多路輸入大功率LED智能驅動(dòng)電路系統設計

智能LED驅動(dòng)電路系統是基于風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統而改進(jìn)設計的。其中，風(fēng)電和光伏發(fā)電賦予了較高的優(yōu)先級，在兩種能源不足以供給照明時(shí)，再采用市電提供電源。由于受天氣、時(shí)間、地域條件的改變，太陽(yáng)能和風(fēng)力資源有著(zhù)不同的分布，為達到最大的風(fēng)能光能利用率，采用了風(fēng)光互補系統，并進(jìn)行MPPT控制策略改進(jìn)能源輸入方案。單片機控制系統可對多路電源輸入進(jìn)行控制，按一定的優(yōu)化方案執行對驅動(dòng)電路供電。因為未采用單一能源的電力供應，為使風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電達到最大功率，MPPT控制策略扮演了重要角色。文中將綜合太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機組的特點(diǎn)，分析它們的輸出功率特性，以?xún)?yōu)化的風(fēng)光電源對蓄電池的充電過(guò)程。在單片機智能控制系統的控制下，建立一個(gè)合理的解決方案，提供一個(gè)恒流電源以滿(mǎn)足項目設計要求。

1 多路輸入驅動(dòng)LED基本方案

LED智能驅動(dòng)電路系統的結構圖如圖1和圖2所示。系統由負載、控制器、驅動(dòng)電路、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機、太陽(yáng)能電池板、蓄電池和市電組成。

多路輸入就是以市電、太陽(yáng)能電池板和蓄電池作為電源動(dòng)力，在實(shí)際工況中經(jīng)常遇到，因為市電下很多路燈的工作情況不太穩定或者斷電，這樣需要照明時(shí)經(jīng)常停電影響交通，這時(shí)可以通過(guò)太陽(yáng)能或蓄電池進(jìn)行供電，即在驅動(dòng)電路里面加入選擇判斷電路組成多輸入控制選擇器。同時(shí)利用MPPT控制方式，實(shí)現最大限度的能源利用。通過(guò)對風(fēng)機發(fā)電和光伏發(fā)電的控制調節，若發(fā)電電能未能供給所有電氣負載時(shí)，風(fēng)光互補控制器將傳送給負載蓄電池電能。反之，控制器控制電路直接供給負載電能，并將剩余電能充電至蓄電池內。同時(shí)控制器保護蓄電池，使其工作在合理的電壓區域內，確保蓄電池安全穩定的工作。

2 MPPT控制方案

2.1 風(fēng)力發(fā)電特性原理

由流體力學(xué)中氣流動(dòng)能公式可以得出采用氣流所具風(fēng)能的大小同通過(guò)的面積、氣流密度以及氣流的速度成正比關(guān)系

由于風(fēng)力發(fā)電機在發(fā)電風(fēng)能利用率的局限性，無(wú)法做到自然風(fēng)能的全部利用，所以在計算風(fēng)機實(shí)際有用功率輸出時(shí)需要考慮留在尾流中未利用的動(dòng)能，基本公式為

上式，一般情況下Cp<0.593，其表示風(fēng)力發(fā)電機的實(shí)際風(fēng)能利用系數，可由貝茲(Betz)極限理論得到。風(fēng)能的利用系數Cp與風(fēng)力機的葉尖速比有關(guān)，葉尖速比一般用λ來(lái)表示，由風(fēng)力機葉尖旋轉的圓周速度和風(fēng)速的比值來(lái)確定

圖3給出了風(fēng)能的利用系數和葉尖速比的曲線(xiàn)關(guān)系，是風(fēng)力機的基本特性之一。

在λ處于某一特定值λ0時(shí)，就定漿矩風(fēng)機而言，Cp達到最大并且風(fēng)力機具有最大機械功率的輸出，最佳葉尖速比用λm表示。因自然風(fēng)具有不定隨時(shí)變化的特性，這會(huì )使得Cp在大多數情況下不在最大工作點(diǎn)上，此時(shí)，風(fēng)機的效率經(jīng)常處在較低水平。對于這個(gè)問(wèn)題，處理時(shí)需要控制風(fēng)力發(fā)電機的運行速度，在一個(gè)較大的風(fēng)速范圍內，盡可能使風(fēng)能的利用系數在最大值附近運行，且葉尖速比λ達到最為優(yōu)化的葉尖速比，以實(shí)現風(fēng)電轉換最高效率的跟蹤。

2.2 太陽(yáng)能電池板特性

太陽(yáng)能電池的功率特性非線(xiàn)性化較為明顯，容易被外界因素影響。不同日照下表現出的電壓/電流和電壓/功率特性，如圖4和圖5所示。

2.3 變步長(cháng)擾動(dòng)最大功率點(diǎn)搜索控制

通過(guò)分析風(fēng)力發(fā)電機的輸出特性，可采用3種方式確定其最大功率點(diǎn)：擾動(dòng)搜索其最大功率點(diǎn)、控制功率信號、控制葉尖速比。因為要借用風(fēng)速計，使得葉尖速比控制成本較高，它主要應用于大型風(fēng)機控制。為控制功率信號，需要得到風(fēng)力發(fā)電機的最大功率負載曲線(xiàn)。采用最大功率點(diǎn)擾動(dòng)搜索控制較為簡(jiǎn)便。而太陽(yáng)能MPPT的控制有恒定電壓控制法、最大功率點(diǎn)的觀(guān)察擾動(dòng)法、導納增量法。

