基于風(fēng)光互補(bǔ)型的智能LED路燈控制器的設(shè)計(jì)

吳興昊++張曉力++許中陽++付俊英++范怡然

摘要：本文通過對太陽能路燈照明系統(tǒng)的各主要組成部分進(jìn)行分析，介紹了一種基于單片機(jī)技術(shù)、以LED為發(fā)光源、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L(fēng)光互補(bǔ)型路燈控制系統(tǒng)該系統(tǒng)通過在每一盞路燈的控制器安裝ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器從而構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)路燈工作狀態(tài)的采集，并在此基礎(chǔ)上對采集出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工或智能分析，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的智能監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：太陽能 風(fēng)能 控制器 鋰電池 ZigBee MPPT

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0169-02

Abstract：Based on the major components of solar street lighting system is analyzed， introduced a single-chip-based technology to LED as light source， ZigBee wireless sensor network for data transmission scenery complementary street light control system in each of the system through streetlights controller installation ZigBee wireless sensor network transmitters to build wireless networks collect street working conditions， and on the basis of the collected data out manual or intelligent analysis， enabling solar hybrid street lighting system intelligent monitoring and management.

Key Words：Solar Energy；Wind Energy；Lithium battery；Controller；Zigbee；MPPT

引言

如今太陽能和風(fēng)能作為一種清潔無污染可再生能源得到越來越廣泛的應(yīng)用。太陽能路燈是太陽能應(yīng)用之一，目前的太陽能光伏發(fā)電有以下特點(diǎn)：過去普通路燈的安裝施工麻煩需要時(shí)間長，不僅增加了施工成本，設(shè)施設(shè)備的維護(hù)成本也大幅提升。與此相反，太陽能LED路燈的應(yīng)用，無需大量鋪設(shè)供電電纜，節(jié)約了大量人力物力，并且不受應(yīng)用場合的限制，太陽能LED路燈已成為照明行業(yè)的新星。但是，目前太陽能發(fā)電研究有一下問題：由于陰雨天氣導(dǎo)致太陽能路燈無法在白天正常充電，從而獲得足夠的電量以供晚上照明電量所用。因此本系統(tǒng)做出了在現(xiàn)有太陽路燈的基礎(chǔ)上做出以下改進(jìn)：加入風(fēng)力發(fā)電機(jī)，Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及其所需配置的其他部件組成。Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將管理機(jī)構(gòu)與每一路燈連接起來，最終實(shí)現(xiàn)對每一盞路燈的工作狀況的全方位的分布式自動(dòng)/人工監(jiān)視和控制，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明工作狀態(tài)的智能優(yōu)化管理。

1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)主要硬件介紹

該風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明控制系統(tǒng)以微型處理器、Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為設(shè)計(jì)核心，由以下幾個(gè)部分組成，太陽能電池板，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，控制器，鋰電池組，Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，輔助系統(tǒng)（包括光照采集傳感器、GPS模塊、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等）以及路燈所需配置的其他部件組成。

1.1 控制器

控制器一方面控制負(fù)載的輸出狀態(tài)，另一方面還要將多余的電能送往鋰電池組存儲(chǔ)；當(dāng)發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，還要控制鋰電池的電能送往負(fù)載；在控制器的控制下，蓄能組件控制放電通路的通斷，防止電池過放，以保證整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。其中，風(fēng)力發(fā)電控制主要任務(wù)是跟蹤風(fēng)速變化，通過變槳距控制或者雙反饋控制，小型風(fēng)機(jī)大多利用對Boost變換器的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)保持輸出最大功率。光伏發(fā)電控制的主要任務(wù)是跟蹤輸出功率的變化，使用MPPT算法，使光伏電池始終保持輸出最大功率。

1.2 ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)主要是接收由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；或者通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)廣播到各路燈控制器節(jié)點(diǎn)，以完成相應(yīng)的控制功能[1]。

