LED第八章 系统软件 硬件设计等Word格式文档下载.docx
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X1、X2
4MHz的晶振
8
P1.4
悬空
9、10
SDA、SCC
外接24C04NE2PROM扩展功能
11
P1.1输出
控制蓄电池充电电路导通,V09(MOSEET管)开关
12
P1.0输出
控制蓄电池放电电路开关“RELAY”继电器
13
P0.7
14
P0.6
输入连接按键K1中断
15
VDD
+5V
16
AD2
单片机检测PV+电压
17
AD1
单片机检测BAT+电压
18
AD0
检测蓄电池温度
19、20、1
P0.2输入、P01输
入、P0.00输出
连接拨码开关J,实现不同模式下功能
2.2蓄电池充放电电路
当单片机检测到PV+电平高于BAT+电平时,开关器件VQ9导通,太阳能电池方阵向蓄电池用直充方式充电,当蓄电池被充至过压时,开关器件Q9关断,太阳能电池方阵向蓄电池小电流充电(浮充)这样能起到“过充电保护”作用。
当夜晚或阴天阳光不足时,继电器导通,蓄电池放电,保证负载不停电,本系统设计的继电器RELAY,为蓄电池放电开关,由单片机I/O口输出。
具备光控功能、有阳光时、RELAY关断,当夜晚或阴天时,RELAY导通,蓄电池放电。
从保护蓄电池出发,当蓄电池电压小于过放电压时,RELAY也关断,进行过放电保护,避免电池放空,损坏蓄电池。
当太阳电池方阵重新供电且只有蓄电池电压重新升到浮充电压,需要为负载供电时,RELAY才重新导通,接通负载回路。
2.3显示电路
此控制器采用一个双色LED发光二极管作为系统状态指示灯。
该双色LED发光二极管显示非常直观,取代以往多个指示灯。
单片机通过检测引脚17(AD,即BAT+电压)的值与设定值相比较,控制引脚2(P1.7)和引脚3(P16)的输出电平,决定系统状态指示灯的颜色和状态。
表2表示状态指示灯显示的状态
指示灯状态
状况
P1.6(绿色)
P1.7(红色)
绿灯常亮
BAT+在正常范围(24~30V)
低电平
高电平
绿灯慢闪
BAT+充满,高于30V
橙黄色常亮
BAT+欠压(22~24V)
红灯常亮
BAT+过放(低于22V)
红灯闪烁
负载有严重故障
2.4控制器工作模式选择电路
本控制器预设八种工作模式供用户选择,只需要拨码开关J,单片机将自动选择控制模式,根据程序流程,分别实现不同模式下的功能。
表38种工作模式预设
拨码开关
工作模式
纯光控启动、关闭
1
光控启动+4h定时关闭
2
光控启动+5h定时关闭
3
光控启动+6h定时关闭
光控启动+8h定时关闭
光控启动+10h定时关闭
6
24h模式(无光控、定时)
7
调试模式
3.系统软件设计
主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序、充放电管理子程序、负载管理子程序、LED显示子程序等。
以调试模式为例
图3系统结构图
图4软件系统设计流程
4、实验结果
两个12V7AH阀控铅酸蓄电池36W低压钠灯和由直流电压模拟代替80WP光伏阵列
例四:
太阳能大功率LED路灯的设计
1.太阳能电池板与蓄电池的选取
1.1太阳能电池板选取
单晶硅光电转换效率为15%寿命15年
多晶硅光电转换效率为12%比单晶硅寿命短
非晶硅薄膜电池光电转换效率10%且不稳定,随时间延长效率衰减,直接影响使用
太阳能照明系统充放电效率取75%太阳电池组失修正系数取0.95
灰尘遮挡损失修正系数取0.90
太阳能电池总用量P的计算公式
式中
为负载日功耗(Wh),HL为水平面年平均日辐射量KJ/m2·
d,kop为斜面辐射最佳辐射系数,A为安全系数一般取1.1~1.3。
1.2蓄电池的容量
蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED路灯的功率,以及照明时间来决定,蓄电池应与太阳能电池、LED路灯相匹配,经验公式:
太阳能电池功率高出负载功率4倍以上,太阳能电池的电压要超过蓄电池工作电压20%~30%。
因此,蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上。
蓄电池的容量BC计算公式:
PL为日平均耗电量,D为阴雨天数,Kb为安全系数取1.1~1.4(包括温度修正系数T0=0℃以上为1,-10℃为1.1,-10℃以下为1.2),放电深度cc=0.75,V为工作电压。
这里选用12V100Ah阀控制密封式铅酸蓄电池
2.太阳能控制器硬件设计
