完整版光伏发电LED控制系统设计与分析毕业设计.docx

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完整版光伏发电LED控制系统设计与分析毕业设计

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

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：

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PIC16C71-16P单片机控制，PIC16C71-16P自带了定时器、AD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：

LED控制系统，UC3906DW充电管理，功率自适应驱动

Abstract

InconventionalsolarLEDcontrolsystem,oftenduetothefloatingsolarinputvoltagerange,thechargingvoltageandchargingcurrentinstability,andeventheresultingcelllossistoolarge,shorterlifeexpectancyandotherissues,butalsodueinparttodrivetheoutputloadchange,cancausethesystemtoprovidestablevoltageandcurrent,sothatthesystemdoesnotwork.

PVLEDcontrolsystemmainlyonthevariousmodulesofthecontrolsystem.Modulesincludesolarpowercircuit,thechargecontrol,powertubedrivecircuit,protectioncircuitandphotovoltaicpowergenerationcontrolsystem.WhereinthesolarpowersupplycircuitBUCKcircuitandclosed-loopPIDcontrolcircuitforvoltageconversion,comparedtotheconventionalDC-DCcircuit,thefeedbackcontrolcircuitisadded,greatlyimprovestheinputvoltagerange,andefficiencycharacteristics;usingdedicatedbatterychargingchipUC3906DWbuildthefunctions,batteryforprecisionpreciousdevicefromUC3906DWcontrolthebatterychargeanddischarge,greatlyimprovedbatterylife,upbytheconventionalchargervoltagecurrentinstabilitycausedbythelackofdamagetothebattery;poweradaptivedrivecircuitportion,startingfromtheanalysisofLEDcharacteristics,theuseof,toachievetheLEDconstantcurrentdriver,overvoltageprotectionandopticalattenuationcompensationfunction;entiresystemusingPIC16C71-16PMCUcontrol,PIC16C71-16Pcomeswithatimer,ADconverter,PWMmodule,fortheentiresystemPWMcontrolsignal,modulechipselectsignalsandotherworkingstatusindicationsignal,andtheexternallightintensitycollectedinformationcalculationprocessing,inligentcontrolsystemworkingstate.

PVLEDcontrolsystembewidelyusedinphotovoltaicpowergenerationcontrolsystem,powermanagement,inligentcontrolandotherfields.

Keywords:

LEDcontrolsystem,UC3906DWchargemanagement,poweradaptivedrive

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PIC16C71-16P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、PIC16C71-16P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PID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PIC16C71-16P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PIC16C71-16P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，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14.50~14.90V<40A,浮充13.60~13.80V<40A。

其要求可由UC3906DW外接少量元件实现，并且可靠性高，性能优良。

（4）LED驱动电路:

功率驱动电路使用SA7527A搭建。

因为后级驱动负载是LED（大功率），横流驱动和过压保护功能可以使用功率校正芯片SA7527A外接少量元件实现。

综合上诉论证，本设计可以实现设计任务。

2.2整机系统框图

根据设计方案绘制如下整机系统框图。

如图2-1。

首先太阳能电压输入整机系统，由BUCK变换电路实现25-37V18V的直流变换，再由充电控制电路实现对蓄电池的充电控制和过电保护。

功率驱动模块输入电压为18V，通过SA7527A控制实现功率自适应调整。

系统整体由PIC16C71-16P单片机控制，其负责提供系统的PWM控制信号、各个模块的片选信号以及显示工作状态等功能。

图2-1整机系统框图

2.3预期目标与系统指标

2.3.1设计预期目标

（1）实现太阳能输入电压自适应匹配；

（2）实现铅蓄电池的智能充电和充放电保护；

（3）设计出外接负载可变的LED驱动电路；

（4）实现系统能随外界光强变化达到整机工作的智能控制。

2.3.2系统设计指标

（1）DC-DC变换电压（前后）：

25V~37V18V；

（2）驱动功率范围：

0~2.4KW；

（3）LED驱动能力：

输出电压20V，电压波动2V，输出电流320mA，电流波动20mA。

（4）光强弱信息采样率：

40次分；5．抗干扰能力：

1~20s。

第三章电源电路的研究与设计

3.1主电路的设计

太阳能输入具有电压宽，电流小等特点，为了能保证输入电压和蓄电池充电电压的匹配，DC-DC主电路采用BUCK电路实现。

3.1.1电路参数计算

（1）占空比D计算

由设计指标可以确定VMAX=37V为最大电压，VMIN=25V为最小输入电压，占空比D可以根据电路输入电压和输出电压之间比例关系确定。

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（2）电感L和电容C计算

（3-4）

电容耐压值：

由于最大输出电压为37V，则电容耐压值应大于37V。

设计电路设计要留有一定的设计裕量，这里取电容规格120uf50V。

（3）开关管Q的选取

该电路的输入电压是25V~37V，则开关管耐压值为37V，电流的最大值为：

（3-5）

开关管的频率为f=250KHz，这里采用额定工作值是150V6A的MOSFET管MTD6N15T4G。

3.1.2电路设计

主电路的系统函数Gvd（s）为：

（3-6）

其中，

（3-7）

（3-8）

（3-9）

取R=4.8Ω，Resr=50mΩ，因为L=79.2uH，C=120uF，可求得ω0=25000rads，f0=

传递函数具体参数为：

（3-10）

主电路设计如图3-1。

图3-1电源电路主电路

3.2反馈电路的设计

由于BUCK电路只能对固定的输入电压，起到直流变换作用，由于太阳能电压稳定性变化较大，单纯的BUCK电路，输出电压会随着出入电压的变化而变化，并不能起到稳定输出电压的作用，因此需要加入闭环反馈校正。

PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

它的应用领域相当广泛，主要适用于时不变的线性系统。

PID控制器常常作为反馈元件在工业控制中出现，它的工作过程可以分为：

（1）收集反馈信息数据；

（2）与设定基准值进行比较，并且用差值计算下一刻的输入值。

其目的就是可以让系统的输出固定或者维持在某个值。

PID调节器自身的特点可以概括为：

为了使系统更加准确和稳定，根据历史数据和差别的出现率来纠正系统下一刻的输入值。

一个PID反馈回路可以让系统的输出维持在设定值，可以证明在输出变化迅速的情况下，其他控制可能会导致系统有稳定的误差。

3.2.1电路参数计算

根据设计指标，电源电路应具有25-37V18V电压变换功能。

反馈校正装置则根据输入电压的变化，自动稳定输出电压和电流。

为后接模块提供稳定的电压和电流。

闭环反馈原理如图3-2。

图3-2闭环反馈原理图

采样值输出电压和基准电压值的差值传送到误差放大器，经过PID控制器、PWM调制控制开关管的工作，从而维持输出电压稳定在预定值，还在一定范围内有去除小干扰的功能。

设PWM的载波幅度为1，那么开环系统函数为：

F（s）=Gvd（s）*H（s）*Gc（s）。

补偿环节GZ（s）的设计采用K因子法，GC（s）采用PID调节器。

（3-11）

其中：

（3-12）

（3-13）

硬件电路图如图3-3。

图3-3补偿回路

fC的大小与系统的响应速度快慢有关，fC的值越大，系统响应速度就会越快；但是为了抑制开关频率而产生的的干扰，fC应该取较小值。

因此fC要综合考虑，取fC=24.592KHz。

本设计选取基准参考电压Vref为9V，那么由Gb=1（Gvd（fc）*H（fc））可得Gb值为1.9；补偿系统函数：

H（s）取值12。

当fC为24.592kHz时，Gvd（s）的相位为-148°，此处取相位裕度为60°。

所以

（3-14）

由公式

（3-15）

得K=13.04。

根据式3-12确定零极点值，结果为：

c=948280，z1=z2=223124.7，p1=p2=4.30190。

取Rbias=1KΩ，R1=1KΩ,以上元件的具体参数可以通过公式求得：

C1=44.234nF，C2=6.91pF，C3=35.576nF，R2=58.6Ω，R3=803.766Ω。

3.2.2电路设计

根据上节参数设计反馈系统电路图，如图3-4。

3.3电源电路的设计

电源电路整机采用BUCK主电路和反恐控制电路实现。

主电路实现可变输入电压下的电压变换，在输入电压发生变化的情况下，反馈回路自动校正输出电压

图3-4反馈系统电路

和电流，使电压输出稳定在18V，电流输出稳定在2A，电路如图3-5。

图3-5电源模块电路

主电路通过开关管、电容、电感实现降压变换，将输入电压变换至18V左右，补偿电路采用两个1KΩ的电阻实现，PID控制器的基准电压为9V，由蓄电池通过分压得到，控制开关管的PWM信号由PIC16C71-16P单片机产生。

第四章充电电路的设计

4.1充电电路原理概述

4.1.1UC3906DW介绍

充电电路基于UC3906DW设计实现。

图4-1为芯片UC3906DW内部结构，作为专用电源管理芯片，其内部集成限流电路和控制电路。

由于芯片驱动管脚输出电流可以大于25mA，因此能够驱动外接的开关管，从而控制电路的输出电压和电路，电池的充电状态可以通过内部检测比较器来检测。

图4-1UC3906DW内部结构

4.1.26-GFM-200特性分析

6-GFM-200是GS（M）系列高性能电池，它同时也是经ISO9001认证的高可靠性电池，按照额定电压分类，则可以分为6V和12V两种，个钟型号的容量从10Ah-200Ah不等。

