江陰職業(yè)技術(shù)學院電子信息工程系 趙書紅

引言

采用太陽能作為一次能源用來照明是光伏發(fā)電的一種主要應用形式，而高效運用太陽能是人們一直追求的目標，其中最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)是高效光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。而在光伏電池供電系統(tǒng)中，光伏電池的內(nèi)阻不僅受日照強度的影響，而且受環(huán)境溫度及負載的影響，所以光伏電池是一種極不穩(wěn)定的電源。在工作時，由于光伏陣列的輸出特性受負載狀態(tài)、日照量、環(huán)境溫度等因素的影響而大幅變化，在一定的光照強度和環(huán)境下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓下，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才能達到最大，這時光伏陣列的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱為最大功率點。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏陣列的工作點，使其工作在最大功率點附近，這一過程就稱為最大功率點跟蹤[1]。

1 光伏LED照明系統(tǒng)

光伏LED照明系統(tǒng)是利用光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再利用LED照明裝置將電能轉(zhuǎn)化為光能的系統(tǒng)。光伏陣列輸出直流電壓和電流，將電能存儲在蓄電池中，當需要照明時，再通過適當?shù)目刂朴尚铍姵叵虬雽w燈具供電，一般電能需要經(jīng)過電力電子變換器轉(zhuǎn)換后才能對LED燈進行供電，圖1為典型光伏LED照明系統(tǒng)框圖。

由圖1可知，光伏LED路燈系統(tǒng)包括太陽能電池板、充放電電路、蓄電池、LED負載以及系統(tǒng)的控制電路等部分。太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲存在蓄電池中，充電電路通過控制DC/DC變換電路的開關(guān)占空比可以改變光伏陣列的輸出電壓和蓄電池的充電電壓，從而實現(xiàn)光伏電池板的MPPT和蓄電池恒壓充電的結(jié)合。同時，DC/DC變換電路將蓄電池的輸出電壓提升到LED的工作電壓，并通過控制開關(guān)的占空比調(diào)節(jié)LED負載的電流，實現(xiàn)LED的恒流控制。LED的驅(qū)動電路就是為了使端電壓和導通電流與LED的參數(shù)相匹配，既能達到開啟電壓使LED工作在發(fā)光狀態(tài)，又能對其電流進行嚴格控制，保持在設定的參考值下，從而保證系統(tǒng)能長期運行在可靠穩(wěn)定的狀態(tài)下。

圖1 典型光伏LED照明系統(tǒng)框圖

光伏LED照明系統(tǒng)的綜合控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，它能實現(xiàn)光伏陣列MPPT對蓄電池充電和蓄電池向LED放電的獨立控制，并能正確判斷何時需要提供照明，以在蓄電池充放電之間進行正確的切換?？刂破鞑粌H控制著整個系統(tǒng)的運行方式，還對蓄電池和LED的使用壽命有著至關(guān)重要的影響。

為了保證光伏陣列在任何日照和環(huán)境溫度下始終以相應的最大功率輸出工作，控制器需要對光伏電池進行MPPT，同時配合蓄電池的充電策略，為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效地為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命，同時還需要保護蓄電池，防止過充和過放現(xiàn)象的發(fā)生。

2 光伏LED照明系統(tǒng)的仿真建模

圖2 MATLAB/Simulink光伏LED照明系統(tǒng)的主電路模型

圖4 MATLAB/Simulink變步長干擾觀測法MPPT控制模型

圖5 MPPT控制仿真曲線

對光伏LED照明系統(tǒng)進行仿真建模，按照實際系統(tǒng)參數(shù)在MATLAB/Simulink中搭建系統(tǒng)的主電路模型，如圖2所示。圖中以蓄電池為分界點，左邊是光伏陣列輸出Buck電路，其作用是將輸出電壓轉(zhuǎn)換成能夠給蓄電池充電的適當電壓。右邊是LED驅(qū)動Boost電路，其將蓄電池的輸出電壓升高至能驅(qū)動LED器件正常工作。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤（MPPT）控制方法有很多種，擾動觀察法由于其簡單易行，被測參數(shù)小，成本低，對硬件要求相對較低是目前應用和研究較為廣泛的一種MPPT方法[2]。本系統(tǒng)中采用了一種變步長干擾觀測法，其基本思想是加入步長變化的環(huán)節(jié)，在工作點遠離最大功率點區(qū)間內(nèi)，設定擾動步長相對較大，在工作點接近最大功率點區(qū)間時，設定步長相對較小[2]。這樣既能在穩(wěn)態(tài)時減小功率損失，又能在外界條件劇烈變化時提高動態(tài)響應和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而達到預期的控制效果。

光伏電池板的P-U曲線可以分為三段，如圖3所示。I段可以近似為一斜率為正值的直線，II段可近似為以最大功率點為中心對稱的正弦波，III段近似為一斜率為負的直線。根據(jù)變步長干擾觀測法的控制思想，在I段和III段采用大步長，而在II段采用小步長，就可以在跟蹤速度和減小穩(wěn)態(tài)時功率損失之間折中[3]。

圖3 光伏電池板的三段式P-U曲線

采用變步長干擾觀測法MPPT控制模型如圖4所示。

模型中，控制器根據(jù)電壓、電流的采樣數(shù)據(jù)，換算出當前系統(tǒng)的電壓、電流和功率參數(shù)，判斷當前系統(tǒng)運行于I段、III段還是II段，并根據(jù)此來設定合適的擾動步長，控制系統(tǒng)的占空比數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的MPPT控制?；谝陨夏Ｐ?，設置PV輸出額定功率為300W，環(huán)境溫度為，改變光照強度分別為900W/m2、800W/m2、700W/m2和1000W/m2作為不同時刻的動態(tài)光照擾動，仿真波形如圖5所示。

圖5（a）中，在光照強度快速變化時，光伏電池的輸出電壓只有微小的波動，而輸出電流變化比較明顯，與理想MPPT跟蹤效果吻合，而且電流波形動態(tài)響應時間段、穩(wěn)態(tài)波動小，體現(xiàn)出很好的控制性能。圖5（b）中，系統(tǒng)從開始運行經(jīng)過一段時間穩(wěn)定運行在最大功率點附近，當每次光照強度劇烈變化時，都能快速準確運行在新的最大功率點處，而波形在同一光照強度下的運行點變化范圍較小，在一定程度上解決了干擾觀測法在最大功率點附近

反復振蕩擾動和光照劇烈變化出現(xiàn)誤判的問題。

3 結(jié)束語

根據(jù)圖4所示模型，集成太陽能電池板、蓄電池組和LED等可構(gòu)建成光伏LED照明系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)主電路及控制板的設計與實現(xiàn)，采用嵌入式目標模塊生成控制代碼，并由單片機實現(xiàn)系統(tǒng)控制，最后得到實際系統(tǒng)MPPT運行時的電壓、電流實驗波形，如圖6所示。

圖6 光伏LED照明系統(tǒng)中的MPPT實際運行時的實驗波形

由圖6可見，當光照強度發(fā)生較大變化時，光伏陣列輸出電壓變化較小，但電流變化較大，與理論分析和仿真結(jié)果一致。這也說明了，在實際應用中，變步長干擾觀測法的MPPT控制算法在光伏LED照明系統(tǒng)中能有效地進行控制輸出工作點，動態(tài)響應快，穩(wěn)態(tài)誤差較小，具有一定的實用價值。

[1]楊晟,鄧峰.太陽能、風能發(fā)電技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013,6.

[2]趙爭鳴,陳劍,孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012,4.

[3]李晶晶.光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤算法的研究與實現(xiàn)[D].桂林電子科技大學,2014.