一種基于mppt的風光互補路燈控制器的制造方法
【專利摘要】一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，包括：處理器模塊、電壓電流檢測模塊、輔助電源模塊、工作狀態(tài)指示模塊、RS232串口通信模塊、Zigbee無線通信模塊、均衡充電電路、保護電路、卸荷電路、PWM驅動電路和LED驅動電路；本實用新型還公開了一種基于MPPT的風光互補路燈控制器的控制方法，包括以下步驟：步驟一、采樣光伏電池板的輸出電壓，確定進入白天處理程序還是夜晚處理程序；步驟三、進入白天處理程序，檢測蓄電池的狀態(tài)，采用不同的充電方式；步驟四、進入夜晚處理程序，蓄電池的充電電壓大于過放電壓閥值，則接通負載，否則斷開負載。具有減少了維護工作量和降低了維護成本等優(yōu)點。
【專利說明】—種基于MPPT的風光互補路燈控制器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種路燈控制器，尤其涉及一種基于MPPT的風光互補路燈控制器。

【背景技術】
[0002]大力發(fā)展低碳經(jīng)濟是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的重要途徑就是可再生能源的利用，在眾多可再生能源中，由于碳的零排放，風能和太陽能是21世紀最被看好的可再生能源。我國的風力資源非常豐富，其中陸地可開發(fā)的裝機容量居世界首位，我國同樣也是太陽能資源大國，在風力資源和太陽能資源都比較一般的廣大地區(qū)，混合利用這兩種能源的風光互補發(fā)電技術能夠發(fā)揮太陽能和風能資源互補的優(yōu)勢，從一定程度降低了對資源要求的門檻，使得新能源的應用更加廣泛。路燈是城市中的基礎設施，路燈耗電的情況非常嚴重，低壓輸電線路也存在很大損耗，故采用風光互補路燈可以達到節(jié)能減排的目的。傳統(tǒng)的風光互補路燈控制器存在一些缺陷:對蓄電池的充電方式為單一的直充方式，如果外界環(huán)境為風力很小的陰雨天氣，則電池處于虧點狀態(tài)，如果外界風力大且光照充足，則會容易卸掉能量，充電效率低下；監(jiān)控性差，無法對路燈進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障，維護的工作量大；沒有通訊接口，無法構成網(wǎng)絡，更不能進行統(tǒng)一的集中管理；電池和負載具有時變特性，安全性穩(wěn)定性不佳。
實用新型內容
[0003]本實用新型的首要目的在于克服傳統(tǒng)的風光互補路燈控制器充電效率低下，監(jiān)控性差，無法進行統(tǒng)一集中管理，安全性穩(wěn)定性不佳等問題，提供一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，該控制器能方便對路燈設備和控制設備進行網(wǎng)絡化監(jiān)控管理。
[0004]本實用新型的另一目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于MPPT的風光互補路燈控制器的控制方法，該控制方法采用分時段控制方式和一種MPPT控制方法解決蓄電池和負載的時變性問題，同時提高光伏發(fā)電的效率。
[0005]本實用新型的首要目的可以由下述的技術方案實現(xiàn):一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，處理器模塊、電壓電流檢測模塊、輔助電源模塊、工作狀態(tài)指示模塊、RS232串口通信模塊、Zigbee無線通信模塊、均衡充電電路、保護電路、卸荷電路、PWM驅動電路和LED驅動電路。所述處理器模塊與RS232串口通信模塊、Zigbee無線通信模塊連接；所述電壓電流檢測模塊、輔助電源模塊、工作狀態(tài)指示模塊、均衡充電電路、保護電路、卸荷電路、PWM驅動電路、LED驅動電路分別與處理器模塊連接。電壓電流檢測模塊包括對光伏電池板的輸出電壓、風力發(fā)電機整流后的輸出電壓、直流母線電壓、蓄電池充電電壓、蓄電池電流、光伏充電電流和風力發(fā)電充電電流進行實時檢測，再經(jīng)過單片機進行AD轉換后將模擬量轉換成數(shù)字量。輔助電源模塊采用蓄電池供電方式，通過DC/DC變換為系統(tǒng)各模塊和控制電路提供穩(wěn)定的供電電源。工作狀態(tài)指示模塊將電壓電流檢測模塊采樣處理后的電壓電流量經(jīng)過單片機處理后通過數(shù)碼管顯示。均衡充電電路與處理器模塊連接，同時與風光互補路燈蓄電池組連接，由電感、MOSFET和二極管構成，蓄電池組出現(xiàn)電壓不均衡會觸發(fā)MOSFET,電能存儲在電感中，當MOSFET關斷時，電感、二極管、能量較低的電池構成新的回路，電感中存儲的能量就轉移到能量較低的電池中，實現(xiàn)了均衡充電。