張波,鄭宏,曹豐文,索跡,汪義旺

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

應對能源危機有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。太陽能光伏發(fā)電與半導體照明技術相結合應用便是現(xiàn)實應用中很好的例證。同時LED太陽能路燈具有安全可靠、維護簡單、易于安裝等優(yōu)點,是目前研究的熱點之一,正在被推廣應用。因此本文對LED光伏路燈系統(tǒng)進行了深入的研究,并用雙向直流變換器對其進行了優(yōu)化設計。

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,容易匹配。白天太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能同時對蓄電池充電,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,在達到同樣的效果條件下,系統(tǒng)設計目標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度和溫度的變化而變化,在一定的光照強度和溫度下,太陽能電池只有工作于某一點上時其輸出功率才能達到最大。因此如何確保環(huán)境變化時太陽能電池工作在最大功率點上,即如何實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)是系統(tǒng)要解決的主要問題。另外LED的驅(qū)動,防止蓄電池過充過放并合理地對其充電也是系統(tǒng)要考慮的問題。

2 最大功率點跟蹤的原理和實現(xiàn)方法

2.1 最大功率點跟蹤的原理

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最大功率點,最大功率點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蓄電池充電,其輸出電壓恒定,無法實現(xiàn)最大功率點跟蹤。實現(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載,調(diào)節(jié)直流變換器的占空比,使負載和太陽能電池此時的內(nèi)阻相匹配,負載上獲得最大功率?，F(xiàn)代電力電子技術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、擾動觀察法、增量電導法、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度和溫度變化時依據(jù)光伏電池的特性曲線從數(shù)學方法上找到其相應的最大功率點,然后由相應的電路來實現(xiàn)。這些方法又各有優(yōu)缺點,其中恒電壓控制法具有電路簡單易于實現(xiàn)等優(yōu)點,實際中應用得較多?？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,溫度不變時不同光照強度下的最大功率點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)最大功率點跟蹤。這就是恒電壓控制的原理。恒電壓控制的缺點在于沒有考慮到溫度變化的因素。針對這一不足我們可做如下改進:加入溫度補償系統(tǒng),讓不同的溫度范圍對應不同的最大功率點電壓Um,或按-3～-5 mV/℃這樣就可以很好地解決該問題。

2.3 實現(xiàn)最大功率點跟蹤的具體電路

實現(xiàn)最大功率點跟蹤用得較多的是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能電容。加入儲能電容后,電路可靠性,體積等都會受到影響。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,在實現(xiàn)最大功率點跟蹤時有顯著的優(yōu)點。如圖2所示。

圖2 Boost電路用于實現(xiàn)MPP T時的結構圖Fig.2 Structure diagram of Boost circuit that is used to achieve MPPT

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

電路輸出電壓等于蓄電池電壓,一段時間可認為是不變的,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,從而實現(xiàn)最大功率點跟蹤。濾波電容C較小有可能使蓄電池的充電電流波動較大,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、開關管工作頻率和電容C上的電壓波動。

3 Bi Boost-Buck在系統(tǒng)中的應用

從整個系統(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直流變換器,而蓄電池恒流驅(qū)動LED燈也要一個直流變換器。這2個直流變換器共用一個主電路,而控制電路做在一起,就構成了雙向直流變換器。雙向直流變換器能實現(xiàn)能量的雙向傳遞,是典型的一機兩用設備。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反并一個有源開關,而將原來的有源開關反并一個無源開關而成為雙向DC/DC變換器。上述Boost變換器通過上述變換構成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同時進行,所以任一時間能量都是單向傳遞的。能量從左往右傳遞即光伏電池對蓄電池充電時,主要是由L,S1,D1和C1工作,相當于Boost電路;能量從右往左傳遞即蓄電池對LED燈供電時,主要是S2,L,C2和D2工作相當于Buck電路。恰當選擇足夠大的電感L,就能使電路工作于Boost電路時可以讓電路輸入電流基本無波動,有利于實現(xiàn)最大功率點跟蹤;電路工作于Buck電路時易于實現(xiàn)對LED燈的恒流驅(qū)動。同時,電容C2可選用較小的容值。

4 系統(tǒng)的設計及部分實驗數(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)動控制。實際上帶MPPT的充電控制器和放電與LED驅(qū)動這兩部分在一起,統(tǒng)稱控制部分,是系統(tǒng)設計的核心。光伏電池對蓄電池的充電和蓄電池放電時,驅(qū)動LED燈都由雙向直流變換器實現(xiàn)。圖4中開關K1和K2不允許同時開通。在光線較好且蓄電池不過充時,K1開通;在光線較差時且蓄電池不過放時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。設計為每天照明6～8 h,5個陰雨天。系統(tǒng)以微芯公司的16位單片機為控制核心。表1是有最大功率點跟蹤控制和無最大功率點跟蹤控制時測得的數(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 實測數(shù)據(jù)Tab.1 T he actual measured data

5 結論

本文設計的LED光伏路燈系統(tǒng),用恒電壓控制法的Boost電路實現(xiàn)了最大功率點跟蹤,在此基礎上構成Bi Boost-Buck變換器同時實現(xiàn)對LED燈的恒流驅(qū)動(限于篇幅未詳細介紹LED的恒流驅(qū)動)。系統(tǒng)具有電路簡單,實現(xiàn)同樣照明效果成本低,電路體積小,實用高效等優(yōu)點,在當前能源危機的背景下具有推廣價值。

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