張開生， 程　盼

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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基于MPPT的太陽能照明控制器研究

張開生， 程盼

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：采用四組磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能元器件，提出了一種帶MPPT功能的智能太陽能照明控制方法.系統(tǒng)以ARM7 LPC2103芯片為控制核心，對(duì)四組磷酸鐵鋰電池巡回智能充放電，并給出了其充放電的軟件控制流程圖.系統(tǒng)采用擾動(dòng)觀察法對(duì)太陽能電池板進(jìn)行了最大功率跟蹤，并且對(duì)其建模仿真，運(yùn)行結(jié)果良好，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試.系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，該控制器比傳統(tǒng)的控制器擁有更好的實(shí)用價(jià)值，利用率高.

關(guān)鍵詞：太陽能照明; LPC2103; 磷酸鐵鋰電池; PWM; MPPT

0引言

近年來隨著城市建設(shè)和電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)光源的需求與日俱增.同時(shí)能源短缺現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，節(jié)能和環(huán)保成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)和衡量各項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo).太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)[1]，正在迅速的推廣應(yīng)用.太陽能照明在太陽能的應(yīng)用中起著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)在對(duì)蓄電池放電時(shí)，如果遇到連續(xù)的陰雨天，照明工作很難維持.普遍存在效率不高，電池壽命短、智能化程度低等問題.為此，提出了一種智能化的太陽能照明控制器，結(jié)合半導(dǎo)體照明技術(shù)，通過MCU的軟硬件調(diào)節(jié)控制，使太陽能照明系統(tǒng)更加高效穩(wěn)定 .

1照明控制器硬件構(gòu)成

早期的照明控制系統(tǒng)多數(shù)是簡(jiǎn)單的機(jī)械控制,隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生.照明系統(tǒng)控制器借助各種不同的預(yù)設(shè)置控制方式和控制元件,對(duì)不同時(shí)間不同環(huán)境的光照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理,實(shí)現(xiàn)高效智能化管理[2].

照明控制系統(tǒng)的整體框圖[3]如圖1所示.

圖1　照明系統(tǒng)框圖

照明系統(tǒng)分為以下幾個(gè)主要模塊:嵌入式邏輯控制模塊；MPPT控制模塊；磷酸鐵鋰電池充放電控制模塊；LED照明驅(qū)動(dòng)模塊；光照檢測(cè)電路和采樣電路.

系統(tǒng)選取ARM7芯片LPC2103作為控制器的核心器件，其內(nèi)部自帶8路10位AD和RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘,具有價(jià)格便宜、功耗低、硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn),并且也可適合其他功能的擴(kuò)展.控制器的MCU主要負(fù)責(zé)執(zhí)行MPPT跟蹤運(yùn)算、磷酸鐵鋰電池充放電控制、分時(shí)段及光強(qiáng)度調(diào)節(jié)照明亮度及其他輔助功能的控制.

2照明控制器關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1儲(chǔ)能器件的選擇

應(yīng)用在太陽能照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能器件主要有鉛酸蓄電池、鋰電池、超級(jí)電容器三種，目前的太陽能照明系統(tǒng)中,一般以鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能器件，但鉛酸蓄電池存在一些難以克服的缺點(diǎn),如功率密度低、維護(hù)量大、循環(huán)壽命短、污染嚴(yán)重等.超級(jí)電容雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但在連續(xù)的陰雨天不容易實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的照明，況且超級(jí)電容的成本相對(duì)較高，普及難度大[4].磷酸鐵鋰電池的各項(xiàng)性能位于蓄電池和超級(jí)電容之間，磷酸鐵鋰電池因?yàn)檩敵鲂矢?、高溫性能良好、循環(huán)壽命極好、成本低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[5].系統(tǒng)選用四組磷酸鐵鋰電池，太陽能控制器對(duì)其智能充放電，能夠使電池組輪流定時(shí)的對(duì)LED燈供電，并且在控制鋰電池充電時(shí)，能快速的判斷選擇為哪一組電池充電，提高了充電效率.

