基于MPPT光伏LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志宏++華前斌

摘 要：本文采用一高性價(jià)比8位單片機(jī)STM8S103F3作為核心控制芯片，系統(tǒng)涉及DC/DC雙向變換技術(shù)，把光伏充電與LED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用有效結(jié)合。采用的簡(jiǎn)化的迭代法來進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，提高充電效率。通過STM8單片機(jī)PWM調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步提高電流穩(wěn)定精度。

關(guān)鍵詞：最大功率點(diǎn)跟蹤；LED 照明；DC/DC變換器

中圖分類號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

傳統(tǒng)光伏LED 路燈照明設(shè)備采用光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)和LED驅(qū)動(dòng)電路的兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)組合而成，導(dǎo)致安裝復(fù)雜、成本高、可靠性差等缺點(diǎn)。為此，本文所設(shè)計(jì)光伏LED路燈照明系統(tǒng)，采用光伏發(fā)電儲(chǔ)能控制與LED恒流驅(qū)動(dòng)共用一套電路，電路利用率提升，降低了制造成本。對(duì)促進(jìn)節(jié)能環(huán)保LED路燈照明的普及推廣有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文給出了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的具體方案，最后對(duì)所設(shè)計(jì)的樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1.設(shè)計(jì)思想

一般的太陽能LED照明設(shè)備，需將光伏充電控制器和LED驅(qū)動(dòng)電源兩個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品集成，涉及產(chǎn)品選型、匹配等一系列問題。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將光伏充電與LED驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功能在同一電路中實(shí)現(xiàn)。

要在同一主電路中實(shí)現(xiàn)太陽能充放電控制和恒流驅(qū)動(dòng)一體化，需采用雙向直流變換器電路。雙向直流變換器電路，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與LED輸出兩者間自動(dòng)切換，即在白天有光照時(shí)，雙向變換器切換為輸入模式，對(duì)太陽能電池發(fā)電進(jìn)行蓄電池儲(chǔ)存；夜晚或無光照時(shí)，雙向變換器切換為輸出模式，蓄電池通過直流變換器放電，提供LED路燈照明電能。電路中單片機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路控制充電和放電過程的切換，以及充電電壓和LED路燈電流大小。

2.電路設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)蓄電池一組充電電壓13V左右，太陽能板開路電壓達(dá)到21.5V，充電需要降壓處理，經(jīng)典的方案是采用Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC轉(zhuǎn)換電路。蓄電池放電采用Boost 的DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)提供電能。本系統(tǒng)充放電與LED恒流驅(qū)動(dòng)一體，電路在Buck和Boost電路的基礎(chǔ)上改為基本架構(gòu)為Buck-Boost 雙向DC/DC變換器。

如圖1所示，本系統(tǒng)的主電路為雙向DC/DC變換電路，由一個(gè)電感和多個(gè)功率MOS 開關(guān)管、電容等組成。此電路通過MOS功率管Q4和Q1兩個(gè)開關(guān)控制Buck充電和Boost放電的切換。

2.2 工作原理

2.2.1 最大功率點(diǎn)跟蹤充電技術(shù)

雙向DC/DC變換電路的光伏充電的工作過程為：MOS管Q2、 Q1斷開，形成Buck結(jié)構(gòu)DC/DC變換電路。單片機(jī)控制Buck電路的MOS管Q4的開關(guān) ，輸出一定的電壓或電流，對(duì)蓄電池充電。

光伏太陽能板只有在一個(gè)特定輸出電壓下，才能得到最大的光電轉(zhuǎn)換效率（即輸出功率最大）。受外部光照強(qiáng)度和溫度的影響，其輸出Upmax是變化的。本系統(tǒng)通過MPPT算法，在實(shí)用的精度范圍內(nèi)，設(shè)置合適的太陽能板輸出電壓盡可能地保證系統(tǒng)具有最大光電轉(zhuǎn)換效率。

其中 DI、DV是關(guān)于太陽能板在參考光強(qiáng)、參考溫度環(huán)境下的參數(shù)，Isc為太陽板短路電流。表達(dá)式是個(gè)超越方程，可由牛頓迭代法解出對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)的電壓 Vmax。

通過對(duì)迭代法的簡(jiǎn)化處理，實(shí)現(xiàn)在低端單片機(jī)中可以處理的MPPT算法，由單片機(jī)控制MOS 開關(guān)管Q4 的PWM 信號(hào)占空比，調(diào)整等效Buck邊換電路的輸出電壓和輸入電壓的大小。在適當(dāng)?shù)木确秶鷥?nèi)，實(shí)現(xiàn)充電環(huán)節(jié)的MPPT控制。

