陳 劍，趙爭鳴，袁立強(qiáng)

(清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

基于嵌入式目標(biāo)模塊的太陽能LED照明控制系統(tǒng)研究

陳 劍，趙爭鳴，袁立強(qiáng)

(清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

太陽能LED照明系統(tǒng)作為新型照明方式，不僅具有獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如清潔無污染、無需長距離輸電導(dǎo)線等，還具有LED照明的發(fā)光效率高、光線柔和、光伏電池設(shè)計(jì)容量小等諸多優(yōu)勢。但系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT）控制、LED非線性負(fù)載放電控制和蓄電池充放電控制等功能，對控制具有較高要求。本文對控制系統(tǒng)要求進(jìn)行分析，分別進(jìn)行了MPPT、充電策略和LED放電控制的研究，并采用MATLAB/Simulink對主電路和控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真?；诜抡婺Ｐ停捎们度胧侥繕?biāo)模塊eZdsp生成TSM320F2812 DSP控制程序，對仿真模型進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化，并在硬件平臺對具體控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、啟動(dòng)電流平滑、穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點(diǎn)，從而得出適合太陽能LED照明系統(tǒng)的控制方法。

嵌入式目標(biāo)模塊;最大功率點(diǎn)跟蹤;LED照明

1 引言

太陽能作為重要的新能源，具有清潔無污染、儲量巨大、便于利用等優(yōu)點(diǎn);LED(發(fā)光二極管）照明系統(tǒng)具有壽命長、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，也開始廣泛應(yīng)用于照明;太陽能LED照明系統(tǒng)集中了太陽能和LED的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有很好的市場前景。但其具有自身的缺陷:太陽能電池板輸出伏安特性(V-I）曲線為非線性，只有工作在特定電壓下才能輸出最大功率，需要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT）控制;LED燈的伏安特性曲線近似為指數(shù)函數(shù)，因此對控制精度要求較高，否則容易損壞;蓄電池作為儲能元件，需要可靠合理的充放電管理策略，才能延長其使用壽命。

本文根據(jù)上述問題，分別進(jìn)行了MPPT控制研究、LED恒流控制研究和蓄電池充放電策略研究，采用MATLAB/Simulink進(jìn)行系統(tǒng)主電路和控制算法綜合仿真，得出較為理想的控制效果和控制參數(shù)，并對控制模型進(jìn)行移植，利用Embedded Target for TI C2000 DSP嵌入式目標(biāo)模塊生成控制代碼，由TMS320F2812 DSP進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)控制，從而將仿真控制算法在實(shí)際系統(tǒng)中快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)控制要求分析與實(shí)現(xiàn)方法

太陽能LED照明系統(tǒng)包括光伏陣列、蓄電池、LED陣列燈和控制器幾個(gè)部分。其控制器需實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)充放電控制，對光伏陣列、蓄電池和LED燈工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并實(shí)現(xiàn)充放電切換過程，既要保證光伏陣列最大功率輸出，又要保證蓄電池使用壽命和LED燈安全工作。

2.1 MPPT控制的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

目前MPPT控制研究較多，方法各異，控制效果各不相同，因此需要選取一種適合實(shí)際系統(tǒng)的合理方法。根據(jù)文獻(xiàn)［1-3］，選取適合小型獨(dú)立系統(tǒng)的干擾觀測法，并對其進(jìn)行改進(jìn)，完全可以滿足控制需要。

傳統(tǒng)的干擾觀測法在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，能快速準(zhǔn)確進(jìn)行MPPT控制，但存在最大功率點(diǎn)附近反復(fù)振蕩和特殊情況下誤判斷的問題，如光照強(qiáng)度劇烈變化［3，4］。

通過對傳統(tǒng)方法的擾動(dòng)步長Δs進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，即當(dāng)外界條件變化劇烈時(shí)，適當(dāng)加大擾動(dòng)步長和控制周期，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，減小擾動(dòng)步長和控制周期，可提高系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)態(tài)精度，有效避免傳統(tǒng)方法的反復(fù)振蕩。

同時(shí)，通過變步長方法，可以在檢測到功率變化值ΔP較大時(shí)，鎖定擾動(dòng)步長為0，當(dāng)系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定之后繼續(xù)最大功率點(diǎn)搜索，即可有效解決傳統(tǒng)方法的誤判斷現(xiàn)象。

2.2 LED燈恒流控制的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

LED燈負(fù)載伏安特性曲線近似為一指數(shù)函數(shù)，在額定功率附近di/dU比值非常大，對系統(tǒng)控制要求較高［5］，若采用單環(huán)控制，系統(tǒng)階數(shù)低，LED負(fù)載電壓電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度不可兼顧，很難保證效果。為此根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)需要，建立恒電流雙環(huán)控制模型框圖如圖1所示:

圖1 LED恒電流雙環(huán)控制模型框圖Fig.1 Dual-loop constant current control model for LED lighting

系統(tǒng)通過Iset設(shè)置運(yùn)行參考電流，控制系統(tǒng)由電壓電流傳感器獲得采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)框圖算法最終輸出PWM脈沖作用于開關(guān)器件MOSFET門極以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

采用恒電流雙環(huán)控制，提高了系統(tǒng)階數(shù)，并且以參考電流為最終控制對象，有利于提高LED負(fù)載電流平滑穩(wěn)定。

2.3 系統(tǒng)充放電策略選取

蓄電池在使用過程中，充放電策略對其壽命具有重要影響［6，7］。由于系統(tǒng)需要盡可能最大功率輸出并儲存以充分利用光伏陣列，因此充電策略需要既滿足MPPT需求，也能解決蓄電池壽命問題。選取以下充電策略可以滿足要求:

MPPT充電控制:在電池端電壓低于設(shè)定值Vset時(shí)，采用MPPT控制進(jìn)行最大功率充電，盡可能保證光伏陣列輸出最大功率，提高光伏陣列利用率;

限功率充電控制:當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到Vset時(shí)，采用限功率充電控制，設(shè)定充電功率P≤Pset，此時(shí)充電電流iP小于MPPT充電電流iMPP，系統(tǒng)不再進(jìn)行MPPT控制;

浮充控制:當(dāng)蓄電池端電壓接近飽和電壓Vf時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)一步降低充電電流，嚴(yán)格控制充電電壓Vc=Vf，進(jìn)入小電流浮充階段，最終完成整個(gè)充電過程。

2.4 基于嵌入式目標(biāo)模塊的控制程序生成

根據(jù)MATLAB/Simulink仿真模型，利用Simulink中Embedded Target for TI C2000模塊，對控制算法進(jìn)行移植，并加入eZdsp模塊對DSP資源進(jìn)行配置，即可快速編譯生成控制系統(tǒng)中TMS320F2812 DSP的控制代碼。由于采用了算法移植，使仿真結(jié)果能快速準(zhǔn)確地在實(shí)際系統(tǒng)中得到驗(yàn)證，并依據(jù)仿真結(jié)果可對控制算法進(jìn)行快速修改，大大提高效率［8］。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)

在MATLAB/Simulink仿真中，建立如圖2的主電路模型，主要由Buck主電路、傳感器和光伏陣列模型組成。

圖2 MATLAB/Simulink下的充電主電路模型Fig.2 MATLAB/Simulink model for main circuit of battery charging

建立變步長的改進(jìn)干擾觀測法MPPT控制的Simulink模型如圖3所示:

圖3 變步長的改進(jìn)干擾觀測法控制模型Fig.3 Blocks for mutable step perturb and observe MPPT algorithms

根據(jù)圖2和圖3模型進(jìn)行MPPT控制仿真，設(shè)置額定功率300W的光伏陣列模型在不同時(shí)刻改變光照強(qiáng)度分別為 900、800、700、1000W/m2作為動(dòng)態(tài)光照擾動(dòng)，環(huán)境溫度設(shè)定為25℃，仿真波形如圖 4所示。

圖4 MPPT仿真波形圖Fig.4 MPPT simulation waveforms

圖4(a）中，在光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，光伏陣列輸出電壓只有微弱波動(dòng)，而輸出電流變化明顯，與理想MPPT跟蹤效果完全吻合;電流波形動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)波動(dòng)小，體現(xiàn)出很好的控制性能。圖4(b）中，系統(tǒng)從開始運(yùn)行經(jīng)過一段時(shí)間即穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近，當(dāng)光照強(qiáng)度劇烈變化時(shí)，能快速準(zhǔn)確運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn)處;波形中同一光照強(qiáng)度下的運(yùn)行點(diǎn)變化范圍較小，充分解決了干擾觀測法在最大功率點(diǎn)附近反復(fù)振蕩擾動(dòng)和光照劇烈變化出現(xiàn)誤判斷的問題。

基于Simulink建立如圖5的LED負(fù)載放電電路模型，系統(tǒng)中 VS1、VS2、CS1、CS2 分別為電壓、電流傳感器，電路將蓄電池經(jīng)Boost電路升壓后接LED負(fù)載，控制程序利用圖1所示控制算法根據(jù)采樣數(shù)據(jù)最終輸出PWM脈寬信號作用于MOSFET以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