保護電路由開關管和繼電器組成，包括蓄電池過充過放保護電路、蓄電池反接保護電路、太陽能電池組反接保護電路。卸荷電路采用PWM卸荷電路，單片機發(fā)出PWM控制信號，經(jīng)過推挽電路放大后，驅動MOS管，大功率電阻與MOS管串聯(lián)，起到消耗能量的作用，主控電路通過電壓檢測電路來檢測風力發(fā)電機整流后的電壓，當風力發(fā)電機的電壓達到設定點時，主控電路發(fā)出PWM信號，控制MOS管的通斷，從而實現(xiàn)控制大功率電阻接入風機電路的時間，大功率電阻本身具有卸荷的功能，可以使風力發(fā)電機多余的電量轉化為熱能消耗掉。PWM驅動電路采用單片機產(chǎn)生PWM信號控制BUCK電路的開關管和卸荷電路。LED驅動電路通過恒流驅動芯片驅動LED路燈。與此同時，Zigbee無線通信模塊將所有路燈及充放電設備連成網(wǎng)絡，將設備的狀態(tài)信息傳送至遠端服務器，便于統(tǒng)一監(jiān)控集中管理。單片機通過RS232串口通信模塊與上位機通信，將數(shù)據(jù)上傳至上位機從而記錄電壓電流的采樣值和蓄電池的運行狀態(tài)。
[0006]所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的處理器模塊包括單片機、時鐘電路、復位電路和電源電路，單片機采用ATmega48單片機。
[0007]所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的電壓電流檢測模塊包括對光伏電池板的輸出電壓、風力發(fā)電機整流后的輸出電壓、直流母線電壓、蓄電池充電電壓、光伏充電電流和風力發(fā)電充電電流進行實時檢測。
[0008]所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的輔助電源模塊的供電方式是采用蓄電池為輸入端供電，采用DC/DC轉換芯片搭建外圍電路實現(xiàn)為控制模塊或電路提供穩(wěn)定電壓。
[0009]所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的工作狀態(tài)指示模塊包括對光伏電池板、風力發(fā)電機以及蓄電池的電壓電流狀態(tài)監(jiān)測，都是通過采樣電阻檢測電壓電流信號，經(jīng)過運算放大器和濾波電路后進入單片機進行處理，單片機將電壓電流檢測電路采樣處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管顯示出來。
[0010]所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的卸荷電路采用PWM卸荷電路，單片機通過產(chǎn)生PWM信號控制MOS管的關斷，從而控制大功率電阻接入風機電路的時間，大功率電阻將多余的電量轉化為熱量消耗掉。
[0011 ] 所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的LED驅動電路采用恒流驅動芯片來驅動LED路燈。
[0012]所述的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，所述的均衡充電電路由電感、MOSFET和二極管構成。
[0013]本實用新型的另一目的可以通過以下技術方案實現(xiàn):一種控制基于MPPT的風光互補路燈控制器的控制方法，該控制方法為一種采用分時段控制方法，具體包括以下步驟:
[0014]步驟一、通過電壓電流檢測模塊采樣光伏電池板的輸出電壓，如果光伏電池板的輸出電壓大于或者等于開啟充電電壓閥值，此時路燈開始對蓄電池充電，執(zhí)行白天處理程序，否則不執(zhí)行；如果光伏電池板的輸出電壓小于或者等于電壓閥值，此時路燈開始對放電過程進行監(jiān)管控制，執(zhí)行夜晚處理程序，否則斷開充電回路；
[0015]步驟二、所述的白天處理程序通過檢測蓄電池的電壓和電流，分別采用MPPT充電、恒壓充電和浮充三段式充電方法；檢測蓄電池的電壓，如果電壓小于設定的閥值，表明電力不足，則采用MPPT充電方法進行光伏發(fā)電；檢測蓄電池容量，達到90%時，采用恒壓充電方法。MPPT方法即最大功率跟蹤方法。
[0016]步驟三、檢測蓄電池的充電電流，如果充電電流小于1/100C，C為蓄電池容量，則進入浮充階段；此時如果檢測到的充電電流值小于關斷閥值，則斷開充電回路。
[0017]步驟四、所述的夜晚處理程序通過檢測蓄電池的充電電壓控制負載的通斷，如果蓄電池的充電電壓大于過放電壓閥值，則接通負載，否則斷開負載。
[0018]在步驟二中，所述MPPT充電方法包括以下步驟:
[0019]步驟A、初始化參數(shù)，增加電壓占空比K。；當占空比不等于100%時，檢測當前實際功率Pa，增加一個擾動量，再次檢測當前實際功率Pe2，比較Pa與Pe2的大小，取較大值為P。，比較Pc與最大功率Pm的大小，如果Pc>Pm，則記錄下當前最優(yōu)占空比Km，且Km = K。，當前最大功率Pm = Pc;再進行第二次掃描；
[0020]步驟B、當占空比等于100%時，以最優(yōu)占空比工作，檢測當前實際功率Pa，增加一個擾動量，再次檢測當前實際功率Pm比較Pa與Pffi的大小，取較大值為P。;將I Pc-Pm I與設定值Ptl進行比較，如果IPe-PmIwtl,則再次掃描；否則，維持當前狀態(tài)。
[0021]本實用新型的有益效果是:本實用新型提供的一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，不僅能方便對路燈設備和控制設備進行網(wǎng)絡化監(jiān)控管理，而且采用分時段控制方式和一種MPPT方法解決蓄電池和負載的時變性問題，同時提高光伏發(fā)電的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型一種基于MPPT的風光互補路燈控制器的結構框圖。
[0023]圖2是本實用新型一種基于MPPT的風光互補路燈控制器的分時控制流程圖。
[0024]圖3是本實用新型一種基于MPPT的風光互補路燈控制器的MPPT方法控制流程圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。
[0026]實施例
[0027]如圖1所示，一種基于MPPT的風光互補LED路燈控制器，它包括處理器模塊1、電壓電流檢測模塊3、輔助電源模塊2、工作狀態(tài)指示模塊7、RS232串口通信模塊10、Zigbee無線通信模塊11、均衡充電電路4、保護電路8、卸荷電路9、PWM驅動電路5、LED驅動電路6。電壓電流檢測模塊3與處理器模塊I連接，包括對光伏電池板的輸出電壓、風力發(fā)電機整流后的輸出電壓、直流母線電壓、蓄電池充電電壓、蓄電池電流、光伏充電電流和風力發(fā)電充電電流進行實時檢測，其中電壓檢測電路用采樣電阻采樣電壓信號，電壓信號首先經(jīng)過兩個電阻分壓，通過一個運算放大器組成的電壓跟隨器輸出后，再經(jīng)過由電阻和電容組成的一階濾波電路后輸入到單片機的AD 口進行AD轉換；電流檢測電路通過采樣電阻采樣電流，經(jīng)運算放大器放大和濾波電路去除高頻噪聲，再輸入到單片機的AD 口進行模數(shù)轉換，采樣電阻采用精度高的毫歐級電阻。輔助電源模塊2與處理器模塊I連接，采用風光互補路燈控制系統(tǒng)中的蓄電池作為輔助電源的供電端，采用DC/DC轉換芯片及其外圍電路為控制芯片、驅動電路和監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，DC/DC轉換芯片采用的是TPS54331，只需簡單的外圍電路就可以構成BUCK電路提供穩(wěn)定的12V電壓，再經(jīng)過穩(wěn)定芯片轉換成5V電壓，為單片機供電。工作狀態(tài)指示模塊7與處理器模塊I連接，電壓電流檢測模塊3采樣的電壓電流信號經(jīng)過單片機處理后產(chǎn)生開關量，通過數(shù)碼管顯示當前太陽能板、風力發(fā)電機和蓄電池的電壓電流值。均衡充電電路4與處理器模塊I連接，同時與風光互補路燈蓄電池組連接，由電感、MOSFET和二極管構成，蓄電池組出現(xiàn)電壓不均衡會觸發(fā)M0SFET，電能存儲在電感中，當MOSFET關斷時，電感、二極管、能量較低的電池構成新的回路，電感中存儲的能量就轉移到能量較低的電池中，實現(xiàn)了均衡充電。保護電路8由開關管、電感、電容、二極管組成，包括蓄電池過充過放保護、蓄電池反接保護、太陽能電池組反接保護。卸荷電路9采用PWM卸荷電路，單片機產(chǎn)生PWM控制信號，信號經(jīng)過推挽電路放大后控制MOS管的關斷，從而控制大功率電阻接入風機電路的時間，大功率電阻可以使風力發(fā)電多余的能量轉換為熱能。PWM驅動電路5通過單片機產(chǎn)生兩路PWM信號，一路控制BUCK電路的開關管，實現(xiàn)最大功率跟蹤和對蓄電池的充放電管理，另一路控制卸荷電路，釋放多余的能量，通過單片機的定時器單元可產(chǎn)生多種PWM模式。LED驅動電路6采用恒流驅動控制器LT3791驅動LED路燈。處理器模塊I與Zigbee無線通信模塊11連接，將所有的路燈和充放電設備連成網(wǎng)絡，從而將設備的狀態(tài)信息傳至遠端服務器進行統(tǒng)一監(jiān)控；同時通過與RS232串口通信模塊10連接和上位機通信，將數(shù)據(jù)上傳至上位機從而記錄電壓電流的采樣值和蓄電池的運行狀態(tài)。
