風光互補LED路燈控制器的設計

濰坊科技學院 王澤尚

引言

風能、太陽能這兩大可再生能源，受到季節、地理位置等的影響，在正常條件下，兩者的變化趨勢處于相反的狀況，因此如何讓兩者共同發揮出作用是目前能源研究的趨勢。當今社會電能是人們小號能源的主要方式，對電的依賴是非常強的。但中國地大物博，很多偏遠地區電能不發達，但是風能、太陽能充沛，這些地區的獨立供電變成了趨勢。因此在這些地區將風能、電能互補利用便成了解決偏遠地區電能不足的非常好的選擇。

風能和太陽能聯合供電的情況被稱為風光互補，風光互補供電屬于清潔可再生能源，同時風能、太陽能都能夠輸出直流電，直流電可以直接通過蓄電池儲存能量，然后再給負載供電，如果所用電氣為交流，加逆變裝置便可靈活實現。風光互補供電分為獨立式和并網式，獨立風光互補供電在偏遠地區的電氣化應用中起著非常重要的作用。

1 系統總體設計

本設計以單片機PIC16F873為核心，有光伏板發電、光伏控制器、永磁同步發電機、風力發電控制器、光敏感光模塊、蓄電池組、智能放電管理模塊、LED燈等組成。系統通過太陽能光伏板和永磁同步電機給電池組充電，保證LED燈的能量來源。在充電的過程中，要有電壓穩定電路和充電保護功能。系統具有完全自動和手動兩種工作模式，手動模式手動控制LED的開通和斷開，自動則是通過光敏電阻感應控制LED的開通和斷開。

圖1 風光互補照明系統整體結構圖

上圖為風光互補控制系統的整體框圖，從整體框圖中可以看出能源來源有兩個，一個是太陽能光伏板，另一個便是PMSG（永磁同步發電機），兩者分別通過光伏控制器和風能控制器，對電池組進行充電，然后電池組給LED燈提供能量。這種控制器的作用有兩個，一是高效給電池組充電，另一個是只能管理蓄電池放電。

2 系統的硬件設計

2.1 風能發電模塊

由整體框圖知，風力發電機發出電能后經過風能控制器進入電池組，給電池組供電。風能充電控制器主要由整流電路、DC/DC模塊組成，整流電路根據可控性可以分為可控整流器、不可控整流器。本設計中采用的是不可控的整流器。而DC/DC模塊根據始末電壓的高低分為降壓BUCK電路，升壓BOOST電路，還有升降壓電路。結合本設計的電壓特點，采用的升壓BOOST電路。

作為風力發電系統的核心，風力發電機的作用是風能——機械能——電能的能量轉化，它的效率高低直接影響著整個系統的效率高低。風力發電機發出的電能通過三相不可控的整流電路，將其變為直流，然后再將直流電通過升壓BOOST電路實現對電壓的升高，并對電池組進行充電。

本設計采用的風機為小型的垂直軸的風力發電機，這個發電機系統的BOOST升壓電路后端電阻理解為可調負載，可調負載的大小使用開關管SW的通斷，SW的通斷決定著整個電路的占空比。在負載恒定不變的情況下，改變升壓BOOST電路的空比進而改變等效負載電路，實現對最大功率電的跟蹤。

2.2 光伏充電模塊

根據風光互補整體結構圖，光伏充電模塊是光伏發光板與蓄電池的中轉鏈接點，它的基本功能是將光伏板輸出的電能快速充給蓄電池模塊。光伏充電模塊目前常用的拓撲結構主要是降壓BUCK和升壓BOOST兩種，控制方法常用擾動觀察法、增量電導法等實現對太陽能板的功率跟蹤。在本設計中，硬件部分采用去電感的光伏充電方式，而軟件的控制方法采用開環MPPT法。

在主電路的拓撲結構中，只有一個電容C作為儲能元件，這樣可大大減小電路的損耗和系統的損傷，提高光伏板的利用效率。光伏充電模塊控制電路采用的核心器件是單片機PIC16F873A，它主要由三部分組成，電壓檢測電路、供電電路、MOSFET管的驅動電路。

2.3 蓄電池管理模塊

蓄電池管理模塊從功能上主要包括停充控制、充電程度計量、智能放電管理三部分。在硬件電路部分，主要介紹停充控制，充電程度計量、智能放電管理這兩部分將在軟件中介紹。

停充控制：對電池組的停充，主要是通過單片機PIC16F873A來控制。PIC16F873A的輸出管腳通過與門74HC08后進入到開關管。74HC08與門連接的是充電控制器和放電控制器發出的開關信號。

