CN104254183A - 一种基于mppt的风光互补路灯控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，包括：处理器模块、电压电流检测模块、辅助电源模块、工作状态指示模块、RS232串口通信模块、Zigbee无线通信模块、均衡充电电路、保护电路、卸荷电路、PWM驱动电路和LED驱动电路；本发明还公开了一种基于MPPT的风光互补路灯控制器的控制方法，包括以下步骤：步骤一、采样光伏电池板的输出电压，确定进入白天处理程序还是夜晚处理程序；步骤三、进入白天处理程序，检测蓄电池状态，采用不同的充电方式；步骤四、进入夜晚处理程序，蓄电池的充电电压大于过放电压阀值，则接通负载，否则断开负载。具有便于集中管理、减少了维护工作量和降低了维护成本等优点。

Description

一种基于MPPT的风光互补路灯控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种路灯控制器，尤其涉及一种基于MPPT的风光互补路灯控制器及其控制方法。

背景技术

大力发展低碳经济是人类实现可持续发展的必然选择，实现低碳经济的重要途径就是可再生能源的利用，在众多可再生能源中，由于碳的零排放，风能和太阳能是21世纪最被看好的可再生能源。我国的风力资源非常丰富，其中陆地可开发的装机容量居世界首位，我国同样也是太阳能资源大国，在风力资源和太阳能资源都比较一般的广大地区，混合利用这两种能源的风光互补发电技术能够发挥太阳能和风能资源互补的优势，从一定程度降低了对资源要求的门槛，使得新能源的应用更加广泛。路灯是城市中的基础设施，路灯耗电的情况非常严重，低压输电线路也存在很大损耗，故采用风光互补路灯可以达到节能减排的目的。传统的风光互补路灯控制器存在一些缺陷：对蓄电池的充电方式为单一的直充方式，如果外界环境为风力很小的阴雨天气，则电池处于亏点状态，如果外界风力大且光照充足，则会容易卸掉能量，充电效率低下；监控性差，无法对路灯进行实时监控，一旦出现故障，维护的工作量大；没有通讯接口，无法构成网络，更不能进行统一的集中管理；电池和负载具有时变特性，安全性稳定性不佳。

发明内容

本发明的首要目的在于克服传统的风光互补路灯控制器充电效率低下，监控性差，无法进行统一集中管理，安全性稳定性不佳等问题，提供一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，该控制器能方便对路灯设备和控制设备进行网络化监控管理。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于MPPT的风光互补路灯控制器的控制方法，该控制方法采用分时段控制方式和一种MPPT控制方法解决电池和负载的时变性问题，同时提高光伏发电的效率。

本发明的首要目的可以由下述的技术方案实现：一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，包括处理器模块、电压电流检测模块、辅助电源模块、工作状态指示模块、RS232串口通信模块、Zigbee无线通信模块、均衡充电电路、保护电路、卸荷电路、PWM驱动电路和LED驱动电路。所述处理器模块与RS232串口通信模块、Zigbee无线通信模块连接；所述电压电流检测模块、辅助电源模块、工作状态指示模块、均衡充电电路、保护电路、卸荷电路、PWM驱动电路、LED驱动电路分别与处理器模块连接。电压电流检测模块包括对光伏电池板的输出电压、风力发电机整流后的输出电压、直流母线电压、蓄电池充电电压、蓄电池电流、光伏充电电流和风力发电充电电流进行实时检测，再经过单片机进行AD转换后将模拟量转换成数字量。辅助电源模块采用蓄电池组供电方式，通过DC/DC变换为系统各模块和控制电路提供稳定的供电电源。工作状态指示模块将电压电流检测模块采样处理后的电压电流量经过单片机处理后通过数码管显示。均衡充电电路与处理器模块连接，同时与风光互补路灯蓄电池组连接，由电感、MOSFET和二极管构成，蓄电池组出现电压不均衡会触发MOSFET，电能存储在电感中，当MOSFET关断时，电感、二极管、能量较低的电池构成新的回路，电感中存储的能量就转移到能量较低的电池中，实现了均衡充电。保护电路由开关管和继电器组成，包括蓄电池过充过放保护、蓄电池反接保护、太阳能电池组反接保护。卸荷电路采用PWM卸荷电路，单片机发出PWM控制信号，经过推挽电路放大后，驱动MOS管，大功率电阻与MOS管串联，起到消耗能量的作用，主控电路通过电压检测电路检测风力发电机经整流后的电压，当风力发电机的电压达到设定点时，主控电路发出PWM信号，控制MOS管的通断，从而实现控制大功率电阻接入风机电路的时间，大功率电阻本身具有卸荷的功能，可以使风力发电机多余的电量转化为热能消耗掉。PWM驱动电路采用单片机产生PWM信号控制BUCK电路的开关管和卸荷电路。LED驱动电路通过恒流驱动芯片驱动LED路灯。与此同时，Zigbee无线通信模块将所有路灯及充放电设备连成网络，将设备的状态信息传送至远端服务器，便于统一监控集中管理。单片机通过RS232串口通信模块与上位机通信，将数据上传至上位机从而记录电压电流的采样值和蓄电池的运行状态。

