基于MPPT的太阳能照明控制器研究

张开生， 程　盼

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



基于MPPT的太阳能照明控制器研究

张开生， 程盼

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：采用四组磷酸铁锂电池作为储能元器件，提出了一种带MPPT功能的智能太阳能照明控制方法.系统以ARM7 LPC2103芯片为控制核心，对四组磷酸铁锂电池巡回智能充放电，并给出了其充放电的软件控制流程图.系统采用扰动观察法对太阳能电池板进行了最大功率跟踪，并且对其建模仿真，运行结果良好，最后对系统进行了调试.系统运行结果表明，该控制器比传统的控制器拥有更好的实用价值，利用率高.

关键词：太阳能照明; LPC2103; 磷酸铁锂电池; PWM; MPPT

0引言

近年来随着城市建设和电子信息产业的高速发展，人们对光源的需求与日俱增.同时能源短缺现象越来越严重，节能和环保成为全世界关注的焦点和衡量各项技术的关键指标.太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点[1]，正在迅速的推广应用.太阳能照明在太阳能的应用中起着举足轻重的作用，传统的照明系统在对蓄电池放电时，如果遇到连续的阴雨天，照明工作很难维持.普遍存在效率不高，电池寿命短、智能化程度低等问题.为此，提出了一种智能化的太阳能照明控制器，结合半导体照明技术，通过MCU的软硬件调节控制，使太阳能照明系统更加高效稳定 .

1照明控制器硬件构成

早期的照明控制系统多数是简单的机械控制,随着科技的进步和人们生活水平的提高，智能照明控制系统应运而生.照明系统控制器借助各种不同的预设置控制方式和控制元件,对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理,实现高效智能化管理[2].

照明控制系统的整体框图[3]如图1所示.

图1　照明系统框图

照明系统分为以下几个主要模块:嵌入式逻辑控制模块；MPPT控制模块；磷酸铁锂电池充放电控制模块；LED照明驱动模块；光照检测电路和采样电路.

系统选取ARM7芯片LPC2103作为控制器的核心器件，其内部自带8路10位AD和RTC实时时钟,具有价格便宜、功耗低、硬件资源丰富等优点,并且也可适合其他功能的扩展.控制器的MCU主要负责执行MPPT跟踪运算、磷酸铁锂电池充放电控制、分时段及光强度调节照明亮度及其他辅助功能的控制.

2照明控制器关键技术研究

2.1储能器件的选择

应用在太阳能照明系统的储能器件主要有铅酸蓄电池、锂电池、超级电容器三种，目前的太阳能照明系统中,一般以铅酸蓄电池作为储能器件，但铅酸蓄电池存在一些难以克服的缺点,如功率密度低、维护量大、循环寿命短、污染严重等.超级电容虽然有很多优点，但在连续的阴雨天不容易实现较长时间的照明，况且超级电容的成本相对较高，普及难度大[4].磷酸铁锂电池的各项性能位于蓄电池和超级电容之间，磷酸铁锂电池因为输出效率高、高温性能良好、循环寿命极好、成本低等优点得到了广泛的应用[5].系统选用四组磷酸铁锂电池，太阳能控制器对其智能充放电，能够使电池组轮流定时的对LED灯供电，并且在控制锂电池充电时，能快速的判断选择为哪一组电池充电，提高了充电效率.

2.2磷酸铁锂电池的充放电控制

在电能收集的过程中，一般是通过控制电压或者电流来实现不同的充电策略，系统设计采用容易控制的、效率高的BUCK变换器[6].BUCK变换器是用ARM7的芯片LPC2103产生的PWM信号控制的，通过控制PWM的占空比，来控制开关管输出电流.锂电池的充电是在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整PWM的占空比，从而控制充电电流，在调整充电电流前，处理器先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较.若实际电流偏小，则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大，则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比.BUCK变换电路原理如图2所示.

图2　BUCK 电源变换电路原理图

Vi、Vo分别为输入输出电压，D1是续流二极管.BUCK变换器的工作原理是当PWM输出高电平时，开关管导通，电流通过晶体管和电感到电池.在这一阶段，电感吸收能量，电容被充电.当PWM输出低电平时，开关管关断，电流经二极管D1续流，电感两端的电压反响，电流由二极管提供.电感和电容作为滤波器输出电压和电流.

