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I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
2、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
3、-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：LED 控制系统，UC3906DW 充电管理，功率自适应驱动Abstract- II -AbstractIn 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 sys
5、tem 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 and
6、 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 characteristics;
7、 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 current
8、 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, overvo
9、ltage 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 the
10、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 contr
11、ol and other fields.Keywords: LED control system, UC3906DW charge management, power adaptive drive目 录- III -目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .II第一章 绪论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 国内外光伏发电研究现状 .11.3 本论文的研究内容和研究方法 .2第二章 整体方案设计 .32.1 方案选择与论证 .32.1.1 方案选择 .32.1.2 方案论证 .32.2 整机系统框图 .42.3 预期目标与系统指标 .42.3.1 设计预期目标 .42.3.2
12、 系统设计指标 .4第三章 电源电路的研究与设计 .53.1 主电路的设计 .53.1.1 电路参数计算 .53.1.2 电路设计 .53.2 反馈电路的设计 .63.2.1 电路参数计算 .73.2.2 电路设计 .83.3 电源电路的设计 .8第四章 充电电路的设计 .104.1 充电电路原理概述 .104.1.1 UC3906DW 介绍 .104.1.2 6-GFM-200 特性分析 .104.1.3 充电原理 .114.2 充电电路设计 .12第五章 驱动电路的研究与设计 .145.1 SA7527A 功率校正芯片介绍 .145.2 原理概述与电路设计 .145.2.1 原理概述 .1
13、45.2.2 电路设计 .15第六章 控制系统的设计 .18目 录- IV -6.1 PIC16C71-16/P 介绍 .186.2 控制部分软硬件设计 .186.2.1 控制系统硬件框图 .196.2.2.1 光强检测部分 .196.2.2.2 MCU 模块设计 .206.2.2.3 状态显示电路设计 .206.2.2.4 供电电路设计 .216.2.2 控制系统软件设计 .22第七章 结论与展望 .257.1 误差分析与结论 .257.1.1 误差分析 .257.1.2 结论 .267.2 有待进一步研究的问题 .27参考文献 .28致 谢 .31附录 A 程序主要部分源代码 .32附录
14、B 程序使用说明书 .40附录 C 整机电路图 .41第一章 绪论- 1 -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
15、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
16、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
17、通控制以及第一章 绪论- 2 -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
18、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 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 PIC16C71-16/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- 3
19、 -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 PIC16C71-16/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 U
20、C3906DW 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
21、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 /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。第二章 整体方案设计- 4 -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 BU
22、CK 变换电路实现 25-37V/18V 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PIC16C71-16/P 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。PIC16F716单片机控制光强采样充电控制和保护太阳能电压输入铅蓄电池状态指示 LED 驱动电路DC-DC 变换图 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)：25V37V/18V；(2)驱动功率范围：02.4KW；(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。 第二章 整体方案设计- 5 -(4)光强弱信息采样率：40 次/分；5抗干扰能力：120s。