1.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)用來確保溫濕度傳感器能夠穩(wěn)定的工作，然后將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送給主控芯片，然后由主控芯片來控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上，最后由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸所收集的數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中心，由網(wǎng)絡(luò)中心根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)發(fā)送指令給ZigBee無線結(jié)點(diǎn)，從而調(diào)整控制路燈的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)主控制器設(shè)計(jì)及功能

本文所設(shè)計(jì)的智能型太陽能路燈控制器是以MSP430系列芯片為控制核心，控制器能對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過，以最大輸出功率對鋰電池進(jìn)行充電；在日間感知陽光使太陽能光伏電池板為蓄能組件進(jìn)行充電；通過監(jiān)測周圍環(huán)境溫度、光照和風(fēng)速結(jié)合MPPT算法模塊提高太陽能、風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，使其充電最大化；當(dāng)天黑后自動(dòng)控制開啟路燈，并根據(jù)外界光強(qiáng)度，智能調(diào)節(jié)并控制LED路燈亮度；在控制器的控制下由蓄能組件控制放電通路的通斷，防止電池過放。控制器的作用是使整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部件可以協(xié)調(diào)一致的工作，是整個(gè)系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)中心，對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

3 一種改進(jìn)的MPPT控制方法

在傳統(tǒng)的功率擾動(dòng)算法中，其擾動(dòng)步長△D是一個(gè)固定值，在MPPT穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，小的步長△D減少控制器功率的消耗；當(dāng)計(jì)算瞬時(shí)的MPPT值時(shí)，大的步長△D將會(huì)很快的得到新的MPP，但同時(shí)也會(huì)增加擾動(dòng)的區(qū)間范圍。所以對于傳統(tǒng)的功率擾動(dòng)算法，選擇合適的步長顯然成了一個(gè)很難解決的問題。所以本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)步長擾動(dòng)MPPT控制算法，這種算法就是為了權(quán)衡追蹤效率和追蹤的準(zhǔn)確性才使用的[2]。

它的工作原理是通過調(diào)整擾動(dòng)值并觀察負(fù)載曲線的電流。然后根據(jù)負(fù)載電流，自適應(yīng)決定的擾動(dòng)值△D。在得到△D的值之后，太陽能光伏電池板的功率占空比的值將會(huì)被得到的△D值進(jìn)行修改，并且在等待時(shí)間T之后，MPPT控制器將開始下一次的擾動(dòng)。在該算法的擾動(dòng)周期內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的占空比和其攜帶負(fù)載電流分別記作和。前一擾動(dòng)時(shí)刻的電源轉(zhuǎn)換器的占空比和負(fù)載電流分別記作和。負(fù)載電流和占空比的變化從一個(gè)工作周期到另一個(gè)工作周期可以被定義為：和。如果信號(hào)和是一樣的，則占空比△D將增加，并且變量X將被設(shè)置為“1”，為了使算法能夠記住在這一次占空比最后一次擾動(dòng)的方向。如果信號(hào)和是相反的，則在占空比將減少和變量X被設(shè)置為“0”，為了使算法能夠記住在這一次占空比最后一次擾動(dòng)的方向。變量X的值則用于在時(shí)，此時(shí)由于A/D 轉(zhuǎn)換器的分別率不是足夠的高，這樣就能夠看到在上一個(gè)工作周期上擾動(dòng)負(fù)載電流變化的結(jié)果。在這樣的條件下，在該占空比內(nèi)將被擾動(dòng)以同樣的方向作為上一次的迭代擾動(dòng)，并且電流值也不會(huì)改變。這一步等效于將占空比的擾動(dòng)步長增加了。但占空比的值總是在被比較，它的最小值為Dmin，最大值Dmax[3]。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

