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1、SHANDONG 毕业设计说明书 光伏发电 LED 控制系统设计与分析 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013 年 6 月 摘 要 在传统的太阳能 LED 控制系统中，往往由于太阳能输入电压浮动范围大， 导致充电电压和充电电流不稳定，甚至由此引起电池损耗过大、寿命变短等问 题，而且驱动输出部分由于负载变化，导致系统不能提供稳定的电压和电流， 从而使系统不能正常工作。 光伏发电 LED 控制系统主要阐述了整个控制系统的各个模块。模块包括太 阳能电源电路、充电控制，功率管驱动电路、保护电路及光伏发电控制系统。 其中太阳能电源电路采用 BUCK 电路和闭环 PID 控制电路实
2、现电压变换，相对于 在传统的 DC-DC 电路，电路中加入反馈控制，大大提高了输入电压的范围，并 且具有电压输入范围宽、模块电路结构简单、电压转换效率高的特点；采用蓄 电池专用充电芯片 UC3906DW 搭建硬件电路，实现蓄电池的充电控制和保护功能， 蓄电池为精密贵重器件，由 UC3906DW 控制蓄电池充放电，极大地提高了蓄电池 的使用寿命，弥补了由传统充电器电压电流不稳定而引起蓄电池损坏的不足； 功率自适应驱动电路部分，从分析 LED 特性出发，利用高密度电源芯片 SA7527A，结合输出光强和 LED 温度的检测，实现 LED 的恒流驱动、过压保护和 光衰补偿的功能；整个系统采用 PIC
3、16C71-16/P 单片机控制，PIC16C71-16/P 自带了定时器、A/D 转换、PWM 模块，为整个系统提供 PWM 控制信号、模块片选 信号和其他工作状态指示信号，并且将外部采集的光强信息运算处理，实现系 统工作状态的智能控制。 光伏发电 LED 控制系统具有硬件结构简单、稳定性高、价格低廉等特点， 可广泛应用于光伏发电控制系统、电源管理、智能控制等领域。 关键词关键词：LED 控制系统，UC3906DW 充电管理，功率自适应驱动 Abstract In conventional solar LED control system, often due to the floating
4、 solar input voltage range, the charging voltage and charging current instability, and even the resulting cell loss is too large, shorter life expectancy and other issues, but also due in part to drive the output load change, can cause the system to provide stable voltage and current, so that the sy
5、stem does not work. PV LED control system mainly on the various modules of the control system. Modules include solar power circuit, the charge control, power tube drive circuit, protection circuit and photovoltaic power generation control system. Wherein the solar power supply circuit BUCK circuit a
6、nd closed-loop PID control circuit for voltage conversion, compared to the conventional DC-DC circuit, the feedback control circuit is added, greatly improves the input voltage range, and has a wide input voltage range, the module circuit structure simple voltage conversion efficiency characteristic