所述的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，所述的处理器模块包括单片机、时钟电路、复位电路和电源电路，单片机采用ATmega48单片机。

所述的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，所述的电压电流检测模块包括对光伏电池板的输出电压、风力发电机整流后的输出电压、直流母线电压、蓄电池充电电压、光伏充电电流和风力发电充电电流进行实时检测。

所述的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，所述的辅助电源模块的供电方式是采用蓄电池为输入端供电，采用DC/DC转换芯片搭建外围电路实现为控制模块或电路提供稳定电压。

所述的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，所述的工作状态指示模块包括对光伏电池板、风力发电机以及蓄电池的电压电流状态监测，都是通过采样电阻检测电压电流信号，经过运算放大器和滤波电路后进入单片机进行处理，单片机将电压电流检测电路采样处理后的数据通过数码管显示出来。

所述的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，所述的卸荷电路采用PWM卸荷电路，单片机通过产生PWM信号控制MOS管的关断，从而控制大功率电阻接入风机电路的时间，大功率电阻将多余的电量转化为热量消耗掉。

所述的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，所述的LED驱动电路采用恒流驱动芯片来驱动LED路灯；所述的均衡充电电路由电感、MOSFET和二极管构成。

本发明的另一目的可以通过以下技术方案实现：一种控制基于MPPT的风光互补路灯控制器的控制方法，该控制方法为一种采用分时段控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一、通过电压电流检测模块采样光伏电池板的输出电压，如果光伏电池板的输出电压大于或者等于开启充电电压阀值，此时路灯开始对蓄电池充电，执行白天处理程序，否则不执行；如果光伏电池板的输出电压小于或者等于电压阀值，此时路灯开始对放电过程进行监管控制，执行夜晚处理程序，否则断开充电回路；

步骤二、所述的白天处理程序通过检测蓄电池的电压和电流，分别采用MPPT充电、恒压充电和浮充三段式充电方法；检测蓄电池的电压，如果电压小于设定的阀值，表明电力不足，则采用MPPT充电方法进行光伏发电；检测蓄电池容量，达到90％时，采用恒压充电方法。MPPT方法即最大功率跟踪方法。

步骤三、检测蓄电池的充电电流，如果充电电流小于1/100C，C为蓄电池容量，则进入浮充阶段；此时如果检测到的充电电流值小于关断阀值，则断开充电回路。

步骤四、所述的夜晚处理程序通过检测蓄电池的充电电压控制负载的通断，如果蓄电池的充电电压大于过放电压阀值，则接通负载，否则断开负载。

在步骤二中，所述MPPT充电方法包括以下步骤：

步骤A、初始化参数，增加电压占空比K_c；当占空比不等于100％时，检测当前实际功率P_C1，增加一个扰动量，再次检测当前实际功率P_C2，比较P_C1与P_C2的大小，取较大值为P_C，比较P_C与最大功率P_m的大小，如果P_C>P_m，则记录下当前最优占空比K_m，且K_m＝K_c，当前最大功率P_m＝P_C；再进行第二次扫描；

步骤B、当占空比等于100％时，以最优占空比工作，检测当前实际功率P_C1，增加一个扰动量，再次检测当前实际功率P_C2，比较P_C1与P_C2的大小，取较大值为P_C；将|P_C-P_m|与设定值P₀进行比较，如果|P_C-P_m|>P₀，则再次扫描；否则，维持当前状态。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，不仅能方便对路灯设备和控制设备进行网络化监控管理，而且采用分时段控制方式和一种MPPT方法解决电池和负载的时变性问题，同时提高光伏发电的效率。

