60W风光互补LED路灯系统设计

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摘 要

随着科技的发展，能源需求已经成为一个非常重要的社会问题。人们对各种可再生能源进行了研究，特别是风能和太阳能。太阳能与风能有着很好的互补特性，因此在部分远离电网的区域可以采用小型的风光互补发电系统供电。近年来 LED 照明技术得到快速发展，LED照明得到越来越广泛的应用。研究一种基于风光互补发电的LED路灯，对节能和城市照明具有重要的意义。

本文设计了一套独立式风光互补LED路灯系统，并对风力发电机、太阳能电池、蓄电池和控制器进行了分析和设计。其中在最大功率跟踪策略方面，分别采用了双输入升降压斩波硬件电路实现风能和太阳能的最大功率输出，并分别采用变步长扰动控制算法和改进扰动观察控制算法作为最大功率点跟踪（MPPT）控制策略。在蓄电池充放电控制上采用双向直流升/降压式变换电路来实现蓄电池的充放电能量管理。在智能控制器设计方面上，设计了一种以DSP为控制核心的风光互补LED路灯控制系统。系统以TMS320F2812为主控芯片，主要设计了控制系统的数据采集模块，PWM信号驱动模块，控制系统的辅助电源模块，LED照明驱动电路以及系统时钟模块。最后根据设计要求进行了参数计算和设备选择。

关键词：风光互补；最大功率跟踪；能源；LED

I

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Abstract

With the development of science and technology, the demand for energy has become a very important social issue. Human research on many renewable energy, especially wind and solar power.Solar and wind power has a very good complementary characteristics and therefore Small scale Wind and Solar complementary electricity generating system can be used in part of the region far from the grid.LED lighting technology developed rapidly in recent years, LED lighting has been used more widely. Research on LED lights based on wind and solar power have great significance to energy saving and urban lighting.

This paper designs a general structure scheme of a wind and solar LED street light,and analyze and design wind turbine and solar cell and storage battery. And in terms of the intelligent controller’s maximum power tracking control strategy, this paper uses two-input buck-boost chopper hardware circuit to achieve the wind and solar maximum power output,and uses the variable step control algorithms and improve disturbance observation control algorithms as themselves maximum power point tracking (MPPT) control strategy, the variable disturbance step can be taken place of the traditional fixed-step in the control process, which to improve the efficiency of power generation. In terms of the intelligent controller’s battery charging and discharging control strategy, this paper uses the bi-directional DC buck/boost converter to achieve the battery charging and discharging energy management. This project designed a wind and solar LED street light control based on DSP. In hardware design, TMS320F2812 is the MCU of this control system , we design the PWM signal driver modules, auxiliary power module of the control systems, LED lighting driver circuit.Final, According to the requirements of design parameter calculation and equipment selection.

Key words：wind and solar street light；maximum power tracking；energy；LED

II

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目 录

第1章 绪论 ............................................................................................................ 1

1.1 研究背景与意义 ....................................................................................... 1 1.2 风光互补发电研究现状 ........................................................................... 2

1.2.1 风力发电研究现状 ........................................................................ 2 1.2.2 光伏发电研究现状 ........................................................................ 2 1.2.3 风光互补研究现状 ........................................................................ 3 1.3 风光互补LED路灯总体结构设计方案 .................................................. 3 第2章 风力发电机的设计 .................................................................................... 4

2.1 风力发电机的工作原理及运行特性 ....................................................... 4

2.1.1 风力发电机工作原理 .................................................................... 4 2.1.2 风力发电机运行特性 .................................................................... 4 2.2 最大功率跟踪控制策略 ........................................................................... 7

2.2.1 风力发电机的基本控制策略 ........................................................ 7 2.2.2 风机最大功率跟踪控制策略 ........................................................ 7 2.2.3 功率扰动控制策略 ........................................................................ 8

第3章 太阳能电池板的设计 .............................................................................. 10

3.1 太阳能电池的工作原理及运行特性 ..................................................... 10

3.1.1 太阳能电池原理 .......................................................................... 10 3.1.2 太阳能电池工作特性 .................................................................. 10 3.2 最大功率跟踪控制 ................................................................................. 12

3.2.1 太阳能电池板扰动观察法控制策略 .......................................... 12 3.2.2 本文采用MPPT控制策略 .......................................................... 13 3.2.3 MPPT电路实现 ............................................................................ 14

第4章 蓄电池组的设计 ...................................................................................... 16

4.1 蓄电池工作原理及运行特性 ................................................................. 16