7、s; using dedicated battery charging chip UC3906DW build the hardware circuit, the battery charge control and protection functions, battery for precision precious device from UC3906DW control the battery charge and discharge, greatly improved battery life, up by the conventional charger voltage curre
8、nt instability caused by the lack of damage to the battery; power adaptive drive circuit portion, starting from the analysis of LED characteristics, the use of high-density power chip SA7527A, with output light intensity and LED temperature detection, to achieve the LED constant current driver, over
9、voltage protection and optical attenuation compensation function; entire system using PIC16C71-16 / P MCU control, PIC16C71-16 / P comes with a timer, A / D converter, PWM module, for the entire system PWM control signal , module chip select signals and other working status indication signal, and th
10、e external light intensity collected information calculation processing, intelligent control system working state. PV LED control system has a simple hardware structure, high stability, low price and can be widely used in photovoltaic power generation control system, power management, intelligent co
11、ntrol and other fields. Keywords: LED control system, UC3906DW charge management, power adaptive drive 目 录 摘摘 要要 .I ABSTRACT.II 目目 录录.II 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题的背景和意义.1 1.2 国内外光伏发电研究现状.1 1.3 本论文的研究内容和研究方法.2 第二章第二章 整体方案设计整体方案设计.3 2.1 方案选择与论证.3 2.1.1 方案选择.3 2.1.2 方案论证.3 2.2 整机系统框图.4 2.3 预期目标与系统指标.4 2.3.1
12、 设计预期目标.4 2.3.2 系统设计指标.4 第三章第三章 电源电路的研究与设计电源电路的研究与设计.5 3.1 主电路的设计.5 3.1.1 电路参数计算.5 3.1.2 电路设计.5 3.2 反馈电路的设计.6 3.2.1 电路参数计算.7 3.2.2 电路设计.8 3.3 电源电路的设计.8 第四章第四章 充电电路的设计充电电路的设计.10 4.1 充电电路原理概述.10 4.1.1 UC3906DW 介绍.10 4.1.2 6-GFM-200 特性分析.10 4.1.3 充电原理.11 4.2 充电电路设计.12 第五章第五章 驱动电路的研究与设计驱动电路的研究与设计.14 5.1
13、 SA7527A 功率校正芯片介绍.14 5.2 原理概述与电路设计.14 5.2.1 原理概述.14 5.2.2 电路设计.15 第六章第六章 控制系统的设计控制系统的设计.18 6.1 PIC16C71-16/P 介绍.18 6.2 控制部分软硬件设计.18 6.2.1 控制系统硬件框图.19 6.2.2.1 光强检测部分.19 6.2.2.2 MCU 模块设计.20 6.2.2.3 状态显示电路设计.20 6.2.2.4 供电电路设计.21 6.2.2 控制系统软件设计.22 第七章第七章 结论与展望结论与展望.25 7.1 误差分析与结论.25 7.1.1 误差分析.25 7.1.2
