MPPT在光伏LED照明系统中的应用

江阴职业技术学院电子信息工程系 赵书红

引言

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。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使其工作在最大功率点附近，这一过程就称为最大功率点跟踪[1]。

1 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，图1为典型光伏LED照明系统框图。

由图1可知，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。

图1 典型光伏LED照明系统框图

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。

2 光伏LED照明系统的仿真建模

图2 MATLAB/Simulink光伏LED照明系统的主电路模型

图4 MATLAB/Simulink变步长干扰观测法MPPT控制模型

图5 MPPT控制仿真曲线

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2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。

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[2]。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[2]。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，如图3所示。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[3]。

图3 光伏电池板的三段式P-U曲线

采用变步长干扰观测法MPPT控制模型如图4所示。

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，仿真波形如图5所示。

图5（a）中，在光照强度快速变化时，光伏电池的输出电压只有微小的波动，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。图5（b）中，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。

3 结束语

根据图4所示模型，集成太阳能电池板、蓄电池组和LED等可构建成光伏LED照明系统。经过系统主电路及控制板的设计与实现，采用嵌入式目标模块生成控制代码，并由单片机实现系统控制，最后得到实际系统MPPT运行时的电压、电流实验波形，如图6所示。

图6 光伏LED照明系统中的MPPT实际运行时的实验波形

由图6可见，当光照强度发生较大变化时，光伏阵列输出电压变化较小，但电流变化较大，与理论分析和仿真结果一致。这也说明了，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。

[1]杨晟,邓峰.太阳能、风能发电技术[M].北京:电子工业出版社,2013,6.

[2]赵争鸣,陈剑,孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京:电子工业出版社,2012,4.

[3]李晶晶.光伏系统最大功率点跟踪算法的研究与实现[D].桂林电子科技大学,2014.