4.1.1 蓄电池的工作原理 ...................................................................... 16 4.1.2 蓄电池的特性参数 ...................................................................... 17 4.1.3 蓄电池的工作状态 ...................................................................... 17 4.1.4 蓄电池的运行方式 ...................................................................... 18 4.1.5 影响蓄电池寿命的因素及充放电保护 ...................................... 19

III

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4.2 蓄电池充放电方法 ................................................................................. 19 4.3 充放电系统电路实现 ............................................................................. 21 第5章 参数确定及设备选择 .............................................................................. 22

5.1 发电量与用电量计算 ............................................................................. 22 5.2 设备参数确定 ......................................................................................... 22 5.3 LED路灯的选择 ...................................................................................... 23

5.3.1 LED的原理 ................................................................................... 23 5.3.2 LED灯的特点 ............................................................................... 23 5.3.3 LED路灯设计 ............................................................................... 24

第6章 风光互补路灯智能控制器的设计 .......................................................... 26

6.1 风光互补发电系统主电路设计 ............................................................. 26 6.2 风光互补LED路灯控制器硬件设计 .................................................... 27

6.2.1 TMS320F2812最小系统 .............................................................. 28 6.2.2 信号采集电路设计 ...................................................................... 30 6.2.3 PWM驱动电路设计 ..................................................................... 31 6.2.4 辅助电源设计 .............................................................................. 33 6.2.5 实时时钟设计 .............................................................................. 36 6.2.6 LED驱动设计 ............................................................................... 37 6.3 系统软件设计 ......................................................................................... 38

6.3.1 主程序设计 .................................................................................. 38 6.3.2 充放电程序设计 .......................................................................... 39 6.3.3 LED照明管理程序设计 ............................................................... 40

第7章 总 结 ........................................................................................................ 41 参考文献 ................................................................................................................ 42 致 谢 ...................................................................................................................... 43 附 录Ⅰ 锦州气候背景 ........................................................................................ 44 附 录Ⅱ 外文资料及翻译 .................................................................................... 45

IV

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

现阶段，人们主要使用的能源都是煤、石油、天然气等化石燃料以及少量的核能，随着现代人口的快速增长，以及人们对高质量生活的追求，化石能源的消耗量在进一步增加。今年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，同时也认识到常规能源利用过程中对环境造成的污染和对生态造成的破坏，加大了新能源和可再生能源的人力和物力的投入。使新能源和可再生能源技术在过去的30年中得到快速发展。

在可再生能源研究中光能和风能是最受关注的几种中的两种。太阳能是太阳内部连续发生核聚变反应释放的能量，任意时刻到达地球的太阳能都需要消耗大量的化石能源才能产生与之相当的效果。太阳能取之不尽用之不竭，基本没有什么污染，而且无处不在不需要长距离的运输，太阳能将会成为主要的能源之一，有着广泛的应用前景。风能发电与煤电、油电和核电相比具有最低的成本，而且在很多地方都有较好的风力资源，风能的利用也有着广泛的前景。而将风能和太阳能发电综合起来，组成风光互补发电系统，具有更广泛的应用价值，一般晴天的时候，阳光充足，可以使用太阳能提供能源，当阴天雨天的时候，风力资源比较丰富，此时可以采用风能作为能量输出。因此风能和太阳能相结合能够很好的弥补单个应用的不足。

路灯是城市生活中必不可少的公共设施，随着城市的发展，路灯耗能也随之增长，路灯节能问题已经成为一个重要的研究课题。随着LED照明技术的成熟，越来越多的照明设备选用LED作为光源，与以前的日光灯，白炽灯等相比，LED具有工作电压低，能效高，使用寿命长等优点。因此在设计风光互补发电路灯系统时采用LED作为光源。

风光互补LED路灯将风光互补发点与LED照明相结合，用于城市路灯设计中，具有很好的实际意义。首先采用风光互补发电系统为路灯供电，可以不需要专门从电网中获取电能，可以缓解紧张的城市用电压力；其次，不需要铺设冗长的电缆，节省大量的开支和维护费用。小型的风光互补发电系统发出的电能直接使用蓄电池进行存储，给LED提供直流电源，不需要进行专门的电能转换，而且LED作为光源相比以前的光源具有更长的使用寿命。而且在相对偏远的郊区也可以采用这种路，不仅能够节能，同时给郊区的夜晚带来光明。所以风光互补LED

1

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参考文献

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new PV wafer technology-some aspects of EFG polycrystalline silicon sheet manufacture.25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Record，1996