在智能型太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中，路燈控制器主要控制太陽能電池板獲得的光輻射能轉(zhuǎn)化為電能，并存儲(chǔ)在鋰電池中，然后鋰電池里的電向負(fù)載進(jìn)行供電。當(dāng)光敏電阻檢測到外界光照發(fā)生變化時(shí)，即進(jìn)入夜間后，驅(qū)動(dòng)LED燈變得更亮，并開始照明。如果鋰電池的電壓不足，則由電池管理芯片TP4056對其進(jìn)行管理，檢測其是否充電條件，若滿足條件則開始進(jìn)入充電模式，否則則進(jìn)入待機(jī)模式。

由于MPPT算法在軟件設(shè)計(jì)上比較復(fù)雜，并且其外圍的硬件電路也要根據(jù)需求而進(jìn)行改進(jìn)，所以在本系統(tǒng)中所實(shí)現(xiàn)的MPPT是用一硬件芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這款硬件芯片是 XLSEMI公司的一款固定頻率PWM升降壓DC-D變換器，其型號(hào)為XL6009。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

5.1 測試系統(tǒng)的組成

本設(shè)計(jì)的太陽能路燈系統(tǒng)，為一般性模擬測試課題，所以無需考慮野外作業(yè)。本設(shè)計(jì)是基于 STC12C5A602S2 設(shè)計(jì)的智能型太陽能 LED 路燈控制器，并設(shè)計(jì)了以該控制器為核心的簡易路燈系統(tǒng)，路燈的亮度能夠根據(jù)外界光照的變化，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5.2 系統(tǒng)控制器測試結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)控制器工作模式有以下幾種：

（1）強(qiáng)光照模式（Vpv≥4.4V），當(dāng)SOC≥95%時(shí)，鋰電池以浮充方式充電；當(dāng)SOC<95%時(shí)，以MPPT方式對鋰電池充電。

（2）弱光照模式（Vpv<4.4V），當(dāng)SOC≥50%時(shí)，鋰電池向LED負(fù)載供電；當(dāng)SOC<50%時(shí)，關(guān)閉鋰電池。

（3）強(qiáng)光弱（強(qiáng)）風(fēng)模式，同強(qiáng)光模式。

（4）弱光弱（強(qiáng)）風(fēng)模式在弱風(fēng)情況下，如弱光照模式；而在強(qiáng)風(fēng)模式下，如強(qiáng)光照模式。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處，在于其運(yùn)用并結(jié)合了微處理器、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、鋰電池和風(fēng)光互補(bǔ)的技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對每一盞路燈的工作狀況實(shí)現(xiàn)全方位的分布式人工監(jiān)視和控制，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制；其次，對太陽能光伏電池板的輸出功率特性以及常用MPPT 算法進(jìn)行了分析，并提出了一種新型的MPPT算法，但在經(jīng)費(fèi)允許的情況下使用了一種直接用硬件實(shí)現(xiàn)的MPPT算法，而不需要在軟件上進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，即直接用硬件內(nèi)部資源里固定頻率的PWM波控制 DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)MPPT算法。本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容涉及到多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，但在許多問題上并未能深入研究，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的不足之處，也是下一步要繼續(xù)改進(jìn)和完善的內(nèi)容。因此，在本文的基礎(chǔ)上，今后可以進(jìn)一步開展以下工作：

如何設(shè)計(jì)優(yōu)化MPPT算法，提高太陽能光伏電池板的輸出功率；是否能使太陽能光伏電池板結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使其能跟著太陽的運(yùn)動(dòng)方位變化而進(jìn)行位置的移動(dòng)；對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，修訂和完善；采用合適的算法求解風(fēng)速的Weibull 分布參數(shù)，然后根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率特性，建立風(fēng)力發(fā)電的能量輸出模型。而這些問題也將會(huì)成為以后關(guān)注的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]孫濱，郭瑞，付華，李楠.無線測控技術(shù)在太陽能路燈綜合管理中的應(yīng)用[J].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.

收稿日期：2016-09-26

作者簡介：吳興昊（1993—），男，貴州凱里人，本科畢業(yè)，研究方向：信息工程。