具有MPPT功能的光伏路灯设计

郭 伟，徐祖平

（南京邮电大学通达学院，江苏 扬州 225100）

0 引 言

光伏路灯都使用LED作为灯具。LED为直流驱动方式，且发光效率相对较高，再配合太阳能电池板和蓄电池，整个设备无需交流电源，因此不需要铺设电缆。光伏路灯安装十分方便，且在安全性、节能性、经济效益等方面都具有明显优势。目前，光伏路灯已广泛应用于城市道路、小区、景点等亮化工程，有逐步取代传统照明的趋势[1-2]。

太阳能电池板为该设备的核心器件，经光线照射后通过光电效应产生电流为蓄电池供电。由于材料和光线的属性和局限性，生成的电流曲线具有一定波动性。如果将生成的电流直接充入蓄电池或直接给负载供电，容易蓄电池和负载，缩短设备的使用寿命[3-5]。因此，本文结合电池充电的特点设计了具有MPPT功能的蓄电池充电方案，在实现功率最大化的同时，确保充电过程的安全。

1 系统设计方案

图1为设计的光伏路灯系统的原理。它主要由3部分组成，即主电路部分、控制部分和电源部分。主电路负责电能之间的传递，太阳能电池板负责把光照转换成直流电源，控制器根据MPPT控制规律把电池板的能量转移到蓄电池中存储。夜晚时刻，蓄电池放电以恒流源的方式给LED提供能量，实现照明。控制电路部分主要根据相应的控制算法产生对应的PWM驱动信号，控制电池的充放电。系统具备各种检测、保护功能，提供了良好的人机交互界面，便于操作使用。电源部分主要是给控制器提供控制电源[6]。

图1 光伏路灯系统框图

2 硬件设计方案

系统主电路分为Buck降压DC/DC部分和BOOST升压DC/DC部分。前者负责MPPT电池充电，后者负责恒流源为LED供电。图2为基于Buck变换器的MPPT充电部分。充电时，Q6打开，Q1进行PWM控制，实现最大功率跟踪。当蓄电池电压高于光伏电池板电压时，Q6和Q1关断，防止反充电现象出现。U6_2为光伏电池板的电压采样信号，U6_22为蓄电池的电压采样信号，电阻R21的降压作为蓄电池的电流采集信号。通过判断U6_2电压，即可判断是否需要打开负载LED[7-9]。

图3为基于Boost变换器的LED驱动部分，可实现恒压或者恒流输出。其中，通过MOS管Q3可实现防止负载反插的功能。

图2 MPPT充电电路结构

图3 Boost LED驱动原理图

图4 为系统控制电源原理图。由于系统中有太阳能电池和蓄电池模块，因此可以作为系统的供电来源，将太阳能电池板与蓄电池的电压进行比较，电压高的作为线性电源芯片的输入电压。

图4 电源模块

3 软件设计方案

最大功率点跟踪（MPPT）是光伏转换的核心控制方式[10]，在光照和温度不断变化的同时，控制器时钟使光伏阵列一直在最大功率点运行，从而提高光电转换的效率。本设计使用扰动观察法作为MPPT控制算法，基本原理是给光伏系统人为加入一个干扰变量，根据其对系统产生的影响，比较前后的输出功率。如果低于之前的功率值，则其工作点已经发生偏离，控制器会发出与干扰光伏相反的电压来对原值进行校准；反之，亦然。图5为软件设计流程图。

图5 MPPT软件设计流程图

4 实验验证

图6 MPPT仿真模型

图7 MPPT仿真波形

为了验证设计方案的正确性，使用MATLAB软件搭建了如图6所示的仿真模型。为了进一步验证本文设计的扰动观察法，实验仿真了如图7所示的三种不同控制方式的波形。从上往下依次为：扰动法观擦法、开路电压法、恒压控制法。从仿真结果可知，扰动观擦法系统输出稳定，效果相对较好。图8为LED驱动波形，LED驱动采用PWM驱动方式，进一步发挥了LED的性能，提高了效率。

图8 PWM LED恒流源驱动实验波形

5 结 论

本文设计了一种基于MPPT的光伏路灯系统，分析了系统在白天和夜晚不同的工作状态以及各自的控制特点，给出了详细的软硬件设计方案，最后通过仿真和实验验证了系统的正确性。此系统在景区、社区等场合具有广泛的实际应用价值，是满足当前绿色照明需求的节能路灯系统。