張波,鄭宏,曹豐文,索跡,汪義旺

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系,江蘇 蘇州 215104;2.江蘇大學(xué) 電氣學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

應(yīng)對(duì)能源危機(jī)有2種方法:1)尋求新能源和可再生能源的利用;2)尋求新的節(jié)能技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電與半導(dǎo)體照明技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用便是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中很好的例證。同時(shí)LED太陽能路燈具有安全可靠、維護(hù)簡單、易于安裝等優(yōu)點(diǎn),是目前研究的熱點(diǎn)之一,正在被推廣應(yīng)用。因此本文對(duì)LED光伏路燈系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究,并用雙向直流變換器對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 LED光伏路燈系統(tǒng)的主要問題

LED光伏路燈系統(tǒng)主要由太陽能電池,控制器,鉛酸蓄電池和LED燈組成。光伏電池產(chǎn)生的是直流電,LED路燈是直流驅(qū)動(dòng),容易匹配。白天太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能同時(shí)對(duì)蓄電池充電,夜晚蓄電池供電給LED燈照明。系統(tǒng)中成本最高的是太陽能電池,在達(dá)到同樣的效果條件下,系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為采用最少的太陽能電池,即發(fā)揮太陽能電池的最大效能。太陽能電池即非恒流源也非恒壓源,其輸出功率隨光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化,在一定的光照強(qiáng)度和溫度下,太陽能電池只有工作于某一點(diǎn)上時(shí)其輸出功率才能達(dá)到最大。因此如何確保環(huán)境變化時(shí)太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)上,即如何實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是系統(tǒng)要解決的主要問題。另外LED的驅(qū)動(dòng),防止蓄電池過充過放并合理地對(duì)其充電也是系統(tǒng)要考慮的問題。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤的原理和實(shí)現(xiàn)方法

2.1 最大功率點(diǎn)跟蹤的原理

太陽能電池的輸出特性曲線如圖1所示。

圖1 太陽能電池的輸出特性曲線Fig.1 The characteristics curves of solar cell

從特性曲線上可以看出每條P-V特性曲線上都只有一個(gè)最大功率點(diǎn),最大功率點(diǎn)隨光照度的增加而增加,隨溫度的上升而減少。若太陽能電池組直接對(duì)蓄電池充電,其輸出電壓恒定,無法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。實(shí)現(xiàn)方法就是在太陽能電池和蓄電池之間插入直流變換器,把直流變換器和蓄電池看作太陽能電池的負(fù)載,調(diào)節(jié)直流變換器的占空比,使負(fù)載和太陽能電池此時(shí)的內(nèi)阻相匹配,負(fù)載上獲得最大功率?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)可以使直流變換器的效率很高,因此太陽能電池組提供的功率大部分給蓄電池充電。直流變換器的輸出電壓可看作等于蓄電池電壓,是不變的,調(diào)節(jié)占空比改變其輸入電壓即光伏電池的輸出電壓。

2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法

目前理論上來說常用的最大功率跟蹤方式有如下幾種:恒電壓控制法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、模糊邏輯控制法、滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法等。這些方法都是在光照強(qiáng)度和溫度變化時(shí)依據(jù)光伏電池的特性曲線從數(shù)學(xué)方法上找到其相應(yīng)的最大功率點(diǎn),然后由相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)。這些方法又各有優(yōu)缺點(diǎn),其中恒電壓控制法具有電路簡單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),實(shí)際中應(yīng)用得較多?？紤]到本系統(tǒng)功率不大,故采用恒電壓控制法。從光伏電池的特性曲線上可以看出,溫度不變時(shí)不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)上光伏電池的輸出電壓幾乎是不變的,因此我們只需要使光伏電池的輸出電壓為某一值Um就能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。這就是恒電壓控制的原理。恒電壓控制的缺點(diǎn)在于沒有考慮到溫度變化的因素。針對(duì)這一不足我們可做如下改進(jìn):加入溫度補(bǔ)償系統(tǒng),讓不同的溫度范圍對(duì)應(yīng)不同的最大功率點(diǎn)電壓Um,或按-3～-5 mV/℃這樣就可以很好地解決該問題。

2.3 實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的具體電路

實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤用得較多的是Buck電路和Boost電路。Buck電路輸入電流是斷續(xù)的,若直接加在光伏電池上,光伏電池的輸出電流是斷續(xù)的,光伏電池不能處于最佳工作狀態(tài)。因此Buck電路與光伏電池之間必須插入儲(chǔ)能電容。加入儲(chǔ)能電容后,電路可靠性,體積等都會(huì)受到影響。相比之下,Boost電路其輸入端輸入電流是連續(xù)的,Boost電路只要其升壓電感足夠大就能保證光伏電池輸出電流基本無波動(dòng),在實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)有顯著的優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 Boost電路用于實(shí)現(xiàn)MPP T時(shí)的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of Boost circuit that is used to achieve MPPT

Boost電路開關(guān)S閉合時(shí),二極管 D截止,光伏電池通過開關(guān)S讓電感儲(chǔ)能,同時(shí)電容C對(duì)蓄電池放電;開關(guān)S斷開時(shí)D導(dǎo)通,光伏電池和電感一起對(duì)蓄電池放電,輸出電壓高于輸入電壓,同時(shí)讓電容充電。只要開關(guān)管工作頻率足夠高,電容C足夠大就能使輸出穩(wěn)定。Boost電路輸入輸出關(guān)系為