充电器用ATmega128单片机作为主控器件,检测太阳能电池板的输出电压,选择适合DC/DC支路,检测蓄电池的电压值。
根据蓄电池的电荷状态,选择合适的充电方式为蓄电池提供过充电、过放电保护。
图5
图5为采用斩波式pwm充电原理图,检测蓄电池的充电端电压,将检测到的充电端电压与给定点电压比较。
若蓄电池的电压小于给定电压,斩波器全通,迅速给蓄电池充电,若大于给定电压,则根据比例调整功率管的占空比,充电进入慢充阶段,最后进入涓流充电,防止过充。
图6
AVR128单片机(PB4)给出充电的控制信号,PB4=1,0805三极管导通,集电极接地,使得IRF4905栅源电压钳位在-10V,IRF4095导通,太阳能电池板向蓄电池充电,反之,0805截止,VGS=0。
IRF4905断开,太阳电池板不能向蓄电池充电。
ATmega128内置10位逐次逼近型A/D转换器,与8通道的模拟多路复用器连接,采样端口F以8路单端输入电压,蓄电池正极与单片机PF1引脚相连,当电压低到10V,单片机自动检测到并作出相应处理。
3.LED的选择
目前大功率有1、3、5、8、10W,批量有1W和3WLED,并正朝300mA~1.4A,高效率60~204lm/w亮度可调的方向发展。
4.LED组合及驱动方式
①并联方式,要求驱动器输出较大电流,负载电压低,LED两端电压相同,当LED一致性差别较大,LED电流不一致,其亮度也不同。
②串联方式,要求驱动器输出电压较高,当LED一致性差别较大时,分配在LED两端的电压不同,通过LED电流相同,LED亮度一致。
③混联方式,LED数量平均分配,在一串LED上电压相同,通过同一串每颗LED上的电流也基本相同,LED亮度一致,同时通过每串LED的电流也相近。
由于LED具有典型的pn结伏安特性,其正向压降的微小变化会引起较大正向电流变化,不稳定工作电流会影响LED寿命和光衰,驱动电路必须提供恒定的电流。
选用XLT604为驱动器,输入7~450vdc,以高达300khz固定频率驱动外部MOSFET,其频率可由外部电阻编程决定,恒流值由外部取样电阻决定,电流几mA~1A,通过外部低频pwm方式调节LED串口亮度。
图7
其中:
LD为线性输入调光端,ROSC为振荡电阻输入端,CS为LED电流采样输入端,GND为接地端,GATE为驱动外部MOSFET栅极,VDD为电源,PWM为输入调光端且兼作使能端。
5.太阳能30wLED路灯系统设计
1确定当地气象地理条件:
资料查询太原地区北纬37°
27′到38°
25′,东经
110°
30′到113°
09′,海拔800m,最长阴雨天7天(7d)。
②负载日耗量的确定:
照明路灯功率30w,每天连续工作时间10h,每日耗电
③倾角确定:
太原地区倾角选38°
,太阳能电池板最佳倾角38°
+5°
=43°
因此太阳能电池板面向正南。
④太阳能电池总能量的计算:
太原地区日平均太阳辐射量为15mJ/m2·
d,因此年水平面平均日辐射量HL=15000KJ/m2·
d。
Kop太原地区取1.1。
太阳能电池选用组件参数:
工作电压为17.2V,工作电流3.49A,开始电压为21.6V,短路电流3.9A,峰值功率为60Wp。
所用太阳能峰值功率为60Wp,电池组件共2块,设计12V蓄电池充电。
6.蓄电池的容量Bc的计算
因此选用两组12V、100Ah阈控密封式铅酸蓄电池即可。
7.结论:
LED路灯应用中存在的问题
①集中管理问题②太阳能电池寿命、蓄电池寿命以及控制元件寿命低于LED寿命问题③安装高度太阳能电池的重量对灯杆设计,防风能力提高。
例五太阳能风能互补通讯基站智能管理电源研制
1风光互补发电机系统总体设计
能量产生:
风力、人力发电和光伏发电;
储能:
蓄电池;
能量消耗:
直流和交流负载
图8系统整体框图
图9
2硬件设计
2.1控制模块
选用三菱FX系列PLC为控制核心,作用适时检测风力回路的发电情况。
单只蓄电池的充放电状态以及均充电路和能耗电路的通、断控制。
实现PLC与上位机PC的数据通讯。
具体控制过程为:
当检测到发电端功率过大或输入电压过高时,接通能耗电路,以保护系统不至于过载。
当检测到发点端过低或电位过低时,切断电路,使系统停止工作,并让控制器自动复位、当检测到某只蓄电池端电压高于设定值时,切断该只电池均充电路,并且控制器可通过选择电池切换装置循环检测每一只电池。
以实现蓄电池的均充管理,达到近于蓄电池使用寿命。
2.2能量产生环节设计
采用电压回接法(恒压法),即在系统中加入一个太阳电池CVT或mppm跟踪器,使太阳能光伏电池实现最大输出功率。
图10
DC/DC转换模块采用北京承力电?
