MPPT在光伏LED照明系统中的应用

MPPT在光伏LED照明系统中的应用

周森蒋瑾瑾

（安徽水利水电职业技术学院230000）

摘要：采用太阳能作为一次能源用来照明是光伏发电的一种主要应用形式，而高效运用太阳能是人们一直追求的目标，其中最大功率点跟踪（MPPT）技术是高效光伏发电系统中的关键技术之一。而在光伏电池供电系统中，光伏电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，所以光伏电池是一种极不稳定的电源。在工作时，由于光伏阵列的输出特性受负载状态、日照量、环境温度等因素的影响而大幅变化，在一定的光照强度和环境下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压下，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称为最大功率点。

关键词：光伏LED照明；MPPT；照明系统中的应用

一、概述

由于化石能源日益枯竭与环境恶化的加剧引发了世界性质的能源危机，世界主要的发达国家都开始重视可再生能源的开发研究。太阳能作为清洁可再生能源以其蕴藏量巨大和普遍性得到世界新能源探索者们广泛关注。太阳是—个巨大无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总量（约为3．75×1026w）的22亿分之一，但已高达1．73X107W，也就是说太阳每秒照射到地球上的能量相当于500W吨煤。太阳能电池是光能转换成电能的枢纽，它的转换效率直接决定整个光伏系统对太阳光能的利用率，目前我国实验室太阳能电池的效率已达25％（在光强为1000W，M2环境温度25℃测试条件下）。一般商业化太阳能电池效率为13一17％。太阳能电池的输出功率不但与光照强度有关，还与负载电流大小有密切关系。从太阳能电池的，发现存在一个最大功率点，为了获取当前日照下最多的能量，就必须采取措施使太阳能电池的负载特性能自动跟踪周围气候的变化条件，以得到最大的能量采集，称之为最大功率点追踪（MPPT）。半导体发光二极管（LED）照明是国际公认的新一代固态照明光源，具有节能、高效、长寿命、绿色环保、无辐射等显著特点。由于LED路灯的小功耗以及LED的直流供电等特性使得其与太阳能相结合具有其他光源不具备的独特优势。太阳能路灯中的太阳能电池占总成本的50％以上，因此如何降低太阳能电池板的成本是推广普及太阳能LED路灯的关键问题。在转换效率不变的情况下只能从提高太阳能电池输出功率和更有效合理输出利用，最大功率点追踪（MPPT）能满足输出功率最大化，而为达到合理输出利用目地本文提出了脉冲调制（PWM）的分时段LED调光方法，并在实际应用中得到了验证。

二、光伏LED照明系统

光伏LED照明系统是利用光伏电池将太阳能转化为电能，再利用LED照明装置将电能转化为光能的系统。光伏阵列输出直流电压和电流，将电能存储在蓄电池中，当需要照明时，再通过适当的控制由蓄电池向半导体灯具供电，一般电能需要经过电力电子变换器转换后才能对LED灯进行供电，光伏LED路灯系统包括太阳能电池板、充放电电路、蓄电池、LED负载以及系统的控制电路等部分。太阳能电池将太阳能转化为电能并储存在蓄电池中，充电电路通过控制DC/DC变换电路的开关占空比可以改变光伏阵列的输出电压和蓄电池的充电电压，从而实现光伏电池板的MPPT和蓄电池恒压充电的结合。同时，DC/DC变换电路将蓄电池的输出电压提升到LED的工作电压，并通过控制开关的占空比调节LED负载的电流，实现LED的恒流控制。LED的驱动电路就是为了使端电压和导通电流与LED的参数相匹配，既能达到开启电压使LED工作在发光状态，又能对其电流进行严格控制，保持在设定的参考值下，从而保证系统能长期运行在可靠稳定的状态下。光伏LED照明系统的综合控制器是整个系统的核心部分，它能实现光伏阵列MPPT对蓄电池充电和蓄电池向LED放电的独立控制，并能正确判断何时需要提供照明，以在蓄电池充放电之间进行正确的切换。控制器不仅控制着整个系统的运行方式，还对蓄电池和LED的使用寿命有着至关重要的影响。为了保证光伏阵列在任何日照和环境温度下始终以相应的最大功率输出工作，控制器需要对光伏电池进行MPPT，同时配合蓄电池的充电策略，为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时还需要保护蓄电池，防止过充和过放现象的发生。