14、结论.26 7.2 有待进一步研究的问题.27 参考文献参考文献.28 致致 谢谢.31 附录附录 A 程序主要部分源代码程序主要部分源代码.32 附录附录 B 程序使用说明书程序使用说明书.40 附录附录 C 整机电路图整机电路图.41 第一章 绪论 1.1 课题的背景和意义 21 世纪资源与环境是关乎人类自身生存的热点话题，随着石油、煤矿等化 石资源的不断枯竭，迫切要求人们加快对太阳能，风能，潮汐能等新能源的研 究。相对于风能和潮汐能来说，太阳能具有绿色环保、可再生、规律性易于掌 握等特点，并且太阳能光伏发电装置具有简单的设计结构，降低其成本和提高 发电的可靠性是业界关注的重要技术问题。可
15、靠的控制系统对太阳能光伏发电 系统的影响巨大，因此，太阳能控制系统一直是业界关注的研究领域。 随着“节能增效”活动的开展，光伏发电的研究得到了越来越多的社会各 界的广泛关注，虽然国内市场上出现了很多的太阳能产品，但是总体来说国内 企业开发技术和经验较为欠缺，研究能力相对薄弱，加上国家对光伏发电科研 经费投入的不足等因素，导致了光伏产品可靠性差和质量低等问题。 光伏发电关键技术无法突破，造成很多计划无法进行，不仅造成国内相关 项目的终止，而且，由于国内技术瓶颈等问题的存在，很多企业开始从国外购 买技术，更甚至直接购买成品的控制电路，这对本国名族工业的冲击巨大，对 国内自主创新造成了严重的威胁，加
16、之国外相关控制产品的质量也不是非常可 靠，这就迫切要求在广发发电控制领域做出突破。因此，自主通过研究设计出 新一代光伏发电控制电路迫在眉睫，同时， LED 控制系统涉及电压变换电路的 设计、蓄电池充电特性研究、功率驱动研究、控制电路设计等方面的内容，因 此对于光伏发电系统的并网也具有一定参考价值。 1.2 国内外光伏发电研究现状 当前阶段国际上光伏发电技术成熟的国家包括日本、欧盟和美国等国，截 止 2004 年，全球光伏发电的装机总容量为 965.5 兆瓦，预计 2005 年，更是 4963.52 兆瓦，欧美国家的光伏发电总量约占全世界光伏发电总量的 80%，其不 仅占据了过半的全球发电量，而
17、且在其国家，光伏发电技术研究都比较成熟， 应用领域广泛，并且实现了并网发电。 我国的光伏发电起步较晚，起源于上世纪 70 年代。截止到 2003 年底，我 国安装的光伏电池约为 5 兆瓦，并且应用领域主要是边远地区、交通控制以及 远程通信中继等领域，应用范围面比较窄，而且主要是集中在了偏远地区，主 要是由于设备技术价格昂贵，无法大面积进行推广。到 2004 年我国累计装机容 量为 35 兆瓦，随着对光伏发电的进一步研究，太阳能发电成本越来越低，太阳 能发电市场将发生彻底的改变。据统计 2005 到 2010 年，我国的光伏发电成本 约为每千瓦时 1.2 元，随着技术的不断成熟，预计到 2020
18、 年，我国光伏发电将 会彻底由独立发电转换到并网发电，成本也会降到每千瓦时 0.6 元，我国光伏 技术水平也有望进入世界领先行列。 1.3 本论文的研究内容和研究方法 （1）研究内容 本论文研究直流电压变换电路，蓄电池充电控制及其保护电路；分析研究 LED 驱动电路及保护电路，使用 PIC16C71-16/P 单片机设计光伏发电控制系统。 （2）研究方法 本设计主要研究方法包括理论论证和实验仿真。其中直流电压变换电路、 PIC16C71-16/P 单片机控制电路采用理论论证结合实验仿真的方法，充电电路 和 LED 驱动电路采用理论计算和设计的方法。 电源电路使用 PSIM9.0 软件对基于 P
19、ID 控制器设计的 DC-DC 电路进行仿真， 并作数据分析。控制部分首先在 MPLAB_IDE_v8.85 上开发出 PIC16C71-16/P 的 控制程序，然后在 Proteus7.0 平台上做测试。 第二章 整体方案设计 2.1 方案选择与论证 光伏发电 LED 控制系统主要包括直流电压变换电路、电池充电控制部分、 功率驱动部分和系统控制部分。 2.1.1 方案选择 本设计采用模块化设计思想，将系统的各个部分设计成相应的模块，首先 实现模块应有的功能，最后在将各个模块连接起来组成整机系统。 采用模块设计，首先可以保证各个模块的耦合度，提高模块的独立性，同 时也提升了各个模块以及系统工作
20、的稳定性。 太阳能电池板输出额定直流电压，通过 Buck(降压)电路将太阳能电池输入 电压转换为适合蓄电池充电的电压，其中单片机 PIC16C71-16/P 提供 PWM 控制。 充电控制和保护电路采用铅蓄电池充电专用芯片 UC3906DW 控制，后级 LED 驱动 电路采用使用 SA7527A 设计的驱动电路。 2.1.2 方案论证 （1）光伏电池：可将太阳能转换为电能，存贮到蓄电池或供负载直接使 用。考虑到项目采用的是 CNPV-180M 光伏组件，其峰值工作电压时 37.2V，因 此本设计考虑使用 25-37V 可变电压输入。 （2）Buck 电压变换：效率对光伏系统的应用是非常重要的，