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致 谢

首先，要诚挚地感谢我的指导老师李宝国教授，他渊博的学识和严谨的学风以及对工作认真负责的态度一直影响和激励着我，并感谢四年来给予我学术上的孜孜指导的各位老师，不仅在学习方向上给予我启迪，而且细心的帮助我解答学习中遇到的各种问题，提供各种解决方法，让我学到了很多。感谢实验室的各位老师，谢谢他们带领我们参观实验室，给我们讲解电气中的各种实验，为我们提供实践指导。

其次，要感谢陪伴我思念的同学们给予我学习和生活上的关心。同时感谢实习单位，让我积累了宝贵的实践经验。

最后，要感谢我的家人，谢谢你们的支持与鼓励，感谢你们为我提供的良好条件，让我生活和学习上没有后顾之忧，感谢你们一路的陪伴，谢谢你们！

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附 录Ⅰ 锦州气候背景

附表 锦州基本气候情况（据1971-2000年资料统计）

平均温度（℃） 平均最高温度（℃） 极端最高温度（℃） 平均最低温度（℃） 极端最低温度（℃） 平均降水量（毫米） 降水天数（日） 平均风速（米/秒） 1月 -7.9 -2.5 12.3 -12.6 -22.8 2.7 1.7 3.0 2月 -4.6 1.1 18.6 -9.3 -19.8 3.2 2.1 3.6 3月 2.1 7.9 23.0 -3.0 -19.3 7.3 2.6 4.1 4月 10.5 16.6 32.1 5.2 -7.5 24.9 4.8 4.6 5月 17.1 22.9 37.3 11.8 1.5 46.3 7.1 4.3 6月 21.6 26.8 41.8 17.1 9.3 81.3 10.4 3.7 7月 24.3 28.5 41.7 20.7 13.2 165.3 11.9 3.2 8月 23.7 28.4 35.3 19.7 8.2 136.8 9.9 2.9

续附表 锦州基本气候情况（据1971-2000年资料统计） 平均温度（℃） 平均最高温度（℃） 极端最高温度（℃） 平均最低温度（℃） 极端最低温度（℃） 平均降水量（毫米） 降水天数（日） 平均风速（米/秒） 9月 18.8 24.6 34.9 13.5 2.3 58.6 6.5 2.9 10月 11.2 17.3 29.1 5.9 -6.2 27.4 4.6 3.2 11月 2.0 7.5 22.0 -2.7 -16.4 10.1 2.8 3.3 12月 -5.1 0.3 13.2 -9.6 -22.3 3.9 1.5 2.9

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附 录Ⅱ 外文资料及翻译

Discussion on the Application of Solar Energy and Building

Energy Saving

With the rapid economic development of China building, building energy consumption become larger. The current supply of traditional fossil fuels and non-renewable, and energy of the irrational use also brings a series of environmental pollution, the world has brought great harm to the environment, so the search for efficient and clean use of renewable energy has become the current common problems facing humanity.

1 Solar Energy Research and abroad

Solar Energy Utilization in the United States, Germany, Australia, two Spain, Japan and other countries of the earlier, now light and heat, photovoltaic technology is more mature areas of research. Solar cell from Bell Labs in 1954, was born in the United States, has been an important form of solar energy utilization. Solar cell, solar energy utilization is one of the most successful techniques. According to different materials, solar cells can be divided into: crystal / amorphous silicon cells, CdS cells, antimony sulfide battery, battery and other types of gallium arsenide. Asked in 1974 to 1997, the United States, 13 other countries to reduce the cost of silicon solar power an order of magnitude, but the cost of photovoltaic cells are still much higher than traditional energy generation times, present, world solar cell sales increased year by year, and solar cells the highest photoelectric conversion efficiency has been increased to 40%. With the space application of solar technology on the ground, as many solar cells and concentrator solar cells and other technologies, can further improve the photoelectric conversion efficiency, and promote use of solar photovoltaic technology.

2 the mainstream use of solar energy technology 2.1 photoelectric conversion

Direct solar radiation by the sun's light energy into electrical energy, that the photovoltaic effect. Solar photovoltaic effect that is designed in accordance with the semiconductor material. With silicon, compound semiconductors, organic semiconductors and other materials, according to a crystalline form single crystal,

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polycrystalline and amorphous. In the silicon cell, silicon solar cell conversion efficiency of single-product high optical efficiency of laboratory reports of up to 24.7% more than in the condenser case up to about 27.8%. Relatively cheaper silicon material to facilitate the efficiency of thin-film silicon cells although low, 9% - 16%, but the manufacture of compact, low energy consumption, more saving of raw materials used, also have great potential for development.