有限公司生产的MZC20018S17.5型模块。
具体参数为功率200W,输入电压9~38V,输出电压17.5V,效率86%。
2.3蓄电池组智能管理系统
为避免一体式充电易导致单只电池损害的缺点。
本系统采用均充模式对电池组进行逐个充电。
充电时,若处于充电状态的单只电池的端电压大于或等于设定值,则断开均充电路。
接着检测下一只单电池,以实现对蓄电池组中每一只蓄电池的均匀管理。
图11小型高效风光互补电源系统图
2.3.1均充模块设计
该模块负责将电源端17.5V转换成稳定的2.45V。
为单电池提供充电电压。
DC/DC转换芯片采用L4960。
对于串联的单电池而言,每个均匀模块不能相互干扰。
在输出端加一个高频变压器T,转换电路如图12所示。
L4960最大输出电流仅为1.5A,输出功率有限,可以考虑并联几片用来扩展输出电流以提高输出功率。
图12隔离型L4960转换电路
2.3.2蓄电池检测切换装置
蓄电池检测切换装置是通过PLC与外部继电器共同作用实现。
线圈通电由PLC控制,可以编写PLC控制程序,使各个输出继电器能够互锁,即当K11得电吸合时,K12~K16都不得电。
同理,当K12得电吸合时,其余继电器都不得电。
3软件设计
PLC是整个系统的控制枢纽。
用PLC给蓄电池组充电控制程序有两个功能
1对单只电池检测10S(此时间可根据蓄电池容量来定),如流程图13所示。
2检测结果控制均匀模块。
工作状态流程框图,如图14所示。
结论:
不仅为山区和高原地区的通讯基站电源供电,对小型家庭用户、野外工作站、渔户都有借鉴和推广价值。
例六分布式风光互补电源的能量管理策略
1、引言
风能、太阳能等可再生能源分布广泛,但因能量密度低,供电随机性大,限制了其大规模应用。
因此利用风力和太阳能在气候和时间上的互补性,研制分布式风光互补发电系统成为一个研究亮点。
考虑到负载峰值功率和连续阴雨无风天气,离网型风光互补发电系统其光伏发电、风力发电和蓄电池的设计容量,一般要大于额定负载用量的2~3倍。
容量的冗余增加了系统成本。
无序充放电也会缩短蓄电池的寿命。
并网型系统无需储能装置,但存在电能质量、孤岛效应等问题,若大规模应用,其随机性发电以及发电容量的良莠不齐,将会破坏电能质量,保护设备无法适应。
因此,我国电力部门严格限制私人和单位并网,防止其干扰正常电力秩序。
根据以上问题,为充分利用光伏和风力发电,设计了基于模块式风光互补发电和储能装置的分布式复合能源系统。
利用电网作为能源备份,保证持续系统可靠供电。
2、系统架构设计
设计的供电系统有多个分布式功率变换模块组成,通过直流母线并联构成一个多钟供电方式的微电网,系统按功能分为光伏发电模块、风电模块、蓄电池充放电管理模块、逆变器模块、单向并网模块以及主控制模块等,可自动组合的功率模块,各模块又可列出不同的功率等级,如图15所示。
图15
系统控制采用两级架构,各功率模块分别由单片机控制,实现该模块的功率变换控制及监测、保护等功能。
主控制器实现整个系统的功率调度规划,协调控制各模块的工作状态,并实现系统级的管理、人机交互、网络通讯等功能,各模块间采用CAV网络,易于实现系统在一定范围内的分布式布局。
在正常工作模式下,使电网的直流母线电压恒定在360V,用大容量缓冲电容能够稳定母线电压。
