太陽能市電智能互補LED照明系統(tǒng)

楊菲菲，郭震寧，廖 炫

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021)

太陽能市電智能互補LED照明系統(tǒng)

楊菲菲，郭震寧，廖 炫

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021)

基于雙輸入Buck原理，以單片機STC12C5604AD為控制核心，通過軟硬件設(shè)計搭建一個太陽能/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)，實現(xiàn)不采用儲能裝備的太陽能LED照明系統(tǒng)。通過實驗驗證系統(tǒng)可工作在太陽能單獨供電，市電單獨供電，太陽能和市電聯(lián)合供電的三種模式。此系統(tǒng)適合用在晝夜需要照明的環(huán)境下。

雙輸入Buck；太陽能；LED照明

一般的太陽能LED照明系統(tǒng)由太陽電池、蓄電池、控制器、LED負(fù)載等構(gòu)成，若在有市電的情況下，可利用市電與太陽電池組成雙電源互補供電照明系統(tǒng)。在國內(nèi)實現(xiàn)太陽能市電互補一般有兩種情況[1-2]：一是太陽電池給蓄電池充電，市電和蓄電池構(gòu)成互補電源供電系統(tǒng)，二是根據(jù)太陽電池板和市電形成一個切換式的充電系統(tǒng)，給蓄電池充電，最后由蓄電池給負(fù)載供電。這些系統(tǒng)都用到了儲能裝置，目前最常用的儲能裝置是鉛酸蓄電池，但其存在體積大、質(zhì)量重，壽命短、比功率低、維護量大，此外，容易造成環(huán)境污染等一些難以克服的缺點[3-5]，同時蓄電池成本占光伏系統(tǒng)造價的20%～25%。

在一些需要晝夜照明的環(huán)境，例如地下車庫、超市、地下商場等，可以不采用儲能裝置，利用多輸入變換器(MIC)的原理，根據(jù)太陽能LED照明系統(tǒng)的負(fù)載功率大小等選擇雙輸入Buck直流變換器的電路拓?fù)洌罱ㄌ柲?市電聯(lián)合供電系統(tǒng)。本文基于雙輸入Buck原理[6-8]，采用單片機STC12C-5604AD作為控制芯片，通過軟硬件設(shè)計，搭建太陽能/市電聯(lián)合供電LED照明系統(tǒng)。實現(xiàn)太陽能單獨供電，市電單獨供電，太陽能/市電聯(lián)合供電的三種工作模式。

1 工作原理

在太陽能光伏電池和市電組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度地利用太陽能能源，需要選擇合適的電路拓?fù)鋱D和制定合理的能量管理控制策略，高效率的控制系統(tǒng)的能量流動，使兩個供電輸入源可以協(xié)調(diào)工作，給負(fù)載提供穩(wěn)定的工作電壓。根據(jù)太陽能光伏電池的功率和負(fù)載的規(guī)格，采用雙輸入Buck變換器[4-11]作為主電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，1#源為太陽能光伏電池，2#源為市電經(jīng)AC-DC變換器的直流電源，分別為1#、2#源的輸入電壓和輸入電流，分別為輸出電流和輸出電壓，Q1、Q2為開關(guān)管，D1、 D2為續(xù)流二極管，為濾波電感，為濾波電容，為負(fù)載，為A、B點的電壓，為輸出濾波電容的寄生電阻。以下討論中Q1、Q2開關(guān)頻率是相同的。

圖1 雙輸入Buck變換器電路

模式一：如圖2(a)所示，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，由電源單獨供電，、二極管D2、電感、電容構(gòu)成導(dǎo)通回路，此時。

模式二：如圖2(b)所示，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，由電源單獨供電，、二極管D1、電感、電容構(gòu)成導(dǎo)通回路，此時。

模式三：如圖2(c)所示，Q1導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通，由和兩電源共同供電，、電感、電容構(gòu)成導(dǎo)通回路，此時。

模式四：如圖2(d)所示，Q1關(guān)斷，Q2關(guān)斷，二極管D1、D2、電感、電容構(gòu)成導(dǎo)通回路，電感續(xù)流。

圖2 雙輸入Buck電路四種工作模式

兩個輸入源的電流分別為：輸出電壓：

利用式(3)維持輸出電壓穩(wěn)定，當(dāng)太陽電池足夠供電給負(fù)載的時候，控制太陽電池端的開關(guān)管，當(dāng)太陽能輸出功率較小不足以供電給負(fù)載時，此時輸出電壓被拉低，太陽能端的開關(guān)管一直導(dǎo)通，控制市電端的開關(guān)管，補償不足的功率，當(dāng)太陽能幾乎無輸出功率的時候，停止太陽電池供電，市電單獨供電。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)雙輸入Buck原理搭建的太陽能/市電聯(lián)合供電的LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，220 V交流市電經(jīng)整流、濾波得到直流電，再經(jīng)過Buck直流變換器得所需直流電，太陽能和市電通過雙輸入Buck電路構(gòu)成聯(lián)合供電電源。由于雙輸入Buck電路是個功率級電路，若電源的輸入功率小于負(fù)載所需功率時，將會導(dǎo)致輸出電壓的降低，利用這個輸入對輸出的影響關(guān)系來完成切換方式。雙輸入Buck的輸出電壓在模式切換時會出現(xiàn)一定的波動，為了不影響LED燈具的正常工作，根據(jù)LED燈具的發(fā)光特點，在雙輸入Buck電路和LED燈具之間添加了LED恒流驅(qū)動芯片，以此保證LED燈具可正常穩(wěn)定工作。

根據(jù)太陽能輸出的功率變化，系統(tǒng)有三種工作模式[9-11]，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)三種工作模式下的能量流動