電路輸出電壓等于蓄電池電壓,一段時(shí)間可認(rèn)為是不變的,調(diào)節(jié)占空比可使其輸入電壓即光伏電池的輸出電壓變化,從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。濾波電容C較小有可能使蓄電池的充電電流波動(dòng)較大,影響蓄電池的使用壽命,電容C可按下式確定:

式中:Iom,f,Δ Uo分別指可能的最大充電電流、開關(guān)管工作頻率和電容C上的電壓波動(dòng)。

3 Bi Boost-Buck在系統(tǒng)中的應(yīng)用

從整個(gè)系統(tǒng)來看,蓄電池的能量要雙向傳遞。光伏電池給蓄電池充電要一個(gè)直流變換器,而蓄電池恒流驅(qū)動(dòng)LED燈也要一個(gè)直流變換器。這2個(gè)直流變換器共用一個(gè)主電路,而控制電路做在一起,就構(gòu)成了雙向直流變換器。雙向直流變換器能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞,是典型的一機(jī)兩用設(shè)備。它能減少電路的元件數(shù)量,使控制集中,減小電路的體積。許多單向直流變換器都可通過將其中無源開關(guān)反并一個(gè)有源開關(guān),而將原來的有源開關(guān)反并一個(gè)無源開關(guān)而成為雙向DC/DC變換器。上述Boost變換器通過上述變換構(gòu)成Bi Boost-Buck雙向直流變換器,如圖3所示。

圖3 Bi Boost-Buck變換器Fig.3 Bi Boost-Buck converter

蓄電池的充電和放電不會(huì)同時(shí)進(jìn)行,所以任一時(shí)間能量都是單向傳遞的。能量從左往右傳遞即光伏電池對(duì)蓄電池充電時(shí),主要是由L,S1,D1和C1工作,相當(dāng)于Boost電路;能量從右往左傳遞即蓄電池對(duì)LED燈供電時(shí),主要是S2,L,C2和D2工作相當(dāng)于Buck電路。恰當(dāng)選擇足夠大的電感L,就能使電路工作于Boost電路時(shí)可以讓電路輸入電流基本無波動(dòng),有利于實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤;電路工作于Buck電路時(shí)易于實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的恒流驅(qū)動(dòng)。同時(shí),電容C2可選用較小的容值。

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)框圖見圖4,光伏路燈中控制器包括雙向直流變換器,帶MPPT的充電控制器和放電與LED驅(qū)動(dòng)控制。實(shí)際上帶MPPT的充電控制器和放電與LED驅(qū)動(dòng)這兩部分在一起,統(tǒng)稱控制部分,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。光伏電池對(duì)蓄電池的充電和蓄電池放電時(shí),驅(qū)動(dòng)LED燈都由雙向直流變換器實(shí)現(xiàn)。圖4中開關(guān)K1和K2不允許同時(shí)開通。在光線較好且蓄電池不過充時(shí),K1開通;在光線較差時(shí)且蓄電池不過放時(shí)K2閉合。

圖4 系統(tǒng)框圖Fig.4 Sy stem diag ram

系統(tǒng)選用的光伏電池組最佳工作電壓為20.4 V,額定功率100 W,蓄電池100 A?h/24V,LED燈60W。設(shè)計(jì)為每天照明6～8 h,5個(gè)陰雨天。系統(tǒng)以微芯公司的16位單片機(jī)為控制核心。表1是有最大功率點(diǎn)跟蹤控制和無最大功率點(diǎn)跟蹤控制時(shí)測得的數(shù)據(jù)。從表1中可以看出系統(tǒng)加入MPPT控制后,光伏電池的輸出功率可提高13%左右。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.1 T he actual measured data

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的LED光伏路燈系統(tǒng),用恒電壓控制法的Boost電路實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤,在此基礎(chǔ)上構(gòu)成Bi Boost-Buck變換器同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的恒流驅(qū)動(dòng)(限于篇幅未詳細(xì)介紹LED的恒流驅(qū)動(dòng))。系統(tǒng)具有電路簡單,實(shí)現(xiàn)同樣照明效果成本低,電路體積小,實(shí)用高效等優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)前能源危機(jī)的背景下具有推廣價(jià)值。

[1]張波.LED光伏照明系統(tǒng)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2009.

[2]廖志凌,阮新波.一種獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)雙向變換器的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(1):97-102.

[3]趙宏,潘俊明.基于Boost電路的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù),2004,38(3):55-57.

[4]丁海洋,屈克慶,吳春華,等.光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制策略研究[J].電氣傳動(dòng),2006,36(12):3-6.

[5]王慶章,趙庚申,許盛之,等.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,38(6):74-79.

[6]Park J H,Ahn J Y,Cho B H,et al.Dual-module-based Maximum Power Point T racking Control of Photovoltaic Systems[J].IEEE Trans.Industrial Electronics,2006,53(4):1036-1047.

[7]張方華.雙向DC-DC變換器研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2004.

[8]Khajehoddin S A,Bakhshai A,Jain P.A Novel T opology and Control Strategy for M aximum Power Point T rackers and Multi-string G rid-connected PV Inverters[C]∥APEC,Twenty-T hird Annual IEEE,Austin,Tex as,USA,2008.

[9]Esram T,Kimball J W,Krein P T,et al.Dynamic M aximum Power Point Tracking of Photovoltaic A rrays Using Ripple Correlation Control[J].IEEE T rans.Power Electronics,2006,21(5):1282-1291.

[10]嚴(yán)仰光.雙向直流變換器[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[11]汪令祥.光伏發(fā)電用DC/DC變換器的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[12]張化德.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2007.

[13]林資旭,李亞西,趙斌.電壓型Boost變流器控制策略的研究[J].電氣傳動(dòng),2006,36(2):34-37.