear . p rotection and temperature compensation J . J. Pow er S ou rces (电源技术 ) , 2001, 25 ( 3 ) : 206 2 207 ( in Chinese ) . using solar energy J . Ch ina Illum ina ting Eng ineering J ou rna l (照明工程学报 ) , 2005, 16 ( 3 ) : 7 2 ( in Chinese) . 10 radiation J . IEEE In terna tiona l S ym posium , 2001, 2: 1011 2 1014. J . 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PetroChina D aqing Petrochem ica l Com pany, D aqing 163318, Ch ina) M PPT (maxim um power point tracker) was adop ted to output stable constant current in the control section of DC /DC. The dual2loop control structure was adop ted in the inversion section of DC /AC. The voltage was con2 CLC num ber: TN312. 8 PACS: 85. 60. JbPACC: 7860FD ocum en t code: A Received date: 2008 2 2 10 24 Abstract: Three main subsystem s included in comp rehensive control system of solar2energy high 2 power white 2 brightness LED street lamp were designed in the paper The three main subsystem are inversion subsystem of . logy of the three