發(fā)布時間:2018/8/16 8:49:56 來源:本站
我國幅員遼闊,人口眾多,智能路燈是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施,如今國家大力提倡節(jié)能環(huán)保,采用太陽能供電的LED路燈是一個不錯的選擇,但是若采用純太陽能供電,往往在連續(xù)陰雨天會出現(xiàn)電量不夠、路燈無法工作的情況。若采用與市電結(jié)合的雙充電系統(tǒng),又需要鋪設(shè)線路,加大投入,沒有充分利用太陽能的便攜性。對于在非機動車主干道上的路燈系統(tǒng),目前相對理想的辦法是采用純太陽能供電,對系統(tǒng)的核心元件即控制器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以實現(xiàn)對太陽光的充分利用、對蓄電池的智能充電管理和對LED燈智能調(diào)光。目前的研究在路燈系統(tǒng)控制器的優(yōu)化上,較多側(cè)重蓄電池的選擇及智能充放電,忽略太陽能電池最大功率跟蹤,不少文獻(xiàn)對LED調(diào)光雖采取了根據(jù)光線或交通流量自適應(yīng)調(diào)光,但是對于純太陽能供電,未結(jié)合蓄電池剩余電量一起控制。本文在此前提下,對太陽能路燈控制策略的優(yōu)化進(jìn)行探討,采用兩種控制算法相結(jié)合實現(xiàn)太陽能電池的最大功率點跟蹤,提高太陽能電池的利用率,對LED燈結(jié)合外界光線和蓄電池剩余電量實現(xiàn)智能調(diào)光,提高了純太陽能供電路燈系統(tǒng)的可靠性。
采用太陽能供電的LED路燈系統(tǒng)由太陽能電池、鉛酸蓄電池或鋰電池、LED燈泡、控制器所組成,具體框圖如圖1所示。太陽能電池通過DC/DC轉(zhuǎn)換電路和最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制器將太陽能儲存在蓄電池中,對LED燈進(jìn)行供電,其中充電管理和LED照明控制均通過單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)。
太陽能電池為整個系統(tǒng)提供電源,由于太陽光的不確定性和太陽能電池板的轉(zhuǎn)化率低,使其輸出電流數(shù)值較小且隨時變化,因此在給蓄電池充電前要進(jìn)行MPPT的跟蹤及實現(xiàn)。實現(xiàn)最大功率點的跟蹤有多種方法,根據(jù)電路原理中的最大功率輸出條件可知,只要外部等效負(fù)載與太陽能電池內(nèi)阻相等,太陽能電池即可輸出最大功率。硬件上在太陽能電池與蓄電池之間增加一個DC/DC電路,由軟件控制該電路中開關(guān)管的占空比,調(diào)整電路阻抗,使其盡可能地逼近太陽能電池中的等效阻抗。電路如圖2所示。
圖1 系統(tǒng)基本框圖
圖2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 MPPT控制電路
在太陽能電池與蓄電池之間增加了一個DC/DC電路,在充電過程中,常會出現(xiàn)太陽能電池電壓低于蓄電池電壓的情況,為了持續(xù)有電流輸出,采用BOOST升壓電路,如圖3所示,電路中電感取得足夠大,得到一近似直流電流,由單片機提供脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)信號,控制開關(guān)管Q的占空比,對整個電路的阻抗進(jìn)行重新匹配。
圖3 BOOST電路原理圖
2.2 MPPT控制算法
MPPT的控制算法有多種,包括:固定電壓法、擾動觀察法(爬坡法)、增量電導(dǎo)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊控制法等,每種算法都各有優(yōu)缺點。
本文在這些算法基礎(chǔ)上,提出并采用了先固定電壓法起動,再變步長占空比擾動觀察法。系統(tǒng)啟動前,先測出相同太陽能電池的溫度和最大功率點對應(yīng)電壓的表格,存入單片機。剛開始啟動時,為提高響應(yīng)速度,先根據(jù)該表格,得到此刻最大功率點對應(yīng)電壓,接著用擾動觀察法,這時輸出靠近最大功率點處,擾動觀察法采用可調(diào)小步長調(diào)整。當(dāng)前后時刻電壓差︱ΔP︱≥ε時,擾動量大小設(shè)為ΔV;當(dāng)前后時刻電壓差︱ΔP︱<ε時,擾動量大小設(shè)為KΔV,其中K為軟件中設(shè)定好的調(diào)整系數(shù),該系數(shù)大小與功率變化量ΔP成正比,這樣逐步靠近最大功率點,減少振蕩,提高精度。