圖5 LED為負(fù)載的主電路模型Fig.5 Battery discharging main circuit for LEDs

設(shè)置LED啟動(dòng)參考電流為0.5A，在0.6s時(shí)改變參考電流為0.6A進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能仿真，其負(fù)載電壓電流波形如圖6所示。

圖6 LED電壓電流仿真曲線Fig.6 Voltage and current simulation waveforms of LEDs

圖6中，LED啟動(dòng)電流不帶有尖峰，可充分保護(hù)其免遭因尖峰電壓導(dǎo)致瞬間過流而造成的損壞。在改變參考電流后，輸出電流波形超調(diào)很小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對較快，穩(wěn)態(tài)精度較高。

根據(jù)以上模型，采用300W光伏電池、蓄電池組和50W LED燈構(gòu)建實(shí)際系統(tǒng)，建立系統(tǒng)主電路和TMS320F2812控制板，采用嵌入式目標(biāo)模塊生成控制代碼［8］，最終由 DSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，系統(tǒng) MPPT運(yùn)行和LED負(fù)載啟動(dòng)時(shí)電壓電流實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7(a）的波形為在光照強(qiáng)度發(fā)生劇烈變化時(shí)光伏陣列輸出電壓電流實(shí)驗(yàn)波形。波形在光照發(fā)生劇烈變化時(shí)，光伏陣列輸出電壓微弱變化，但電流發(fā)生明顯變化，充分體現(xiàn)MPPT控制算法能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，穩(wěn)態(tài)誤差較小。

圖7 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of control system

LED燈負(fù)載屬于半導(dǎo)體器件，瞬間過壓或過流就會導(dǎo)致?lián)p毀，因此實(shí)驗(yàn)中控制好啟動(dòng)過程，盡可能減小電壓尖峰、電流毛刺尤為重要。圖7(b）中設(shè)定LED燈啟動(dòng)時(shí)參考電流值為0.4A，波形顯示LED負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)平滑穩(wěn)定，沒有電壓尖峰和電流毛刺產(chǎn)生，可保證LED燈安全穩(wěn)定運(yùn)行，控制性能較為理想。

基于以上研究，太陽能LED照明控制器實(shí)際裝置如圖8所示。

4 結(jié)論

1）建立了太陽能LED照明控制系統(tǒng)的主電路MATLAB/Simulink仿真模型，在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了太陽能LED照明系統(tǒng)控制器。

2）對變步長的改進(jìn)干擾觀測法進(jìn)行仿真，并在實(shí)際系統(tǒng)中加以實(shí)現(xiàn)，由圖4可知系統(tǒng)MPPT控制中，光照突變時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓電流波動(dòng)小、跟蹤曲線吻合好，體現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)干擾觀測法的頻繁擾動(dòng)和誤判斷問題;建立了LED燈恒電流雙環(huán)控制模型，有效解決了LED負(fù)載因過流而瞬間損壞的問題，控制精度較高，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能較理想。

3）基于MATLAB/Simulink嵌入式目標(biāo)模塊eZdsp進(jìn)行控制程序快速生成，將仿真模型和參數(shù)快速應(yīng)用于太陽能LED照明控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)開發(fā)的快速性、準(zhǔn)確性，為基于DSP控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與開發(fā)提供了一種快速途徑。

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Implementation of solar LED lighting control system based on embedded target modules

CHEN Jian，ZHAO Zheng-ming，YUAN Li-qiang
(State Key Lab of Power Systems，Dept.of Elec.Eng.，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Solar LED lighting system as the new lighting technology has many advantages，such as green power usage，comfortable feeling and high efficiency.However，the complex and high performance control requirements challenged the control system，such as maximum power point tracking(MPPT）control，LED nonlinear load control and battery charging strategy selection.In this paper，the control system demands are analyzed.The MPPT control，battery charging strategy and LED load control research are achieved and simulations based on MATLAB/Simulink are accomplished.By using the simulation modules and eZdsp embedded target modules，the programs are generated for TMS320F2812 DSP's control.High performance experiments are also achieved for the LED lighting system，such as fast dynamic response，smooth starting current and high precision for steady-state.This paper also sets up an ideal control module of LED lighting system.The experimental programs generation based eZdsp provides an efficient realization for the DSP control system.

embedded target modules;maximum power point track;LED lighting

TM923.34

A

1003-3076(2010）03-0076-05

2009-09-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 50737002;50707015）

陳 劍(1984-），男，浙江籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍吞柲芄夥l(fā)電技術(shù);

趙爭鳴(1959-），男，湖南籍，教授，博士，研究方向?yàn)樘柲芄夥l(fā)電、電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)。