基于定值掃描的MPPT風光互補路燈控制器

駱雅琴，程木田，程衛群，聶啟彪

(1.安徽工業大學電氣信息學院,安徽 馬鞍山 243002;2.馬鞍山迪樂普機電科技有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

前言

進入21世紀后，能源危機和環境污染越來越嚴重。如何有效利用風能、太陽能等新能源已成為全世界研究的熱門課題，并推動風力和太陽能發電技術不斷進步，使發電成本不斷下降。目前風光互補獨立供電系統以清潔、安全、低成本、可持續利用等特點成為優質電力，不僅是偏遠地區解決供電問題的最優選擇，在新能源供電的道路照明系統中，也是優先選擇的供電方案。

風光互補供電系統利用了風能和太陽能的互補性，將不確定性的風能和太陽能轉換為穩定可靠的電能，供給負載。要完成這樣的轉換控制，必須要有一個有力的智能控制器。這個智能控制器，也叫電源管理系統。它不僅要有效地完成用戶需要的供電任務；要協調各環節的工作關系；要控制各器件的開關速度，做到轉換迅速、電路順暢、配合默契、工作和諧；還要為系統各個部分提高完善的保護。根據這些要求，我們研制了具有定值掃描MPPT的風光互補路燈控制器，本文著重介紹它的組成特點和控制特色。

1 風光互補路燈控制器及要解決的問題

一套完整的風光互補獨立直流供電系統包括風力發電機、太陽能電池板、蓄電池、智能控制器等。智能控制器實現將風能和太陽能兩路能源分別轉換成穩定的直流電為蓄電池充電。當負載需要時，蓄電池供電負載所需要的穩定電能。圖1是風光互補路燈控制器原理框圖。圖中虛線框是風光互補路燈控制器的主要組成部分。太陽能電池板通過光能充電電路給蓄電池充電；風力發電機通過風能充電電路給蓄電池充電。當負載需要供電時，單片機控制單元控制放電電路，為負載供電。

圖1 風光互補路燈控制器原理框圖

風光互補路燈控制器是季節性負載，它的耗電量隨著季節而變化，因此不能當作均衡負載處理。路燈控制器是光控照明系統，它的特點是以自然光線的強弱來決定負載工作時間的長短。天黑開燈，天亮關燈，每天的工作時間不一樣，因此負載耗電量也不相同。它的工作時間與太陽日照時間的規律正好相反，夏天日照時間長，輻射量大，而燈具需要照明的時間短；冬天日照時間短，輻射量小，燈具需要照明的時間長，所以太陽能光控照明系統在光伏電能應用中的條件是最苛刻的。但本系統是風光互補供電，它在無日照的天氣，可以利用風能發電，因此雙能源供電雖然比單能源所用設備多，但能改善電能應用條件。

本系統需要解決的問題：

（1）本系統所用設備多，控制量多，且電池與負載均具有時變特性，因此為使系統穩定可靠，要采用有效的控制方式；

（2）太陽能電池效率低，且受環境影響較大，要采取措施保證一定的發電量。

2 控制器的分時分塊控制方式

為了很好地解決本系統需要解決的兩個問題，我們采取了兩個針對性方法。其一采用分時分塊控制，即分時段、分模塊來控制，“分”就是化整為零。用它解決控制量多和電池與負載的時變特性問題；其二采用定值掃描控制MPPT，實現最大功率點跟蹤，解決環境影響以保證一定的發電量。

2.1 總體控制方案

圖2是本系統的程序總體流程圖，它描述了本系統的設計思路。本系統分時段編制工作子程序，通過采樣光伏電池電壓為判斷依據，引導程序進入白天、夜晚子程序，這兩個子程序處理兩種不同的工作狀態。這里設光伏電池開路電壓大于等于開啟充電電壓閾值(ULI典型值)為15 V時，系統開始對蓄電池充電，程序執行白天處理子程序，否則不執行；光伏電池開路電壓小于等于天黑判斷電壓閥值(UDARK典型值為2 V)時，程序執行夜晚處理子程序，否則斷開充電回路。

2.2 分時控制

即分時段控制，解決電池與負載具有時變特性的問題。

圖2 程序總體流程圖

（1）白天工作子程序

白天工作子程序主要是實現預期的充電控制策略，也就是實現所采用的階段充電方法。該方法通過檢測蓄電池的端電壓和端電流，分別實現MPPT充電和恒壓充電。

在系統的初始化程序中，根據蓄電池的參數特性設定一個閾值電壓，當系統進入充電控制程序，首先測量一次蓄電池的開路電壓，若此開路電壓值低于所設定的閾值，在本系統中設定為25 V，表明蓄電池電力不足，充電初期能接受的充電電流較大，則可采用MPPT充電方法。