每個掃描周期都進(jìn)行功率變化的取值和計算。在系統(tǒng)中設(shè)置一個最大功率點的參考電壓,周期掃描中還掃描出輸出電壓數(shù)值,若輸出電壓值和參考電壓相差較大,此時用固定電壓法,避免在光照強度迅速變化時,出現(xiàn)誤判;若輸出電壓值和參考電壓相差不大,此時用變化的小步長干擾法。
施加擾動的對象是太陽能電池的輸出電壓,對其施加擾動較為復(fù)雜,因此把上述提及的DC/DC電路中的占空比作為擾動對象,系統(tǒng)采用固定電壓法時即固定占空比,采用擾動法時即根據(jù)算法增加或減少占空比。其具體算法如圖4所示。
2.3 仿真驗證
通過上述硬件電路和控制算法相結(jié)合,在MATLAB上構(gòu)建相應(yīng)仿真模型。初始環(huán)境為在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,即T=25 ℃,S=1 000 W/m2。0.4 s之后外界溫度T和光強S的變化情況為:(1)S1=1 000 W/m2,T1=45 ℃;(2)t=0.8 s時,S2=1 000 W/m2,T2=18 ℃;(3)t=1.2 s時,S3=1 200 W/m2,T2=18 ℃;(4)t=1.6 s時,S4=800 W/m2,T2=18 ℃。采用S函數(shù)實現(xiàn)MPPT控制,選取的太陽能電池標(biāo)稱功率50 W,峰值電壓為17.64 V,峰值電流2.8 A,最大開路電壓21.42 V,短路電流3.14 A,可得到仿真效果如圖5。從效果圖可見,改進(jìn)后的MPPT控制算法,工作時能夠快速準(zhǔn)確地接近最大功率點,減少了一般擾動法振蕩過程造成的能量損失。
圖4 改進(jìn)的MPPT控制算法流程圖
圖5 MPPT仿真效果圖
除了通過前述方法獲取太陽能的最大功率外,太陽能路燈系統(tǒng)還應(yīng)盡量節(jié)省不必要的耗電量。目前路燈系統(tǒng)中為了節(jié)約用電量,通常是夜晚12點過后關(guān)燈或開一半亮度,其實最合理的做法是能根據(jù)交通流量和外界光線強弱來自動控制路燈的亮度。由于LED的亮度幾乎與其正向電流成正比,因此LED亮度的調(diào)整靠改變其電流來實現(xiàn)。對于直流供電的LED調(diào)光方式主要有模擬調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光。
模擬調(diào)光是通過改變流過LED的電流改變LED的發(fā)光亮度,此法雖然改變了亮度,但是往往會增加系統(tǒng)功耗,顯然在本系統(tǒng)中不宜采用。PWM調(diào)光是利用人眼對亮度閃爍的不敏感性實現(xiàn)的,快速地開關(guān)LED,使LED燈時暗時亮,只要頻率超過100 Hz,人眼感受到的就是平均亮度,而LED本身可以實現(xiàn)快速開關(guān),這是其他發(fā)光器件無法比擬的。
在本系統(tǒng)中,采用PWM實現(xiàn)調(diào)光,主要有幾個優(yōu)勢:(1)人眼對光線的感受是非線性的,將亮度降低一定比例而人沒能感覺到,卻能節(jié)約大約相同比例的電能;(2)LED的響應(yīng)時間極短,適合高頻運作,可以很方便地通過控制占空比的方式來實現(xiàn)對其亮度的調(diào)節(jié);(3)將燈的亮度逐漸調(diào)到設(shè)定級別,即“軟啟動”,可大大地延長燈的使用壽命;(4)路燈系統(tǒng)通常使用大功率的LED,工作時會產(chǎn)生大量熱量,既浪費電能也影響LED器件性能,由于驅(qū)動電流變化時LED熱阻變化較小,采用脈沖電流驅(qū)動方式將有利于散熱,降低溫度,提高元件壽命。
3.1 LED調(diào)光方案
系統(tǒng)的調(diào)光信號由外界環(huán)境產(chǎn)生,將獲取的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機,由單片機輸出相應(yīng)PWM信號控制LED驅(qū)動控制芯片,如圖6所示。LED驅(qū)動控制芯片采用XLT604,該芯片是一款具有PWM功能的LED驅(qū)動控制芯片,它在交直流模式下均可驅(qū)動大功率的LED,對于外部LED串采用恒流驅(qū)動方式,保證LED的恒定亮度和可靠性,恒流值大小由外部電阻值設(shè)定。芯片內(nèi)部組成如圖7所示。此芯片可由外部線性調(diào)光,也可由外部輸入PWM調(diào)光,能以高達(dá)300 kHz的固定頻率驅(qū)動外部開關(guān)管,其頻率由外部電阻編程決定,此處采用PWM單獨調(diào)光方式。
圖6 LED驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)圖