21、单从 DC 变 换器的效率方面来看，各种电路中，单拓扑式电路效率是最高的，如 Buck 和 Boost；Buck-Boost 结构次之，桥式整流再次。因此此次设计使用 Buck 结构电 路。 （3）充电控制和保护电路：采用 UC3906DW 实现充电控制和保护。由于课 题项目采用 6-GFM-200 蓄电池，额定电压为 12V，充电特性为:充电是 14.5014.90V/40A,浮充 13.6013.80V /10 则认为是干扰信号，忽略此次采样值。|Y-Y|=10 则认为采样值 有效，存入 Pointer 指针指向的“数据存储单元” ，作为一个新的基准参考电压， 同时 Pointer 加 1
22、，指向下一存储单元。当指针移动至 N 单元时，下一次 Pointer 指针重新指向单元首地址。因此运用“环形数据存储单元”可以有效 的节省系统的硬件存储资源，并且可实现连续对一定室间隔的数据区平均，有 效的判别采样电压的可信性。 软件中 PWM 信号通过 PIC 内部的定时器 2 提供，系统采用 1MHz 晶振，可通 过软件设置定时器 2 的分频寄存器设置。 主程序流程图如图 6-9。定时器中断流程图如图 6-10。详细程序代码如附 录 A 和 B 中说明。 程序流程图主要包括两个部分，第一部分（即流程图一）为主程序流程图， 系统启动后，首先进行各个寄存器和标志位的初始化，初始化阶段完成的工作
23、 有：定时器 0、2 完成初始设置，光强寄存数组初始化，各个控制标志位初始化。 之后程序开始不断的对 AD 采样值进行处理分析，根据处理结果来设置控制位的 状态，若采集信息是干扰信息，则放弃此处采样结果，等待下次信息到来，反 之将采集结果寄存到光强数组中。当没有定时器中断到来的情况下，主程序就 连续不断的对程序处理，并且设置控制位。 程序流程图的第二部分是定时器中断处理，程序中定时器主要负责提供 PWM 控制信号以及定时信号，由于单片机采用 1MHZ 外部晶体，机器周期是 1us，因 开始 初始化 检测 ADC 转 换完成标志 位 置位 无置位 判断是否是 干扰信号？ 是 否 更新光强信息数组
24、 处理光强信息数 据 设置相应片选信 号 定时器中断开始 重填初始化数据 计数加 1 计数达到 40？ RA4 取反输出 计数清零 否 是 中断返回 图 6-9 程序流程图 此要产生 25KHz 的 PWM 信号需要 40 个周期，因此在定时器流程处理中，通过设 置计数标志就可以确定计时的时间，产生所需信号。 第七章 结论与展望 7.1 误差分析与结论 本章主要分析各个模块的设计误差。其中电源模块使用 PSIM9.0 软件进行 仿真，并通过 MATLAB7.10 软件分析结果，控制部分采用 MPLAB_IDE_v8.85 和 Proteus 7.0 实现仿真。 7.1.1 误差分析 （1）电源
25、电路分析 实际的电源电路仿真使用元件的标准值。准确值是 C1=75.6nF，C2=0.446nF，C3=74.81nF，R1=1K，Rbias=1K，R2=34，R3=1458. 4。这里取标准值为 C1=80nF，C2=30pF，C3=68nF，R1=1K，Rbias=1K，R2=34，R3=1450，额定 输入电压，额定负载下的仿真，电压响应如图 7-1。 图 7-1 电压稳定时间大约为 1 毫秒，稳定时 18V，峰值电压 36V，稳定后的电压纹 波如图 7-2。 图 7-2 额定负载下，输入电压改变时的仿真，输入电压 30V 时的电压响应如图 7- 3。 图 7-3 由图 7-3 可知，
26、输出电压纹波系数为 6mV，而且稳压效果好。 由仿真结果可以知，电源电路设计达到了预期目标。 （2）LED 功率驱动能力分析 根据第五章设计论述，系统可以在 12V 蓄电池的输入条件下，实现输出电 压稳定在 12V，电流 320mA。 （3）抗干扰能力分析 系统抗干扰特性部分主要采用软件实现。考虑到外界光照强度时连续变化 的量，因此对于剧烈变化外界变化，程序采用长度为 40 的环形数据存储单元， 寄存当前时间的钱 40 秒钟光强度信息。模块采样周期为 2 秒/次，初始化需要 经过 40 秒，之后对于外界的剧烈变化，系统将采样值和寄存均值进行比较，若 小于阈值则认为是干扰信息，系统放弃存储本次采