2.2磷酸鐵鋰電池的充放電控制

在電能收集的過程中，一般是通過控制電壓或者電流來實(shí)現(xiàn)不同的充電策略，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用容易控制的、效率高的BUCK變換器[6].BUCK變換器是用ARM7的芯片LPC2103產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制的，通過控制PWM的占空比，來控制開關(guān)管輸出電流.鋰電池的充電是在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流，在調(diào)整充電電流前，處理器先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實(shí)際讀取到的充電電流進(jìn)行比較.若實(shí)際電流偏小，則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比；若實(shí)際電流偏大，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比.BUCK變換電路原理如圖2所示.

圖2　BUCK 電源變換電路原理圖

Vi、Vo分別為輸入輸出電壓，D1是續(xù)流二極管.BUCK變換器的工作原理是當(dāng)PWM輸出高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電流通過晶體管和電感到電池.在這一階段，電感吸收能量，電容被充電.當(dāng)PWM輸出低電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)二極管D1續(xù)流，電感兩端的電壓反響，電流由二極管提供.電感和電容作為濾波器輸出電壓和電流.

2.3MPPT控制電路

3MPPT算法設(shè)計(jì)

3.1MPPT算法設(shè)計(jì)

由于太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率普遍偏低，為了提高系統(tǒng)的效率，必須對(duì)太陽能電池進(jìn)行最大功率跟蹤[9].擾動(dòng)觀察法是最常用的最大功率跟蹤算法，因?yàn)樗鼫y(cè)量參數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易在硬件上實(shí)現(xiàn)[10].圖3所示是擾動(dòng)觀察法跟蹤的P-V曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)檢測(cè)到Pn

圖3　擾動(dòng)觀察法跟蹤示意圖

系統(tǒng)根據(jù)太陽能數(shù)學(xué)模型，在Matlab環(huán)境下， 利用simulink工具, 并結(jié)合編寫S函數(shù)[12]，建立了光伏陣列MPPT仿真模塊[13,14]如圖4所示.

圖4　光伏陣列MPPT仿真模塊

設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃，日照強(qiáng)度S在0.2 s時(shí)由1 000 W/m2突變到600 W/m2，在0.4 s時(shí)由600 w/m2突變到800 W/m2時(shí)，仿真得出功率變化曲線如圖5所示，擾動(dòng)觀察法在光照突變的情況下，能在短時(shí)間內(nèi)使得輸出功率達(dá)到穩(wěn)定值，充分證明了此擾動(dòng)觀察法的高效性[15].

圖5　光照變化時(shí)功率曲線圖

3.2控制磷酸鐵鋰電池充放電程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)流程圖由兩部分組成，第一部分是控制磷酸鐵鋰電池組充電，其充電流程圖如圖6所示.系統(tǒng)初始化后，讀取預(yù)存在存儲(chǔ)器中的參數(shù)，關(guān)LED燈，開始對(duì)四組電池充電，首先對(duì)第一組鋰電池充電，等充電完成后，對(duì)其置滿標(biāo)志位，滿標(biāo)志位的設(shè)置有助于下次充電時(shí)直接判斷此組電池的充電情況，如果存儲(chǔ)器中有此組電池的滿標(biāo)志信號(hào)，則直接跳過對(duì)此組電池充電，緊接著對(duì)下一組電池進(jìn)行判斷，以此類推，這樣有助于充電效率的提高；第二部分是控制鋰電池組放電，其放電過程流程圖如圖7所示.首先關(guān)充電，開LED燈，第一組電池開始放電.接著判斷定時(shí)時(shí)間到否，如果定時(shí)時(shí)間到，則第二組電池開始放電，否則再循環(huán)判斷.以此類推，假設(shè)每組電池定時(shí)時(shí)間為兩小時(shí)，則四組電池可保證8小時(shí)的供電，選取合適的負(fù)載，則能夠在陰雨天維持四天左右的照明.

圖6　白天控制子程序

圖7　夜晚控制子程序

4系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)構(gòu)建了如圖1所示結(jié)構(gòu)的太陽能照明系統(tǒng)，系統(tǒng)組成包括：4個(gè)0.5 W的LED串聯(lián)；4串并聯(lián)組成8 W的LED燈；45 W太陽能電池板1塊；4組鋰離子電池并聯(lián)，每組鋰離子電池由4個(gè)3 Ah的電池并聯(lián)，組成共48 Ah，按照每天工作8小時(shí)計(jì)算，可在陰雨天維持四天左右的照明.