附图说明

图1是本发明一种基于MPPT的风光互补路灯控制器的结构框图。

图2是本发明一种基于MPPT的风光互补路灯控制器的分时控制流程图。

图3是本发明一种基于MPPT的风光互补路灯控制器的MPPT方法控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1所示，一种基于MPPT的风光互补LED路灯控制器，它包括处理器模块1、电压电流检测模块3、辅助电源模块2、工作状态指示模块7、RS232串口通信模块10、Zigbee无线通信模块11、均衡充电电路4、保护电路8、卸荷电路9、PWM驱动电路5、LED驱动电路6。电压电流检测模块3与处理器模块1连接，包括对光伏电池板的输出电压、风力发电机整流后的输出电压、直流母线电压、蓄电池充电电压、蓄电池电流、光伏充电电流和风力发电充电电流进行实时检测，其中电压检测电路用采样电阻采样电压信号，电压信号首先经过两个电阻分压，通过一个运算放大器组成的电压跟随器输出后，再经过由电阻和电容组成的一阶滤波电路后输入到单片机的AD口进行AD转换；电流检测电路通过采样电阻采样电流，经运算放大器放大和滤波电路去除高频噪声，再输入到单片机的AD口进行模数转换，采样电阻采用精度高的毫欧级电阻。辅助电源模块2与处理器模块1连接，采用风光互补路灯控制系统中的蓄电池作为辅助电源的供电端，采用DC/DC转换芯片及其外围电路为控制芯片、驱动电路和监控系统提供稳定的电源，DC/DC转换芯片采用的是TPS54331，只需简单的外围电路就可以构成BUCK电路提供稳定的12V电压，再经过稳定芯片转换成5V电压，为单片机供电。工作状态指示模块7与处理器模块1连接，电压电流检测模块3采样的电压电流信号经过单片机处理后产生开关量，通过数码管显示当前光伏电池板、风力发电机和蓄电池的电压电流值。均衡充电电路4与处理器模块1连接，同时与风光互补路灯蓄电池组连接，由电感、MOSFET和二极管构成，蓄电池组出现电压不均衡会触发MOSFET，电能存储在电感中，当MOSFET关断时，电感、二极管、能量较低的电池构成新的回路，电感中存储的能量就转移到能量较低的电池中，实现了均衡充电。保护电路8由开关管、电感、电容、二极管组成，包括蓄电池过充过放保护、蓄电池反接保护、太阳能电池组反接保护。卸荷电路9采用PWM卸荷电路，单片机产生PWM控制信号，信号经过推挽电路放大后控制MOS管的关断，从而控制大功率电阻接入风机电路的时间，大功率电阻可以使风力发电多余的能量转换为热能。PWM驱动电路5通过单片机产生两路PWM信号，一路控制BUCK电路的开关管，实现最大功率跟踪和对蓄电池的充放电管理，另一路控制卸荷电路，释放多余的能量，通过单片机的定时器单元可产生多种PWM模式。LED驱动电路6采用恒流驱动控制器LT3791驱动LED路灯。处理器模块1与Zigbee无线通信模块11连接，将所有的路灯和充放电设备连成网络，从而将设备的状态信息传至远端服务器进行统一监控；同时通过与RS232串口通信模块10连接和上位机通信，将数据上传至上位机从而记录电压电流的采样值和蓄电池的运行状态。

如图2所示，一种控制基于MPPT的风光互补LED路灯控制器的控制方法，该控制方法是一种分时段控制的控制方法，其具体工作流程如下：通过电压电流检测模块采样光伏电池板的输出电压，如果光伏电池板的输出电压大于或者等于开启充电电压阀值(如15V)，此时路灯开始对蓄电池充电，执行白天处理程序，否则不执行；如果光伏电池板的输出电压小于或者等于电压阀值(如2V)，此时路灯开始对放电过程进行监管控制，执行夜晚处理程序，否则断开充电回路。所述的白天处理程序通过检测蓄电池的电压和电流，分别采用MPPT充电方法、恒压充电方法和浮充方法；检测蓄电池的电压，如果电压小于设定的阀值，表明电力不足，则采用MPPT充电方法，MPPT即最大功率跟踪方法，检测蓄电池容量，当蓄电池的容量达到90％，则采用恒压充电方法，检测蓄电池的充电电流，如果充电电流小于1/100C，C为蓄电池容量，表示蓄电池已经充满，则进入浮充阶段，同时，不断采样蓄电池电流值，如果采样电流值小于关断阀值，则断开充电回路；所述的夜晚处理程序通过检测蓄电池的充电电压控制负载的通断，如果蓄电池的充电电压大于过放电压阀值，则接通负载，否则断开负载。