27、集信息，并且不会控制硬件 动作；若采样值大于阈值，则认为是正常数据，并且存储到数据单元。同时判 定当前的环境光照强度，完成对各个模块的控制。测试结果系统工作过程和预 期一致，达到了设计的预期要求。 7.1.2 结论 太阳能光伏发电 LED 控制系统是光伏发电系统的重要组成部分，也是当前 光伏发电系统研究的热点之一，具有很高的实用价值。本论文首先介绍了该系 统研究内容和研究方法，然后分别分析和设计出太阳能电源电路、充电保护电 路、LED 驱动电路和控制系统，对光伏发电 LED 控制系统进行了较为全面的 分析与研究。 综合，论文主要完成了以下设计工作： (1)阐述了光伏发电的 LED 控制系统的设
28、计思路。 (2)根据指标要求完成了各个电路的硬件设计。 (3)完成了对软件编程，并且进行了大量的调试及修改完善工作，使整个系 统能较稳定的运行。 (4)借助仿真软件，进行了系统部分模块的模拟调试，验证了控制器的合理 性和可靠性，基本完成了光伏发电 LED 控制系统的设计指标。 7.2 有待进一步研究的问题 本论文虽然已基本完成太阳能光伏发电 LED 控制系统的硬件和软件的设计， 但由于学术水平、实践经验以及时间、条件等的限制，仍有很多不足的地方， 与本文相关的问题还有大量工作需要进一步深入进行。 其中包括： (1) 电源电路的输入电压最高位 37V，高于 37V 时输出特性明显下降，其 中 P
29、ID 控制参数还可根据实际输出效果做进一步优化。 (2)考虑到实验的可行性，本次设计中的 LED 灯设定的功率不是很大，只 做到了几十瓦，在实际应用中需要更大功率的 LED 灯。所以在 LED 驱动电路方 面还有待更加深入的研究。 参考文献 1 赵明,杨劲松,钱伟,曹刚.大功率 LED 路灯驱动电源的设计.照明工程学报,2011,22,66- 69 2陈尚伍,陈敏,钱照明.高亮度 LED太阳能路灯照明系统.电力电子技,2006,(6):43- 45 3 邓超平,凌志斌.新型的单相 Buck 电路实现功率因数校正. 上海交通大学学报.2004, 38(8). 4 张正华.有机太阳电池与塑料太阳电
30、池. 北京: 化学工业出版社, 2006. 5 窦伟，许洪华，李晶.跟踪式光伏发电系统研究.太阳能学报 2007,4-16 6陈尚伍,陈敏,钱照明.高亮度 LED太阳能路灯照明系统.电力电子技术,2006,(6): 43-45 7 MaoLinChiang, ChiChangHua，JongRongLin.Direct Power Control for Distributed PV power system.Power Conversion Conferenee，2002:311-315 8 Duckmyung, Yuseong, Daejeon. Modified multilevel i
31、nverter employing half- and full-bridge cells with cascade transformer and its extension to photovoltaic power generation. 2010:305-719 9 KONSTANTIN TURITSYN ；PETR SULC ；SCOTT BACKHAUS ；MICHAEL CHERTKOV. Options for Control of Reactive Power by Distributed Photovoltaic Generators.2011, 99(6) 10 H. E
32、l Fadil ；F. Giri. Climatic sensorless maximum power point tracking in PV generation systems.Control engineering practice ：2011, 19(5) 11 M.ElMokadem1,C.Nichita1,B.Dakyo,W.Koczara.Maximum wind power control using torque characteristic in a wind diesel system with battery storageJ.Developments of Electrical Drives,2006:385396 12 Wei Chen,Hui Shen,Bifen Shu,Hong Qin,Tao Deng.Evaluation of performance of MPPT devices in PV systems with storage batteriesJ.Renewable Energy 2007(32):16111622. 13 V.Salas,E.Olias,M.Alonso-Abella,F.Chenlo.A