为避免各模块的电压差,导致系统环流,采用一个主电压源并联多个电流源的控制方式,当风光发电设备供应过剩时,风光互补设备工作在稳压模式,输出恒定的母线电压。
当风光发电设备供电不足时,则蓄电池充放电模块启动,作为一个电压源,其它模块工作在最大功率点跟踪MPPT模式,切换为最大电流输出的电流源。
如果蓄电池电力过低,则由电网供电,稳定系统的直线母线电压。
3、系统模块及MPPT控制
光伏电池流过负载的电流I与光伏电池输出电压u的关系可近似描述为:
Iph为光伏电池产生电流:
I0为光伏电池无光照时的饱和电流,T为温度,Rs为串联电阻,n为P-N结因子。
由光伏电池数学模型及U-I曲线可知,曲线上光伏电池的输出功率有一个单调的极值点,即U与I的乘积最大。
据此调整负载,跟踪最大功率点即能得到光伏电池最大功率的输出。
小功率的风力发电机一般为直流无刷发电机,从风中捕获的能量为:
Cp为风轮效率,
为空气密度,R为风轮半径,V为风速。
风机的功率和速度曲线具有明确的单个极值点,因此获得最大能量的运行模式是随变化的风速改变风力机速度。
使Cp保持在最大值,即可通过正确调整占空比来实现系统的MPPT控制。
4、系统供电规划策略及控制
为提高再生能源的利用效率,并选风能、光伏发电供应负荷,并为蓄电池充电,风能、光伏发电供给不足时,结合发电预测量,蓄电池电容量和电网用电峰谷等状态优化使用蓄电池和电网的电力供给。
1风光互补的发电装置满足主要的用电负荷。
②蓄电池组储备风光互补装置发出的多余电力进行电力调度。
③蓄电池组充满时,风光互补装置退出MPPT模式,采用稳压控制模式,减轻系统应力,延长设备使用。
④风光互补装置无法满足负荷时,由蓄电池组供电。
⑤电网作为后备电力,提供系统无法提供的短时峰值电力。
⑥当数日阴雨无风天气时,电网为负载提供稳定电力。
以系统的综合成本(系统建设投入,20年维护费用和电供供电的电量三者和)最小优化设计目标。
首先结算负荷的用电需求,计算需考虑到用户未来用电需求的增加,包括负荷年均增长量,以负荷电量为依据,以电网供电的电量和风光互补发电系统的过剩电量(由假负载消耗)两者的最小化为优化目标,进行系统能量的优化计算。
图16所示控制系统由两个闭环组成,逆变器做电压闭环控制,根据负载和直流母线电压udc的变化调节pwm脉宽,得到准确稳定的交流电压输出。
图16
除负载变化外,udc的变化直接影响系统给负载提供电能的质量和可靠性。
因而稳定的udc是系统逆变电力质量的一个重要指标,取udc为被控量,可得系统的数学模型:
Ipv光伏模块输出电流,IWT为风电模块输出电流,
为储能模块输出电流,ICD为电网整流输出电流,IC为逆变器所需负载电流,C为直流平波电容容量
根据估算,只需不到8%的电网供电量,即可将发电系统容量减小1/3,蓄电池容量减小1/2以上,节约系统的建设和维护成本。
充分利用风光互补设备的发电容量,有效减小系统成本,对本地负荷用电起到平峰填谷的作用,不影响电网的质量和管理以及现有电力设备的正常运行。
采用分布负荷微电网,避开了传统并网方式存在的问题具有广泛应用前景和极大的推广价值。
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- LED第八章 系统软件 硬件设计等 LED 第八 硬件 设计