基于光伏MPPT供电系统的LED恒流控制装置研究

扬州大学水利与能源动力工程学院　贾斯诚　王洁云　杨俊伟　史旺旺

基于光伏MPPT供电系统的LED恒流控制装置研究

扬州大学水利与能源动力工程学院贾斯诚王洁云杨俊伟史旺旺

针对LED（Light Emitting Diode）因其伏安特性导致不能直接利用恒压的蓄电池给其供电的问题，介绍一种基于光伏MPPT（Maximum Power Point Tracking）供电系统的恒流LED控制装置。该系统包含主电路和信号调理电路：主电路主要由光伏电池板、Buck电路、蓄电池、Boost电路和LED灯组成；信号调理电路包括光伏电池输出电流及电压检测电路、蓄电池输出电流及电压检测电路、LED控制器电流信号检测电路和由PWM（Pulse Width Modulation）信号与隔离变压器以及驱动功率开关管的隔离驱动电路。本LED控制装置具有高效、鲁棒性好、动态响应快的优点，具有广阔的市场前景。

太阳能光伏发电；MPPT；LED恒流控制

0　引言

近年来LED因其节能环保寿命长的优点，得到了十分广泛的关注与应用。LED的伏安特性决定了我们不能直接利用恒压的蓄电池为其供电，因为在电压的增加后，LED输出的电流也会随之增加。如果长时间运行在超过额定电流后，必然会极大的缩小LED的使用寿命。同时，太阳能作为最具有可持续发展特征的绿色可再生能源，可以缓解能源和和环境矛盾，因此太阳能光伏发电产业扮演着愈来愈重要的角色。因此，将LED与光伏供电技术相结合，对经济、环境、社会都会产生极大的积极影响。

1　系统基本原理

1.1MPPT系统

MPPT的全称为“最大功率点跟踪”，MPPT系统是一种工作状态，这种工作状态可以通过电气模块来调节，该电气系统可以使光伏电池板输出更多的功率，并且能够有效地利用蓄电池将太阳能电池板输出的直流电储存起来。光伏电池的输出功率与MPPT的工作电压有关，只有在最合适的工作电压下工作时，光伏电池的输出功率才会有最大值并且唯一。在现实生活中，MPPT控制器有广泛的运用，是因为它可以检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率，以及追踪到最大功率点。

1.2Buck电路

降压斩波电路（Buck Chopper）的功能是将直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电，由功率开关管、电感、电容和二极管构成，如图1所示。

图1　Buck电路

图2　Boost电路等效阻抗转换图

电路中为在功率开关管关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管，该Buck电路用于带蓄电池负载。在这个系统中，最大功率点对应的电流作为Buck电路控制输入电流的期望值，由Buck电路输入电流检测电路采集到的电流与此期望值比较，经过CPU反馈调节处理后，将驱动信号输出至隔离驱动电路。

1.3Boost电路

升压斩波电路（Boost Chopper）的原理图如图2所示。电路由功率开关管、电感、电容和二极管构成。

理想条件下，以上器件都不消耗能量，能量全部消耗在负载R上，结果如式（1）所示。

根据Boost电路的电压传递关系，如式（2）所示。

其中D表示占空比，即开关管导通时间与开关周期的百分比。而电路从输入端看电路的等效电阻，如式（3）所示。

因此可得结果如式（4）所示。

Boost升压电路原理图如图3所示。

文王适逢商周改朝换代大变革时代，他在囚牢里演绎《周易》而被后人冠以“圣人”。传说在周朝初期，《周易》为周天子的家藏密传书，是传给子孙后代修身养性齐家治国平天下的智慧学。孔子说他五十而研易，大约在孔子时期，《周易》开始从官家流落到民间，孔子才得到接触《周易》的机会。孔子的《十翼》是对《周易》阴阳消长对立统一哲学内核的挖掘和重要诠释，在易学史上具有承前启后的划时代意义，然而只是在《卦序传》中留下了遗憾的缺陷。本文为《易经》最新研究成果，修改后的《易经》64卦卦序，符合文王卦辞／爻辞内容的排序逻辑。比干八宫揭示：

图3　Boost升压电路原理图

根据戴维南定理可将光伏电池简单等效为一个理想的直流电压源和一个内部电阻的串联形式，则某一时刻负载R获得的功率经计算如式（5）所示。

此时，输出功率最大。所以通过控制功率开关管的占空比，就可以达到电阻匹配的目的，从而使光伏电池总是输出最大功率。

系统中接入的Boost电路起到了控制恒流输出并且具有限压保护功能的驱动作用，通过检测流经LED电压和电流，并和期望的流过LED的电流进行比较，然后送入CPU反馈调节处理，输出至Boost电路控制芯片，以此来控制系统的恒流输出。该系统的Boost电路采用台湾立锜科技公司生产RT8480芯片。