三、LED调光接口的实现

对于路灯来说，到了午夜以后，过往的车辆行人都很少，所以可以采用半功率甚至1/3功率输出，这样就可以减少电功率的消耗，是一种极为可取的节能方式。虽然这种半夜功率减半的方法早就在普通路灯中采用，但是在太阳能LED路灯中还不是很普遍。其原因就是因为很多“节能”控制器中采用了错误的调光方法，仍然采取普通节能灯线性限流方式，而做为大功率LED路灯为了提高功效，降低散热成本均采用了LED驱动器。LED驱动采用的是变压恒流开关电源模式，因此在控制器端限流而在LED驱动级恒流产生冲突，结果当控制器输出功率大于恒流驱动功输入功率由于LED恒流驱动的恒流作用光源仍然全功率输出而无法达到半功率输出的目的，当控制器输出功率小于恒流驱动功输入功率则会出现光源闪烁，最终达不到半功率输出目地。对LED调光的最好方法就是采用脉宽调制（PWM）调光，采用这种方法不会引起LED输出的色温偏移。这就要求调光控制器具有PWM式的调光输出。而恒流驱动源也要具备有PWM的调光输入，PWM占空比调制信号是由megal6单片机可编程PWM接口控制输出，为了保护系统微处理器在输出端采用光耦隔离输出。

四、光伏LED照明系统的仿真建模

对光伏LED照明系统进行仿真建模，按照实际系统参数在MATLAB/Simulink中搭建系统的主电路模型，如图1所示。图中以蓄电池为分界点，左边是光伏阵列输出Buck电路，其作用是将输出电压转换成能够给蓄电池充电的适当电压。右边是LED驱动Boost电路，其将蓄电池的输出电压升高至能驱动LED器件正常工作。

图1MATLAB/Simulink光伏LED照明系统的主电路模型

光伏发电系统的最大功率点跟踪（MPPT）控制方法有很多种，扰动观察法由于其简单易行，被测参数小，成本低，对硬件要求相对较低是目前应用和研究较为广泛的一种MPPT方法。本系统中采用了一种变步长干扰观测法，其基本思想是加入步长变化的环节，在工作点远离最大功率点区间内，设定扰动步长相对较大，在工作点接近最大功率点区间时，设定步长相对较小。这样既能在稳态时减小功率损失，又能在外界条件剧烈变化时提高动态响应和系统的稳定性，从而达到预期的控制效果。光伏电池板的P-U曲线可以分为三段。I段可以近似为一斜率为正值的直线，II段可近似为以最大功率点为中心对称的正弦波，III段近似为一斜率为负的直线。根据变步长干扰观测法的控制思想，在I段和III段采用大步长，而在II段采用小步长，就可以在跟踪速度和减小稳态时功率损失之间折中。采用变步长干扰观测法MPPT控制模型。模型中，控制器根据电压、电流的采样数据，换算出当前系统的电压、电流和功率参数，判断当前系统运行于I段、III段还是II段，并根据此来设定合适的扰动步长，控制系统的占空比数据，从而实现系统的MPPT控制。基于以上模型，设置PV输出额定功率为300W，环境温度为，改变光照强度分别为900W/m2、800W/m2、700W/m2和1000W/m2作为不同时刻的动态光照扰动。在光照强度快速变化时，光伏电池的输出压只有微小的波动，而输出电流变化比较明显，与理想MPPT跟踪效果吻合，而且电流波形动态响应时间段、稳态波动小，体现出很好的控制性能，系统从开始运行经过一段时间稳定运行在最大功率点附近，当每次光照强度剧烈变化时，都能快速准确运行在新的最大功率点处，而波形在同一光照强度下的运行点变化范围较小，在一定程度上解决了干扰观测法在最大功率点附近反复振荡扰动和光照剧烈变化出现误判的问题。

在实际应用中，变步长干扰观测法的MPPT控制算法在光伏LED照明系统中能有效地进行控制输出工作点，动态响应快，稳态误差较小，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]杨峰.太阳能、风能发电技术.2016.

[2]赵晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术.2016.