綜合考慮太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電機MPPT控制功能，本項目使用改變步長(cháng)搜索擾動(dòng)方法控制最大功率點(diǎn)，MPPT控制的關(guān)鍵是如何使最大充電功率電池電壓平穩，同時(shí)電池充電和發(fā)電部分功率相等。檢測電池的充電電流以及電壓，能夠計算得到此時(shí)的電能利用率。

當系統運行時(shí)，控制信號起始基準功率為Pa，其占空比為x，輸入一個(gè)擾動(dòng)△x，Pb為檢測擾動(dòng)后的功率。當Pb>Pa時(shí)，證明擾動(dòng)方向無(wú)誤，保持同方向施加擾動(dòng)已搜尋最大功率點(diǎn);反之，反方向擾動(dòng)。雙向擾動(dòng)之后，判斷Pb和Pa，若檢測擾動(dòng)后的功率Pb小于等于起始基準功率Pa，繼續減小擾動(dòng)幅度，并再次進(jìn)行雙向搜索，當擾動(dòng)△x2.4 蓄電池充電控制優(yōu)化

合理的蓄電池充放電，不僅可以延長(cháng)電池壽命，而且能提升系統的穩定性。文中使用了3級充電控制的12 V鉛酸蓄電池。在蓄電池的初始充電，即利用最大功率點(diǎn)跟蹤控制充電階段，此時(shí)電池電壓較小，一個(gè)大的MPPT控制被使用。當充電電流大于蓄電池的最大充電電流時(shí)，就不再使用最大功率點(diǎn)跟蹤最大電流充電。一旦蓄電池的最大充電功率比風(fēng)力發(fā)電機和太陽(yáng)能電池提供的功率大時(shí)，打開(kāi)卸荷回路，使蓄電池的充電電流始終小于最大充電電流。

在充電過(guò)程中，蓄電池充電到各個(gè)階段，可以不使用最大功率充電，放棄上述MPPT控制，采用電壓環(huán)控制。此階段控制參考對象選定為降壓/升壓型轉換器的輸出電壓，從而使蓄電池在定壓條件下充電。此時(shí)，充電電流逐漸變小。當充電電流減小到1 A時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充階段。采用輸出電壓恒定的控制轉換器，使蓄電池以較小的放電電流來(lái)補償功率損耗。利用這個(gè)次優(yōu)控制，可使能源得到充分利用，且在不損害蓄電池的前提下，有效地提高電池的充電效率。

3 LED驅動(dòng)電路設計

該驅動(dòng)電路是恒流驅動(dòng)電源，專(zhuān)為T(mén)10 LED燈設計，可驅動(dòng)400余盞白色光LED燈或600余盞的紅黃色LED燈管。產(chǎn)品采用特殊的控制開(kāi)關(guān)方式以及非隔離的外觀(guān)設計，使其具有高效率，節約能源，綠色環(huán)保等方面的優(yōu)勢。經(jīng)過(guò)研究和物理測量電路，驅動(dòng)電路具有以下特點(diǎn)：工作頻率50～60 Hz;功率24 W;寬輸入電壓AC 110 V～265 V/50～60 Hz，輸出電流0.24 A，輸出電壓36 V≤UOUT≤0.6Uin;體積175mm× 18 mm×11 mm;直流50～80 V。確保LED使用安全穩定，完全控制LED電流，同時(shí)LED光衰減弱，恒流精度高，開(kāi)路保護功能，電磁兼容性較好。高效率、低功耗、穩定性好的開(kāi)關(guān)控制芯片，使產(chǎn)品擁有綠色節能的特性。

電流采用交流電接入，通過(guò)橋式整流器，電流直接被送到LED負載的正極，然后通過(guò)負極經(jīng)變壓器回到晶體管Q1，最后又通過(guò)橋式整流器回到交流的陰極。這就是該電路有負載時(shí)的主要回路。當沒(méi)有負載時(shí)R17就充當了保護電路的負載，保證電路不會(huì )短路。C1在這里起到了濾波和以充放電的形式來(lái)平衡負載LED兩端電壓的作用。D1為蓄流二極管，保證變壓器正常工作。電路圖下半部分，主要由兩個(gè)芯片和Q1過(guò)程的反饋調節電路。Q1會(huì )根據U1發(fā)出的高速頻率快速地開(kāi)關(guān)電路，對變壓器發(fā)出高頻電流，從而使該電路輸出高頻電流。反饋控制：當負載LED電流過(guò)載時(shí)，電流會(huì )通過(guò)R7和R8到達U2，使U2右邊的二極管發(fā)熱，使U2左邊的電壓降低，同時(shí)反饋到U1，即可調節電壓和頻率控制電路，從而使驅動(dòng)電路輸出恒定電流。

4 結束語(yǔ)

文中采用多路輸入的方式，經(jīng)控制器智能操控后對大功率的LED燈提供電能。同時(shí)還考慮了在風(fēng)光互補供電系統中常用的MPPT控制策略，使用MPPT策略以獲得風(fēng)光發(fā)電的最大功率值，對蓄電池充電進(jìn)行分段優(yōu)化，提高能源利用率，得以實(shí)現節能環(huán)保的目的。