2.2 solar thermal and solar thermal power technology

Photothermal conversion is to convert solar radiation to heat the process. Because of its low cost, technically easier to achieve wide application, so many countries in the world regarded it as the first choice for solar energy utilization. One solar thermal power generation is the utilization of solar energy in today's world one of the themes, the class system through the solar collector device to replace conventional boilers, solar thermal systems driven generators. As the solar energy dispersion and discontinuity, solar thermal power technology with a support system generally required to ensure the continuity and stability of their work, while solar thermal power generation system requires a tremendous area.

3 Solar Energy Utilization and Energy Conservation

As human beings know so far the most clean, renewable energy, solar energy and building integrated energy saving building design will play an increasingly important role in the future solar energy technology development. Building not only our high energy consumption and energy efficiency is very low, the unit energy consumption of building the same climatic conditions than the 2 to 3 times higher than the State. Only on heating, for example, a heating period in northern China's average energy consumption of about 30W / m 2, while similar weather conditions in Sweden, Denmark and Finland and other countries of a heating period, the average energy consumption is only 11W / m2 . In contrast, only a heating region in northern consumption of standard coal each year more than 20 million t, so vigorously promote building energy efficiency is imminent.

3.1 Solar Energy and Building Integrated Technical Features

(1) solar energy and building integrated solar energy use is the combination of facilities and buildings to make solar energy facilities as part of the building, such as the use of solar collector roof cover replacement or alternative roof insulation, replacing the traditional structure of the resulting solar The appearance of the image on the impact of construction:

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入总线后的下一个SCLK时钟信号的上升沿时，数据将被写入DS1302，数据的写入从第0位开始。在紧接着8位的控制字节指令写入后的时钟信号的下降沿，DS1302从最低位开始依次将时间信息传至总线，DSP依次接收。DSP将数据传给时钟芯片的方式与上述方式相同。

6.2.6 LED驱动设计

通常情况下都是采用恒流的方式来驱动照明用LED，采用这种方式能降低因为电压波动对LED驱动电流产生的影响。本文在设计时，为了减少环境变化的对LED驱动电流的影响采用了恒流驱动芯片PAM2842。该芯片具有较宽的输入电压值可以从5.5V到40V，电压最大输出值可达到40V, 功率最大输出可以达到30W；具有三种工作方式，升压方式、降压方式、升降压方式，根据输入与输出电压之间的大小关系分别采用降压工作方式或者采用升压工作方式，当输出电压有时候比输入高有时候比输入低时，应该采用同时能够升压和降压的升降压工作方式。

详细的设计过程如图6.14，首先通过RT引脚接入一个电阻R1来设置PAM2842的工作频率，计算方式为：FSW?1012{24?(RRT?12K)}?,本设计中接入

?一个130K电阻，所以芯片的工作频率为300KHz。通过SenseILED?0.1Rsense，本设计中因为

和Sense之间接

入一个电阻R2来设置LED的电流，可采用如下方法得出R2的值：

1W白光LED是每五个为一串，四串再并联接入

PAM2842的输出端口，假设1W白光LED正常点亮时的正向导通电流为 350mA正方向压降为 3.5V，因为有4串并联所以输出电流大概为1.4A，根据公式计算

Rsense即R2?0.11.4可得出Rsense为0.07?。芯片的输出电压值大致为17.5V。

PAM2842有连续和非连续导通两种工作模式，本设计采用的是第一种工作模式即连续导通，在该工作模式下有较小的纹波电流和电感的峰值电流，这种方式下电感值的计算公式为：LVO?2.5VO(VIN?VO)FIOVIN式中VO为芯片的输出电压，VIN为

芯片的输入电压，IO为芯片的输出电流，F为工作频率。本设计中VIN约为24V，约为17.5V，IO约为1.4A，F约为300KHz。经计算L值约为30?H,所以在设计时采用33?H的标称值替代。最后可以通过DSP的I/O口控制EN引脚的电压来控制芯片的工作状态。

PAM2842的输出电流很稳定，输入电压的变化对输出电流的影响很小，这样保证LED工作在非常稳定的状态。因为芯片具有过压保护，当电路中某一串的某个灯珠出现断路时，过压保护会使电压不至于上升很多，起到保护芯片的作用，当某一个灯珠被短接时，会造成输出电压的降低，但是仍然会保持输出电流大小不变。在实际设计中采用多片PAM2842给LED提供恒定电流，使路灯能够满足