2　系统设计与构成

2.1系统总体设计

系统结构框图及LED主电路图，分别如图4图5所示。

图4　系统结构框图

图5　LED主电路图

主电路部分主要元器件如下：1 光伏电池，2 滤波电容，3 BUCK电路，4蓄电池，5 Boost电路，6 LED电路。滤波电容与光伏电池输出端相连接，后端接入Buck电路，蓄电池的两端分别与Buck电路和Boost电路相连，Boost电路的输出端与LED的连接。Buck电路由功率开关管、电感、电容和二极管构成，Boost电路由控制芯片RT8480及其外围电路构成。

2.2 系统硬件设计

主电路如图5所示。

在该系统中CPU选用意法半导体仪器公司的STM32F103系列微处理器（STM32F103RET6），STM32F103RET6使用高性能的ARMTM-M3 32位的RISC内核，具有72MHz的高速处理能力，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。系统硬件如图6所示。

图6　系统硬件图

Boost电路则采用RT8480芯片。RT8480芯片具有非常高的调光比，采用模拟/数字调光，脉冲调制LED电流可编程，外部电流检测电阻。且有钳位比较模块，允许容限低的噪声模拟调光从数字信号转换。A/D转换电路的16位数字输出口分别与STM32F103RET6

芯片的数字接口PC0-PC5电连接。

3　系统具体实施方式

如图7所示为系统控制策略流程图。利用电压和电流传感器分别采集光伏电池板、蓄电池、LED装置的电压和电流信号，并送至模数转换模拟量输入后再经过滤波电路处理。经过CPU检测先判断蓄电池是否运行在快充状态、是否达到设定电压，若符合条件可计算出最大功率点对应的电流，同时启动MPPT控制程序得到其电流，并可根据需要计算得到LED恒流控制时需要的电流幅值，利用变压器隔离驱动电路实现对Buck电路功率开关管导通、关断控制，使得系统始终工作在最优的环境下，延长了系统的使用寿命并且提高了对能源的使用效率。

图7　系统工作流程图

系统控制关键在于信号调理电路，日间光伏电池的输出电压与输出电流检测电路将采集到的光伏电池输出电压和电流经过A/D转换后送至CPU，CPU经过检测先判断蓄电池是否运行在快充状态，若符合条件可计算得到最大功率点对应的电流，将此电流作为Buck

电路控制输入电流的期望值，由Buck电路输入电流检测电路采集到的电流与此期望值比较，经过CPU反馈调节处理后输出至隔离驱动电路。隔离驱动电路根据CPU输出的PWM信号控制功率开关管，实现在蓄电池快充阶段的MPPT控制，提高了电流环的响应速度，也减小了最大功率点的波动；若蓄电池处在过充和浮充状态，同样可以计算输出的PWM信号控制功率开关管，在蓄电池过充和浮充阶段的实现恒压充电。夜间Boost电路后端的LED装置作为维持恒流输出并且作有限压保护功能的驱动，通过检测流经LED的电压和电流，并和期望的流过LED的电流相比较，反馈调节处理后，再输出至Boost电路控制芯片，以此来控制系统的恒流输出。

4　结束语

经过对太阳能光伏电池的性能研究，采用基于STM32F103的MPPT控制方法来控制降压斩波电路Boost变换器的占空比D，以达到电阻匹配的目的，从而实现光伏电池最大功率点的跟踪。实验结果证明，该方法能够准确、快速地跟踪太阳能电池的最大功率输出点。该控制器简单易用，适合学生学习、操作，具有良好的实用性。

［1］严卫洲，潘俊民.基于MPPT的太阳能光伏充电控制器研究［J］.电工技术，2009，03：85-86.

［2］王兆安，刘建军.电力电子技术（第5版）［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［3］陈爱龙.光伏发电系统MPPT技术的研究与实现［D］.电子科技大学，2011.

［4］王厦楠.独立光伏发电系统及其MPPT的研究［D］.南京航空航天大学，2008.

［5］王平.光伏发电LED照明的最大功率跟踪及控制技术研究［J］.光机电信息，2009，v.26；No.31011：30-35.

［6］程红.基于太阳能光伏发电的LED照明系统的研究［D］.西安科技大学，2010.

［7］史清风.光伏发电与LED照明综合应用的技术研究［D］.北京建筑工程学院，2012.

贾斯诚（1995—），男，江苏常州人，扬州大学水利与能源动力工程学院本科生，主要从事太阳能光伏发电方面的研究。

扬州大学学术科技创新基金项目（x2015541）。

史旺旺【通信作者】，男，副教授，硕士生导师。