圖7 XLT604芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
XLT604恒流驅(qū)動調(diào)光應(yīng)用電路如圖8所示。負(fù)載端通過電阻將LED的電流采樣至單片機,作為A/D轉(zhuǎn)換輸入的參考電壓。單片機產(chǎn)生的調(diào)光信號輸入到芯片的PWM端口,控制LED脈沖信號的占空比,實現(xiàn)LED的調(diào)光功能。
圖8 XLT604恒流驅(qū)動調(diào)光應(yīng)用電路原理圖
3.2 相關(guān)信號檢測
本設(shè)計中決定LED亮度的幾個信號分別為光照度、交通流量、蓄電池剩余電量、工作時間段。
光線的檢測可以采用多種光敏元件,這里采用光敏二極管檢測。光敏二極管無光照時,反向電流很小,當(dāng)有光照時,反向電流增大,在外加電壓作用下,反向電流的大小與光照強度成正比,通過電流檢測電路可以得到相應(yīng)的光照強度。由于光敏二極管測試的光強度范圍較大,特別對于清晨和傍晚光線較弱的環(huán)境下,光敏二極管仍能測到弱光,具有一定的敏感性,而且光敏二極管使用時不需要另加驅(qū)動電路。
交通流量通過對交通流的噪聲信號檢測獲得,當(dāng)交通流量大時,噪聲對應(yīng)就大,此時應(yīng)提高燈光亮度,保障安全;當(dāng)交通流量小時,噪聲對應(yīng)也小,此時相應(yīng)降低亮度,節(jié)約電量。噪聲信號獲取通過電容式聲音傳感器,當(dāng)有聲音時,實現(xiàn)聲波信號到電信號的轉(zhuǎn)換,此類傳感器靈敏度較高,頻率響應(yīng)寬,非線性失真小,是一種較為理想的聲音傳感器。
蓄電池的剩余電量與其端電壓之間有一定關(guān)系,剩余電量是在一定的條件下通過與端電壓之間的關(guān)系取得,這里采用開路電壓法和卡爾曼濾波遞推算法相結(jié)合的方法來獲得剩余電量,工作時間段由單片機定時系統(tǒng)獲得。
3.3 PWM軟件設(shè)計
提供給LED驅(qū)動調(diào)光芯片的PWM信號,由單片機運行相應(yīng)程序輸出,具體調(diào)光策略為:(1)以外界光照度作為LED啟停信號,若照度低于5 LX,LED點亮;若照度高于15 LX,LED滅;當(dāng)照度介于5 LX與15 LX之間,LED的亮度根據(jù)時間段、交通流量、蓄電池剩余電量進(jìn)行自調(diào)整。(2)若時間段為凌晨0點至5點,此時交通流量大為減少,將PWM占空比調(diào)至最低,為了避免夜間突然出現(xiàn)大的交通流量現(xiàn)象,只有交通流量數(shù)值超過某個設(shè)定的特定數(shù)值時,將PWM占空比調(diào)大,當(dāng)交通流量數(shù)值降低后,PWM占空比恢復(fù)為原先最低狀態(tài)。若陰雨天的白天或傍晚5點至凌晨0點期間,此時交通流量增加,PWM占空比根據(jù)交通流量和蓄電池剩余電量調(diào)整。事先在存儲器中存入有關(guān)交通流量與PWM占空比相對應(yīng)的表格,分別為表格1、表格2、表格3,對應(yīng)于蓄電池剩余流量大于80%、小于80%且大于60%、小于60%且大于50%,當(dāng)電池電量小于容量的50%時,此時占空比調(diào)至最小。單片機根據(jù)對應(yīng)表格提供的數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)PWM信號,從而實現(xiàn)LED的智能調(diào)光。軟件流程如圖9所示。
圖9 PWM軟件控制方案
在太陽能充電部分未進(jìn)行MPPT優(yōu)化之前,取漳州地區(qū)某條非機動車主干道為對象,于2016年3月對5盞25 W的LED路燈按上述優(yōu)化方案進(jìn)行為期1個月的實驗,得到的結(jié)果如表1所示。
由實驗結(jié)果可知,改進(jìn)后亮燈率大大提高,且每天持續(xù)點亮的時間也大大加長,保證了在每個光線不足的時間段LED均能發(fā)光,避免了長期陰雨天導(dǎo)致太陽能供電路燈出現(xiàn)癱瘓的現(xiàn)象,但是該路燈系統(tǒng)長時間點亮的同時,也犧牲了一定的亮度。由于這個實驗對應(yīng)的太陽能充電部分還未對MPPT進(jìn)行改進(jìn),將其改進(jìn)后投入該系統(tǒng),對上述的運行結(jié)果將取得進(jìn)一步的優(yōu)化。
表1 LED路燈試運行結(jié)果統(tǒng)計情況
本文分析設(shè)計了太陽能電池充電的最大功率點跟蹤策略,對LED路燈采取了一種新的控制方案,并通過仿真和實驗驗證了它們的可行性。
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