2.2.2 放電驅(qū)動(dòng)負(fù)載

本系統(tǒng)使用采用太陽能專用膠體蓄電池，一組的工作輸出電壓DC12V ，而LED路燈負(fù)載的工作電壓范圍大多在DC36～48 V，所以系統(tǒng)蓄電池放電過程，采用Boost 變換電路進(jìn)行DC電壓的變換，MOS開關(guān)管Q2接通Boost回路，蓄電池儲(chǔ)蓄的電能向路燈負(fù)載放電。通過單片機(jī)調(diào)整開關(guān)管Q1 的PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出電流LED電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED負(fù)載的恒流驅(qū)動(dòng)。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到本系統(tǒng)的一些關(guān)鍵控制要求，以及制造成本，控制系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的單片機(jī)STM8S103F3為控制核心。相對(duì)于現(xiàn)在眾多的8位單片機(jī)，STM8的性價(jià)比是很高的：一個(gè)10位連續(xù)漸近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC1），提供多達(dá)5個(gè)多功能的輸入通道和一個(gè)內(nèi)部多路復(fù)用輸入通道；16位通用定時(shí)器，帶有3個(gè)CAPCOM通道（IC、OC 或 PWM） ，可滿足本系統(tǒng)的控制功能要求。

控制設(shè)計(jì)框架如圖2所示，系統(tǒng)以STM8單片機(jī)為控制核心，外圍電路包括數(shù)據(jù)采集、PWM和I/O控制等信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路。光照強(qiáng)度、溫度，蓄電池、光伏陣列和LED 負(fù)載的電壓/ 電流 等參數(shù)信息，通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)化送入STM8 的ADC 接口，進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。根據(jù)程序算法，控制信號(hào)單元輸出信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路控制對(duì)應(yīng)的MOS開關(guān)管（含普通開關(guān)信號(hào)和PWM信號(hào)），實(shí)現(xiàn)MPPT 充電、LED恒流供電。用紅外遙控器與主機(jī)進(jìn)行通信，設(shè)置所需工作參數(shù)，主機(jī)人機(jī)界面顯示相應(yīng)工作狀態(tài)。

此外，本系統(tǒng)通過對(duì)蓄電池電流、電壓等數(shù)據(jù)的采集控制，還具有對(duì)蓄電池過充、過放等各項(xiàng)保護(hù)功能。

3.測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要參數(shù)：太陽能組件標(biāo)稱最大功率電壓 17.5V，最大功率電流5.71A，短路電流6.31A；儲(chǔ)能設(shè)備采用一組膠體畜電池，充電電壓13.8V；LED負(fù)載額定功率40W，測(cè)量工作電壓31.6V，工作電流1.2A。

在系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電池充電這一階段，對(duì)光伏電池電壓輸出實(shí)行MPPT控制，通過半透明物體改變光照傳感器接收的光照強(qiáng)度，系統(tǒng)對(duì)充電電壓加以不斷調(diào)節(jié)，測(cè)量系統(tǒng)PV輸出電壓值與Matlab仿真的結(jié)果接近，響應(yīng)的時(shí)間也在許可范圍了，達(dá)到預(yù)期的控制效果。實(shí)驗(yàn)電路中，如圖1所示，測(cè)量R5兩端電壓波形（即間接測(cè)LED負(fù)載電流變化），得到波形穩(wěn)定，上下波動(dòng)在3%以內(nèi)。說明控制器的很好恒流驅(qū)動(dòng)作用。

結(jié)論

本文進(jìn)行了MPPT獨(dú)立式光伏大功率LED照明電源研究，采用了經(jīng)過簡(jiǎn)化的迭代法實(shí)現(xiàn)MPPT控制，一定程度地使充電效率得到提高。并且本系統(tǒng)把小型光伏充電系統(tǒng)與LED照明控制系統(tǒng)有效結(jié)合，節(jié)約成本，減小了設(shè)備的體積，便于推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]劉倩麗. 基于數(shù)字控制雙向DC/DC的太陽能LED照明裝置的研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]徐安安，任乘乘，吳珊珊，等.基于STC系列單片機(jī)對(duì)智能LED臺(tái)燈調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2016，27（6）：88-93，116.

[3]許碧榮，陳麗華.高效太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（11）：73-74.

[4]方福波.高亮度LED在綠色照明工程中的應(yīng)用研究與開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

[5]王松.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏電源最大功率控制系統(tǒng)[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004，34（4）：45-48.

[6]周林，武劍，栗秋華.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù)，2008，34（6）：1145-1154.

[7]劉志強(qiáng)，卿啟新，夏亞桃.白光LED驅(qū)動(dòng)分析與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（6）： 191-195.

[8]胡慶，張康，卓必新，等.基于嵌入式太陽能LED照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（1）：49-51.endprint