[0028]如圖2所示，一種控制基于MPPT的風光互補LED路燈控制器的控制方法，該控制方法是一種分時段控制的控制方法，其具體工作流程如下:通過電壓電流檢測模塊采樣光伏電池板的輸出電壓，如果光伏電池板的輸出電壓大于或者等于開啟充電電壓閥值(如15V)，此時路燈開始對蓄電池充電，執(zhí)行白天處理程序，否則不執(zhí)行；如果光伏電池板的輸出電壓小于或者等于電壓閥值(如2V)，此時路燈開始對放電過程進行監(jiān)管控制，執(zhí)行夜晚處理程序，否則斷開充電回路。所述的白天處理程序通過檢測蓄電池的電壓和電流，分別采用MPPT充電方法、恒壓充電方法和浮充方法；檢測蓄電池的電壓，如果電壓小于設定的閥值，表明電力不足，則采用MPPT充電方法，MPPT方法即最大功率跟蹤方法，檢測蓄電池容量，當蓄電池的容量達到90 %，則采用恒壓充電方法，檢測蓄電池的充電電流，如果充電電流小于1/100C，C為蓄電池容量，表示蓄電池已經(jīng)充滿，則進入浮充階段，同時，不斷采樣蓄電池電流值，如果采樣電流值小于關斷閥值，則斷開充電回路；所述的夜晚處理程序通過檢測蓄電池的充電電壓控制負載的通斷，如果蓄電池的充電電壓大于過放電壓閥值，則接通負載，否則斷開負載。
[0029]如圖3所不,一種基于MPPT的風光互補LED路燈控制器,光伏充電過程中的一種MPPT方法工作流程如下:初始化參數(shù)，增加電壓占空比K。；當占空比不等于100%時，檢測當前實際功率Pa，增加一個擾動量，再次檢測當前實際功率Ρ?，比較Pa與Pc2的大小，取較大值為Pc，比較Pc與最大功率Pm的大小，如果Pc>Pm，則記錄下當前最優(yōu)占空比Km，且Km =Kc,當前最大功率Pm = Pc;再進行第二次掃描；當占空比等于100%時，以最優(yōu)占空比工作，檢測當前實際功率Pa，增加一個擾動量，再次檢測當前實際功率Ρ?，比較Pa與Pa的大小，取較大值為P。；將IPc-PmI與設定值Ptl進行比較，如果IP^PmI>Ρο，則再次掃描；否則，維持當前狀態(tài)。
[0030]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:處理器模塊、電壓電流檢測模塊、輔助電源模塊、工作狀態(tài)指示模塊、RS232串口通信模塊、Zigbee無線通信模塊、均衡充電電路、保護電路、卸荷電路、PWM驅動電路和LED驅動電路，處理器模塊與Zigbee無線通信模塊連接，將所有的路燈和充放電設備連成網(wǎng)絡，從而將設備的狀態(tài)信息傳送至遠端服務器進行統(tǒng)一監(jiān)控，同時通過與RS232串口通信模塊連接實現(xiàn)控制器與上位機之間的通信，將數(shù)據(jù)上傳至上位機從而記錄風光互補路燈工作時的電壓電流值和蓄電池的運行狀態(tài)；電壓電流檢測模塊、輔助電源模塊、工作狀態(tài)指示模塊、均衡充電電路、保護電路、卸荷電路、PWM驅動電路、LED驅動電路分別與處理器模塊連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述的處理器模塊包括單片機、時鐘電路、復位電路和電源電路，所述單片機采用ATmega48單片機。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述的輔助電源模塊的供電方式是采用蓄電池為輸入端供電。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述的卸荷電路采用PWM卸荷電路，MOS管串聯(lián)一個大功率電阻，用于起耗散能量。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述的LED驅動電路采用恒流驅動芯片來驅動LED路燈。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述保護電路包括蓄電池過充過放保護電路、蓄電池反接保護電路和太陽能電池組反接保護電路。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述工作狀態(tài)指示模塊包括對光伏電池板、風力發(fā)電機和蓄電池的狀態(tài)顯示，通過電壓電流檢測模塊檢測光伏電池板、風力發(fā)電機和蓄電池的電壓電流，進入單片機進行A/D轉換后，輸出到數(shù)碼管進行顯示。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于MPPT的風光互補路燈控制器，其特征在于:所述均衡充電電路包括電感、MOSFET和二極管。
【文檔編號】H05B37/02GK204131788SQ201420545543
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權日:2014年9月22日
【發(fā)明者】吳玉香, 唐一純, 文尚勝 申請人:華南理工大學