如图3所示，一种基于MPPT的风光互补LED路灯控制器，光伏充电过程中的一种MPPT方法工作流程如下：初始化参数，增加电压占空比K_c；当占空比不等于100％时，检测当前实际功率P_C1，增加一个扰动量，再次检测当前实际功率P_C2，比较P_C1与P_C2的大小，取较大值为P_C，比较P_C与最大功率P_m的大小，如果P_C>P_m，则记录下当前最优占空比K_m，且K_m＝K_c，当前最大功率P_m＝P_C；再进行第二次扫描；当占空比等于100％时，以最优占空比工作，检测当前实际功率P_C1，增加一个扰动量，再次检测当前实际功率P_C2，比较P_C1与P_C2的大小，取较大值为P_C；将|P_C-P_m|与设定值P₀进行比较，如果|P_C-P_m|>P₀，则再次扫描；否则，维持当前状态。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：包括处理器模块、电压电流检测模块、辅助电源模块、工作状态指示模块、RS232串口通信模块、Zigbee无线通信模块、均衡充电电路、保护电路、卸荷电路、PWM驱动电路和LED驱动电路，处理器模块与Zigbee无线通信模块连接，将所有的路灯和充放电设备连成网络，从而将设备的状态信息传送至远端服务器进行统一监控，同时通过与RS232串口通信模块连接实现控制器与上位机之间的通信，将数据上传至上位机从而记录风光互补路灯工作时的电压电流值和蓄电池的运行状态；电压电流检测模块、辅助电源模块、工作状态指示模块、均衡充电电路、保护电路、卸荷电路、PWM驱动电路、LED驱动电路分别与处理器模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：所述的处理器模块包括单片机、时钟电路、复位电路和电源电路，单片机采用ATmega48单片机。

3.根据权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：所述的电压电流检测模块包括对光伏电池板的输出电压、风力发电机整流后的输出电压、直流母线电压、蓄电池充电电压、光伏充电电流和风力发电充电电流进行实时检测。

4.根据权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：所述的辅助电源模块的供电方式是采用蓄电池为输入端供电，采用DC/DC转换芯片搭建外围电路用于提供稳定的供电电压。

5.根据权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：所述的工作状态指示模块包括对光伏电池板、风力发电机以及蓄电池的电压电流状态监测，都是通过采样电阻检测电压电流信号，经过运算放大器和滤波电路后进入单片机进行处理，单片机将电压电流检测电路采样处理后的数据通过数码管显示出来。

6.根据权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：所述的卸荷电路采用PWM卸荷电路，单片机通过产生PWM信号控制MOS管的关断，从而控制大功率电阻接入风机电路的时间，大功率电阻将多余的电量转化为热量消耗掉。

7.根据权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器，其特征在于：所述的LED驱动电路采用恒流驱动芯片来驱动LED路灯；所述的均衡充电电路由电感、MOSFET和二极管构成。

8.一种控制权利要求1所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、通过电压电流检测模块采样光伏电池板的输出电压，如果光伏电池板的输出电压大于或者等于开启充电电压阀值，此时路灯开始对蓄电池充电，执行白天处理程序，否则不执行；如果光伏电池板的输出电压小于或者等于电压阀值，此时路灯开始对放电过程进行监管控制，执行夜晚处理程序，否则，断开充电回路；

步骤二、所述的白天处理程序通过检测蓄电池的电压和电流，分别采用MPPT充电、恒压充电和浮充三段式充电方法；检测蓄电池的电压，如果电压小于设定的阀值，表明电力不足，则采用MPPT充电方法进行光伏发电；检测蓄电池容量，达到90％时，采用恒压充电方法，MPPT充电方法即最大功率跟踪充电方法；

步骤三、检测蓄电池的充电电流，如果充电电流小于1/100C，C为蓄电池容量，则进入浮充阶段；此时如果检测到的充电电流值小于关断阀值，则断开充电回路；

步骤四、所述的夜晚处理程序通过检测蓄电池的充电电压控制负载的通断，如果蓄电池的充电电压大于过放电压阀值，则接通负载，否则断开负载。

9.根据权利要求8所述的基于MPPT的风光互补路灯控制器的控制方法，其特征在于：在步骤二中，所述MPPT充电方法包括以下步骤：

步骤A、初始化参数，增加电压占空比K_c；当占空比不等于100％时，检测当前实际功率P_C1，增加一个扰动量，再次检测当前实际功率P_C2，比较P_C1与P_C2的大小，取较大值为P_C，比较P_C与最大功率P_m的大小，如果P_C>P_m，则记录下当前最优占空比K_m，且K_m＝K_c，当前最大功率P_m＝P_C；再进行第二次扫描；

步骤B、当占空比等于100％时，以最优占空比工作，检测当前实际功率P_C1，增加一个扰动量，再次检测当前实际功率P_C2，比较P_C1与P_C2的大小，取较大值为P_C；将|P_C-P_m|与设定值P₀进行比较，如果|P_C-P_m|>P₀，则再次扫描；否则，维持当前状态。