模式一：光照充足情況下，太陽能輸出功率略大于負(fù)載，變換器工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，由太陽能光伏電池單獨供電。

模式二：光照稍弱情況下，太陽能光伏電池輸出功率不足以供電給負(fù)載，但卻仍可正常工作，此時市電供電，提供不足功率，太陽能端的開關(guān)一直保持導(dǎo)通狀態(tài)，此時和市電串聯(lián)成一個總輸入源，整個電路構(gòu)成一個Buck電路，此時太陽電池和市電一起提供負(fù)載所需功率。

模式三：光照弱的情況下，如晚上，太陽能功率控制器直接關(guān)斷開關(guān)管，太陽電池停止工作，市電單獨工作，提供負(fù)載所需功率。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主電路

3.1.1 LED驅(qū)動電路

根據(jù)RT8480恒流驅(qū)動芯片以及太陽電池容量、負(fù)載功率等參數(shù)對電路各個部分進行設(shè)計。本系統(tǒng)的LED負(fù)載功率為20 W，太陽電池的最大輸出功率為30 W，最大輸出電壓為18 V，直流源電壓為24 V，開關(guān)頻率為20 kHz。

LED屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，其亮度與正向電流成正比，因此選擇PWM控制的恒流驅(qū)動芯片RT8480搭建LED驅(qū)動電路，RT8480是一款恒頻的電流模式控制的升壓驅(qū)動芯片，利用PWM驅(qū)動外部功率管MOSFET，其輸入電壓范圍3.6～36 V，輸出電流可根據(jù)需要自行設(shè)置；工作頻率最高可達800 kHz，具有欠壓、過壓以及過溫保護等保護功能。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)以及廠家提供的芯片手冊可計算RT8480外圍器件參數(shù)，如圖5所示。

圖5 LED驅(qū)動電路

3.1.2 MOS管驅(qū)動電路

本系統(tǒng)選擇PMOS作為開關(guān)元件，為使MOS管實現(xiàn)快速開、斷功能，需要一個驅(qū)動能力強的驅(qū)動電路，選擇甲乙類互補對稱功率放大電路作為驅(qū)動電路，如圖6所示，當(dāng)輸入信號為高電平時，三極管S9013導(dǎo)通，NPN管2N5551導(dǎo)通，使MOS管的VGS大于一定的電壓閾值，此時MOS管導(dǎo)通；若輸入為低電平，三極管S9013截止，此時PNP管2N5400導(dǎo)通，形成一個MOS管的泄荷電路，加快開關(guān)管的關(guān)斷。

圖6 MOS管驅(qū)動電路

3.1.3 采樣電路

本系統(tǒng)總共要采集三個電壓參數(shù)：太陽能的電壓；市電端的電壓；輸出電壓。根據(jù)電路拓?fù)鋱D可知市電端的電壓和輸出電壓均是共地的，因此可以采集共地的電壓，利用分壓電阻的方法進行電壓信號采集，而太陽能端的電壓是非共地電壓，而非共地電壓信號的采集方式利用運算放大器搭建差分電路，利用霍爾電壓傳感器等，考慮到運放的調(diào)試難度，因此本系統(tǒng)中利用霍爾電壓傳感器檢測采集太陽能的電壓信號。

3.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)選擇STC12C5604AD作為控制芯片，選擇兩路I/O口作為PWM輸出，控制兩個MOS管。通過判斷是白天或是黑夜，太陽能的輸出電壓低于設(shè)定的電壓值時，判斷為黑夜，如果是黑夜的時候，此時單片機輸出低電平，關(guān)斷太陽能端的MOS管，根據(jù)設(shè)計好的占空比計算方法，輸出相對應(yīng)的PWM信號，控制市電端的MOS管開斷，市電單獨供電給LED負(fù)載，若太陽能的輸出電壓高于設(shè)定的電壓值的時候，判斷為白天，此時則需要通過遲滯比較器的原理進行軟件設(shè)計，當(dāng)檢測到的輸出電壓大于設(shè)定的輸出電壓上限值的時候，證明太陽能的輸出功率大于負(fù)載功率，可以單獨供電給負(fù)載，此時根據(jù)軟件設(shè)計的占空比計算方法，單片機輸出對應(yīng)的PWM信號，控制太陽能端的MOS管開斷，單片機另一個輸出口輸出的是低電平信號，市電端的MOS管關(guān)斷，若檢測到的輸出電壓低于設(shè)定的輸出電壓下限值的時候，太陽能的輸出功率小于負(fù)載功率，不能單獨供電給負(fù)載，需要市電與太陽能聯(lián)合供電給負(fù)載，根據(jù)軟件設(shè)計的算法得出兩個管子的占空比，單片機輸出高電平，太陽能端的MOS管一直導(dǎo)通，此時太陽能和市電串聯(lián)供電，形成一個Buck電路，單片機輸出相對應(yīng)的占空比，控制市電端的MOS管開斷，輸出電壓穩(wěn)定在一個數(shù)值，太陽能和市電聯(lián)合供電給負(fù)載。控制流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

圖8 太陽能單獨供電

4 實驗驗證

Intelligent complement of solar energy and electricity for LED lighting system

Based on the principle of double-input Buck converter， STC12C5604AD microcontroller was used as control core， and a solar/grid power supply system was built through hardware and software design， building the solar LED lighting systems without energy storage equipment.The experiment results show that the system can achieve the three modes that solar power alone， grid power alone and solar/grid power supply.The system is suitable for being use in day and night lighting environment.

double-input Buck converter;solar energy;LED lighting system

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0854-03

2015-09-11

福建省科技計劃重點項目(2013I0004)；福建省發(fā)改委項目；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目

楊菲菲(1989—)，女，福建省人，碩士研究生，主要研究方向為LED照明電路。

郭震寧，E-mail:znguo@hqu.edu.cn