2.3MPPT控制电路

3MPPT算法设计

3.1MPPT算法设计

由于太阳能电池的转换效率普遍偏低，为了提高系统的效率，必须对太阳能电池进行最大功率跟踪[9].扰动观察法是最常用的最大功率跟踪算法，因为它测量参数少，结构简单且容易在硬件上实现[10].图3所示是扰动观察法跟踪的P-V曲线图，从图中可以看出，当检测到Pn

图3　扰动观察法跟踪示意图

系统根据太阳能数学模型，在Matlab环境下， 利用simulink工具, 并结合编写S函数[12]，建立了光伏阵列MPPT仿真模块[13,14]如图4所示.

图4　光伏阵列MPPT仿真模块

设置环境温度为25 ℃，日照强度S在0.2 s时由1 000 W/m2突变到600 W/m2，在0.4 s时由600 w/m2突变到800 W/m2时，仿真得出功率变化曲线如图5所示，扰动观察法在光照突变的情况下，能在短时间内使得输出功率达到稳定值，充分证明了此扰动观察法的高效性[15].

图5　光照变化时功率曲线图

3.2控制磷酸铁锂电池充放电程序设计

控制系统流程图由两部分组成，第一部分是控制磷酸铁锂电池组充电，其充电流程图如图6所示.系统初始化后，读取预存在存储器中的参数，关LED灯，开始对四组电池充电，首先对第一组锂电池充电，等充电完成后，对其置满标志位，满标志位的设置有助于下次充电时直接判断此组电池的充电情况，如果存储器中有此组电池的满标志信号，则直接跳过对此组电池充电，紧接着对下一组电池进行判断，以此类推，这样有助于充电效率的提高；第二部分是控制锂电池组放电，其放电过程流程图如图7所示.首先关充电，开LED灯，第一组电池开始放电.接着判断定时时间到否，如果定时时间到，则第二组电池开始放电，否则再循环判断.以此类推，假设每组电池定时时间为两小时，则四组电池可保证8小时的供电，选取合适的负载，则能够在阴雨天维持四天左右的照明.

图6　白天控制子程序

图7　夜晚控制子程序

4系统调试

系统构建了如图1所示结构的太阳能照明系统，系统组成包括：4个0.5 W的LED串联；4串并联组成8 W的LED灯；45 W太阳能电池板1块；4组锂离子电池并联，每组锂离子电池由4个3 Ah的电池并联，组成共48 Ah，按照每天工作8小时计算，可在阴雨天维持四天左右的照明.

为了验证本照明系统中MPPT模块的有效性，将搭建两组照明系统，一组带有MPPT功能模块，另一组不带MPPT功能模块.在相同的照度和时间下对两组照明系统中的磷酸铁锂电池两端充电电压和电流进行测试比较，结果如表1所示.

表1　照明系统中充电测试数据

根据表1所示充电数据，可以得出带MPPT功能的控制系统充电用时短，效率更高.

图8反映的是西安14年04月06日太阳能照明最大功率的曲线记录，当天天气晴朗，最大功率点是多变的，曲线图稍有波动，基本上与光照强度相仿.

图8　最大功率跟踪曲线图

5结束语

基于MPPT功能的太阳能LED照明控制器改变了传统照明对储能电池的充放电方式，通过对四组磷酸铁锂电池进行定时放电，有效地提高了电池的放电时间.智能充电结合MPPT技术，有效地提高了充电效率.系统运行状态良好，并能长期运行在免维护的状态下，具有较高的应用价值.

参考文献

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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

中图分类号：TK519

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)01-0160-05

作者简介:张开生(1963-)，男，山西永济人，教授，博士，研究方向:嵌入式系统及其应用

基金项目：陕西省教育厅自然科学专项科研计划项目(12JK0521); 陕西省西安市未央区科技计划项目(2012-03); 陕西省咸阳市科技计划项目(2011K07-11)

收稿日期:*2014-10-27