充電控制器對電池組進行電壓檢測，當檢測到的電壓低于浮充電壓，BATproject為高電平，與門產生開關信號，系統對電池組充電。當檢測到電池電壓高于浮充電壓，BATproject為低電平，與門的開關信號關斷，停止對電池組充電。

2.4 led燈控制電路

在本設計中照明燈采用的白色高亮類型的LED燈，這種LED燈維護成本低、照亮速度更快，壽命是普通白熾燈的百倍以上，發光效率可達到80%，高亮LED燈采用三極管驅動。在控制部分還通過光敏電阻進行智能控制。

如今光敏電阻被廣泛用于光的控制、測量以及光電轉換。本設計便是采用GMDZ光敏電阻傳感器模塊對光照進行檢測，該模塊可以實現對周圍環境的光強和亮度進行檢測。光敏電阻由硒化隔等半導體材料制成，主要依靠光電效應來實現其功能。光敏電阻對光非常敏感，只要人眼能感覺到的光，就會導致電阻值的變化。一般來說，光的強度越大，光敏電阻的電阻值越小。在黑暗條件下，它會呈現高電阻狀態，電阻值一般會達到1.5MΩ。

光敏電阻傳感器模塊電路圖如圖2所示，其中R1電阻為分壓電阻，將光敏電阻傳感器檢測到的光照信息轉化為模擬電壓信號，模擬量信號接入LM393比較器后，即可與LM393比較器芯片2號引腳所接的電位器分壓后的模擬電壓進行比較，進而得出DO數字信號（即高低電平信號）。

圖2 光敏電阻傳感器模塊內部電路圖

圖中C1、C2為濾波電容，R2、R3均為限流電阻，來保護LED燈，防止LED燈燒壞，LED處于低電平有效狀態。R4是一個上拉電阻，通過電阻將不確定信號鉗位到高電平，并且還充當限流器。保證LM393比較器輸出的高低電平信號在與單片機引腳連接時電平信號的讀取更加穩定。

3 系統軟件設計

風力發電機通過H橋不可控整流電路后的電壓值，由單片機PIC16F873的PIN3管腳負責進行模擬數字之間的轉換，模數轉換完成后，對采樣的整流電壓值進行判斷，如果電壓值大于預先設定值，PIN16(RC1)發出信號進行保護，控制繼電器于升壓BOOST電路進行分離，風力發電機在這種情況下屬于空載，實現了對風力發電機的保護。相反，采樣整流后的電壓值小于設定值，將由單片機內部程序進行占空比計算，對后面的電池組進行充電。程序流程圖可以用下面的圖3表示。

圖3 風能充電流程圖

光伏充電軟件的流程為系統上電后，首先對RC3引腳進行初始化，并將RC3引腳設置為輸出類型，同時還需要對AD模塊、定時器進行初始化，為測量輸入電容的電壓做準備。測量出電容的電壓后進行判斷，看是否在設定值范圍內，如果小于設定值，繼續對輸入電容進行測量，當大于設定值時，RC3引腳置為1，開關管導通，定時10ms，RC3引腳置為0，開關管關斷，定時2ms，結束。

4 總結及展望

風光互補LED照明系統從組成上看，有光伏板、風機對蓄電池充電管理和蓄電池對LED的放電管理兩部分，因此蓄電池的充放電管理是系統的核心。本文主要對這兩部分的硬件進行設計，對軟件進行流程性規劃和論證。

光伏板充電方面，光伏板對蓄電池充電。光伏控制器以PIC16F873A為主控芯片，通過實時檢測輸入電容上的電壓來控制硬件電路開關的通斷，實現對蓄電池的脈沖充電控制。風能充電方面，風力發電機采用的是小型三相永磁同步電機，經過整流后進入風機控制器。主電路采用升壓BOOST電路，控制電路以PIC16F873A單片機為核心，通過不斷檢測C的電壓，對主電路開關管的占空比進行調節，提升系統的發電性能。蓄電池充放電管理有兩方面控制，時鐘芯片DS12887、充電脈沖個數計量兩部分，實現對蓄電池組的充電和對蓄電池電量的檢測。高于過充電壓即停止對蓄電池的充電，低于過放電壓發出關燈控制，同時還對所充脈沖個數判斷放電時間。也就是在蓄電池充電末期的時候，加入放電脈沖來提高充電接受能力，延長蓄電池的使用壽命。