為了驗(yàn)證本照明系統(tǒng)中MPPT模塊的有效性，將搭建兩組照明系統(tǒng)，一組帶有MPPT功能模塊，另一組不帶MPPT功能模塊.在相同的照度和時(shí)間下對(duì)兩組照明系統(tǒng)中的磷酸鐵鋰電池兩端充電電壓和電流進(jìn)行測(cè)試比較，結(jié)果如表1所示.

表1　照明系統(tǒng)中充電測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1所示充電數(shù)據(jù)，可以得出帶MPPT功能的控制系統(tǒng)充電用時(shí)短，效率更高.

圖8反映的是西安14年04月06日太陽能照明最大功率的曲線記錄，當(dāng)天天氣晴朗，最大功率點(diǎn)是多變的，曲線圖稍有波動(dòng)，基本上與光照強(qiáng)度相仿.

圖8　最大功率跟蹤曲線圖

5結(jié)束語

基于MPPT功能的太陽能LED照明控制器改變了傳統(tǒng)照明對(duì)儲(chǔ)能電池的充放電方式，通過對(duì)四組磷酸鐵鋰電池進(jìn)行定時(shí)放電，有效地提高了電池的放電時(shí)間.智能充電結(jié)合MPPT技術(shù)，有效地提高了充電效率.系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，并能長(zhǎng)期運(yùn)行在免維護(hù)的狀態(tài)下，具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)

[1] 杜慧.太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的研究[D].北京：華北電力大學(xué),2008.

[2] 應(yīng)金平.太陽能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2006,14(12):1 652-1 654.

[3] 胡杰,吳新義,張志超,等.基于太陽能LED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(18):200-204.

[4] 王金生.太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].蓄電池,2011,48(1):20-25.

[5] 李明月,陳科峰.新型鋰離子電池材料研究進(jìn)展[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2010,17(4):46-49.

[6] 王秀玲,張嘉英,吳武臣.太陽能與市電互補(bǔ)LED照明控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011,28(2):192-194.

[7] 張峰銘,吳清桂,莫云,等.基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的光伏照明控制器研究[J].世界科技研究與發(fā)展,2010,32(4):459-461.

[8] T.Esram,P.L.Chapman.Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques[J].IEEE Trans.Energy Convers,2007,22(2):439-449.

[9] 王志兵.基于恒壓法結(jié)合變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的最大功率跟蹤[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(19):4 638-4 642.

[10] 路曉，秦立軍.自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法在光伏MPPT中的應(yīng)用與仿真[J].現(xiàn)代電力,2011,28(1):80-84.

[11] 吳俊娟，姜一達(dá)，王強(qiáng),等.一種改進(jìn)的光伏系統(tǒng)MPPT控制算法[J].太陽能學(xué)報(bào),2012,33(3):478-484.

[12] 張志涌.精通MATLAB R2011a[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[13] 茆美琴,余世杰.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(5):1 248-1 251.

[14] 劉翼,荊龍.基于Simulink的光伏電池組件建模和MPPT仿真研究[J].科技導(dǎo)報(bào),2010,28(18):94-97.

[15] Dasguptas N,Pandey A,Ashok K.Voltage-sensing based photovoltaic MPPT with improved tracking and drift avoidance capabilities[J].Solar Enery Materials & Solar Cells,2010,92(13):1 552-1 558.

Researches on solar illumination controller based on the MPPT

ZHANG Kai-sheng, CHENG Pan

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Taking four sets of Lithium iron phosphate battery as energy storage devices, a intelligent solar illumination control with MPPT is designed.The controller uses the ARM7 chip LPC2103 as core,control the batteries intelligent circuit charge and discharge.Perturbation and observation method are used to tracking the maximum power.Software control flow chart also been given and finally the system debugging.From the test,the controller is found to own better and value than the traditional ones．

Key words:solar illumination; LPC2103; lithium iron phosphate battery; PWM; MPPT

中圖分類號(hào)：TK519

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5811(2015)01-0160-05

作者簡(jiǎn)介:張開生(1963-)，男，山西永濟(jì)人，教授，博士，研究方向:嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(12JK0521); 陜西省西安市未央?yún)^(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012-03); 陜西省咸陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011K07-11)

收稿日期:*2014-10-27