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照明的需要。

图6.14 LED照明电路图

6.3 系统软件设计

在已搭建硬件平台的基础上，采用TI公司专门为DSP软件工程师设计的集编译、仿真、下载为一体的DSP开发软件CCS进行控制器DSP程序设计。

6.3.1 主程序设计

首先介绍系统的主程序，主程序是整个程序的主体框架，主要包括系统初始化模块，实时时钟管理模块，充放电管理模块和LED照明管理模块，详细流程如图6.15：

LED照明管理充放电管理实时时钟管理系统初始化开始 图6.15 主程序流程图

初始化模块，主要对系统时钟即工作频率等进行设置，还有引脚功能设置，

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对片上外设进行初始化；实时时钟管理模块为系统提供实时时间，通过DSP的I/O口控制实时时钟芯片DS1302，给系统提供时间基准；充放电管理模块是整个系统核心模块之一，对风光互补发电系统进行控制并给蓄电池充电；LED照明管理系统，通过对实时时钟系统时间的读取，准确判断开灯和关灯时间。

6.3.2 充放电程序设计

充放电模块所处的工作方式有以下几种：切断负载大电流充电，有负载情况大电流充电，保持恒定电压充电，浮充，退出充电。详细流程图如下：

检测蓄电池状态？N 是否要卸荷？Y接入卸荷负载检测风力发电机电压进入充电管理程序Y检测蓄电池状态

V蓄V过压切断负载MPPT限流充电MPPT限流充电蓄电池恒压充电蓄电池浮充退出充电 图6.16 充放电管理流程图

当蓄电池处于欠压状况时应切除LED照明负载部分，采用限电流充电的工作方式；当蓄电池电压大于欠压值，小于恒流充电电压时，不用切除负载，直接采用限电流方式充电；当蓄电池电压处于保持恒定电压充电的范围时，采用恒定电压充电的方式；蓄电池电压高于恒压充电电压低于过压电压值时采用浮充，若是

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高于过压值则退出充电。

第一种情况与第二种情况的充电方式一样，区别在与是否切除负载，在池充电过程中，光伏系统采用MPPT控制方式给蓄电池充电，风力发电系统则在没有超过电流限制的情况下采用MPPT控制方法给蓄电池充电。恒压充电时则对风力发电系统和光伏发电系统采用PI控制的方法进行控制，使充电电压稳定在恒压充电电压。浮充时也采用恒定电压的方式进行充电。

6.3.3 LED照明管理程序设计

LED照明系统主要控制其开灯时间，因为一年四季白天与黑夜时间不同，所以需要在不同的月份开灯时间不同，本文通过实时时钟芯片DS1302产生的系统时间作为控制基准，对LED照明进行控制。

当系统进入LED照明管理程序段时，首先确定准确的年月日和当前时间，根据获取的时间中的月份获取当前的开关灯时间，然后检查路灯的状态如果是关灯状态则检测当前时间是否已到达开灯时间，如果是则开灯，不是则直接退出程序；如果路灯的状态是开灯状态，则检测当前时间是不是已到达关灯时间，如果已到达则关灯，否则直接退出程序。程序流程图如图6.17。

退出开灯YYN是否到开灯时间？N是否到关灯时间N路灯开？Y读取当前月份并判断出该月份的开关灯时间进入LED照明管理程序关灯图6.17 路灯管理流程图

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第7章 总 结

本论文完成了风光互补LED路灯系统设计，论文从风力发电系统、太阳能发电系统、蓄电池、LED路灯系统的基本原理开始，在分析了自然环境、地理位置等情况的基础上，根据发电量和用电量的计算选择了合适的风力发电机、太阳能电池板、蓄电池组，并设计了最大功率控制，对于智能控制器的设计，本文采用TMS320F2812芯片进行了硬件和软件的设计，最后考虑实际情况，选择了合适的LED路灯光源。

本文设计的主要内容有：

（1）对风力发电机、太阳能电池板的工作原理和基本特性进行了简单的介绍，将风能和太阳能这两种自然能源结合起来构成风光互补发电系统，，可以弥补风能、太阳能间歇性的缺陷。

（2）对蓄电池的分类、工作原理、特性及使用寿命的介绍，阐述了蓄电池选择的原则，设计了蓄电池充放电控制方法和电路设计。

（3）对于LED路灯系统的设计，先介绍了LED发光原理、分类、特性及使用寿命等，设计了LED路灯系统的驱动电路，在路灯光源选择上，LED光源取得了越来越大的进步，光效率越来越高，前景越来越广阔，慢慢的替代了普通光源，在路灯照明系统中担当了重要的角色。

（4）风光互补发电LED路灯控制器是设计的核心部分，是整个系统的大脑。本论文采用TMS320F2812芯片来设计，介绍了该芯片的特性，最小系统等，控制器设计由硬件和软件两部分组成，主要设计了控制系统的数据采集模块，PWM信号驱动模块，控制系统的辅助电源模块，LED照明驱动电路以及系统时钟模块。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hffv.html