其应用分布广泛，例如可应用于应急照明领域、光伏发电存储系统、通信信息系统领域、应急UPS系统、航空工业领域等。

6-GFM-200蓄电池还具有使用寿命长、自放电低、安全系数高、绿色环保等特点。

其电池特性如表4-1，恒定功率放电时刻表如表4-2。

表4-1电池主要特性表

容量（25℃）

20HR

200Ah

10HR

190Ah

5HR

164Ah

1HR

110Ah

内阻（完全充电状态）

3.8m（25℃）

不同温度下蓄

电池的容量

40℃

109%

25℃

100%

0℃

88%

-15℃

76%

容量保存率（25℃）

储存期3个月

92%

充电特性（25℃）

循环

14.10V,不大于40A

浮充

13.50V,不大于40A

表4-2恒定功率放电时刻表

终止电压

（伏单体）

30M

40M

50M

60M

2H

3H

5H

8H

10H

20H

1.85

316

260

226

206

125

90.0

57.8

39.6

33.6

14.8

1.80

334

276

238

216

129

93.0

61.6

42.0

35.2

15.4

1.75

348

288

248

222

132

94.4

62.6

43.4

36.0

15.6

1.70

364

298

258

224

134

95.6

63.2

44.6

36.4

15.6

1.65

376

302

262

228

135

96.2

63.2

44.6

36.4

15.6

1.60

408

308

268

234

136

96.2

63.2

44.6

36.4

15.6

4.1.3充电原理

传统的充电器由于充电电流不稳定，有时候甚至充电电流很太，容易损坏电池。

当充电电路检测到电池的电压或放电电流小于放电设定值的时候,充电器通过控制比较器调节电路，使之变为充电状态；而且，该比较器还能在驱动器截止时输出25~30mA的充电小电流，因此，短时间的电池反接或者是充电电路短路，产生的电流也非常小，不足以损坏蓄电池。

能够提供精准的内部基准电压是UC3906DW最大的特点，而且其可以根据外界环境温度的改变发生变化。

由于蓄电池的电压特性也随温度变化，如其4mV℃的负温度特性，而且温度过高或者过低都会大大影响其工作特性，温度过高时（高于46℃），蓄电池就可能会由于过充电而发生损坏，同样在温度很低的情况下，例如在地狱0℃时，就可能引起不能完全充电的现象，对于铅蓄电池而言，其工作温度在25℃左右。

然而因为UC3906DW的温度特性与蓄电池一致，可以弥补蓄电池对环境温度比较敏感这一缺陷。

功耗对一个电路设计也是非常重要的，UC3906DW的工总电流为1.7mA，可大大减小系统自身带来的损耗，以最低的开销实现温度参数的精确检测。

UC3906DW对温度特性的补偿可以使蓄电池工作温度范围变得更宽，甚至能达到0~70℃之大，大大提高了充电电路对环境温度的适应性。

基于UC3906DW搭建的充电电路，有三种工作状态，分别是大电流恒流充电、低电压恒压浮充和高电压过充电。

刚开始蓄电池电量低，充电电路以较大值的电流对电池进行充电，同时对电池电压进行不间断检测。

当电池电量充到了总量的90%左右时，即电池电压达到预定转换电压，则充电器会自动转换至过充电状态。

在过充电状态下，电路输出电压基本恒定不变，此时充电电流会不断变小。

随着充电电流的变小，电池也在继续不断充电，当电流继续降低至预定终止电流时，输出电压也随之下降到了浮充电压,同时电池的容量也充到了额定电量的100%。

4.2充电电路设计

本设计选用的是12V200Ah的铅蓄电池，根据上节论述的原理，设计出如图4-2的充电电路。

其中，充电电路的各个状态的阈值，以及输出的电压和电流的大小，都可以通过设置R2、R3、R4、R6和R7阻值加以设定。

当在25℃时，基准电压Vref为2.3V时：

（4-1）

（4-2）

（4-3）

（4-4）

当电池开始充电时，即充电电路由于电池电量不足或者输出电压下见到了浮充阈值电压，充电电路立刻向电池提供很定大电流，使电池进入充电状态，随着充电过程的不断进行，电池也由于电量增加其两端的电压也慢慢升高，再经R3、R4与R6分压电阻分压后加到引脚13（即比较器反向输入端）。

当分压电压上升至Vref的95%时候，充电状态转换成为过充电，取样比较器输出低电平，同时，过充电指示端输出低电平。

过充电状态下，电池电压继续升高，随着电池电压上升至过充电阈值时，开始进行恒压充电，并且输出电压稳定在过充电阈值。

进入恒压充电状态之后，电路输出端的输出电流开始变小，最终维持稳定不变，充