在MPPT充電過程中，當檢測到蓄電池充電電流小于閾值電流5 A時，則改用恒壓充電方法，由于本系統采用24 V蓄電池，設定的蓄電池恒壓充電壓為30 V。

在恒壓充電過程中，當充電電流小于關斷電流閾值0.5 A為電池已充滿，切斷充電回路，退出充電程序。若測量的蓄電池開路電壓高于先前所設定的25 V則系統直接進入恒壓充電流程。

在每個充放電周期中，第一次進入充電狀態時，系統根據蓄電池開路電壓來決定充電流程。如果滿足UBAT＜25 V，系統會進入MPPT充電流程，而由MPPT流程轉入恒壓流程是基于蓄電池充電電流大小的判斷，如果充電電流大于預設閾值，則置MPPT標志位，MPPTFIag為1，循環進入MPPT充電流程。若充電電流小于閾值，則MPPTFIag清零，退出MPPT流程，進入恒壓充電流程。若首次測得開路電壓大于26.5 V表示蓄電池狀態為充滿，則不對其進行充電。

圖3 夜晚工作子程序流程圖

（2）夜晚工作子程序

夜晚工作子程序主要完成蓄電池是否過放的判斷，以及負載的通斷控制。蓄電法過放電壓閥值Uov。夜晚工作子程序流程圖如圖3所示。

夜晚工作子程序主要是對放電過程進行監管控制。放電過程對蓄電池的壽命影響相對較小，但過放的保護是必不可少的，其他的控制策略主要根據負載的需求制定。本文假定控制器接入金屬鹵化物燈作為負載，則負載的放電控制相對比較簡單，主要是根據蓄電池的是否過放及是否天亮判決負載的通斷。

2.3 分塊控制

即分模塊控制，解決本系統所用設備多，控制量多的問題。

本系統所分模塊是：風能儲能與泄能模塊、光能儲能模塊、負載供能模塊等。這些模塊也是由相應的工作子程序來控制。工作子程序略。

3 基于定值掃描的MPPT控制方案

光伏電池的特性會隨外部環境如溫度、日照強度等的變化而變化，如圖4、圖5所示光伏電池的P-U特性曲線。從圖中看出，不同光照、不同溫度下最大功率點的變化是不同的。因此要最大限度地獲取光伏電池的最大功率，就必須通過適當的控制來實時調整光伏電池的工作點，使其始終運行在最大功率點附近，這就是所謂的光伏發電的最大功率點跟蹤—MPPT。

實現MPPT的方法很多。考慮到實施方便、控制簡單，本系統采用了定值掃描的MPPT方案。該方案是將定時掃描的擾動觀察法改進成定值掃描觀察法，由圖6所示。圖中Pm是最大功率，Pc是實際功率，它們都表示當前值。定值掃描MPPT的控制思想是：設Ps為某定值，首先初始化，然后增加電壓占空比Kc，當電壓占空比≠100%，檢測實際功率Pc，并判斷Pc＞Pm（這里Pm是上次掃描已記錄下的，初始時Pm=0）時，記錄當前最優占空比Km=Kc，當前最大功率Pm=Pc。再進行第2次掃描，一直掃描到電壓占空比=100%，一個掃描循環結束。每次掃描都有一個當前最大功率Pm，一個掃描循環內比較了所有的當前最大功率Pm，找到了系統最大功率Pm并記錄下來。

圖4 不同光照下的P-U特性曲線

圖5 不同溫度下的P-U特性曲線

當電壓占空比=100%時，系統以最優占空比工作，并檢測實際功率Pc，比較∣Pc-Pm∣與設定值Ps的大小，當∣Pc-Pm∣＞Ps時，系統再次掃描。除此之外，系統以最優占空比工作。

定值掃描MPPT的優點是：（1）跟蹤敏感度比定時掃描高；（2）由于只是控制策略的改進，不需要增加成本；（3）系統避免了Pm點掃描時發生的振蕩，因此工作穩定。具體就是說，當Pc=Pm時，系統不需要掃描，而定時掃描是按時間控制的，它不管是否需要，它服從時間，時間到就掃描。定時掃描遇到Pm點掃描時，就會發生振蕩。而定值掃描不是按時間而是按需要掃描。∣Pc–Pm∣是實際功率與最大功率的差值。當此差值大于設定值Ps時，表明系統需要掃描，此時系統就執行掃描流程。定值掃描不可能遇到Pm點掃描的情況，因此就不會發生Pm點振蕩。但定時掃描在此時會因掃描時間沒到而不工作，由此引起系統跟蹤滯后，降低跟蹤敏感度。

可見定值掃描比定時掃描更為科學合理。定值掃描的缺點是因設定值Ps的存在，跟蹤敏感度略有下降；其次就是最大功率點獲取的時間有固定長度，造成能量利用率的降低。

圖6 定值掃描的MPPT流程圖

4 仿真與測量

4.1 仿真研究

在MATLAB／SIMULINK里建立最大功率點追蹤(MPPT)電路，對此控制電路進行仿真模擬，驗證其有效性。在圖7中，光伏電池工作電壓U在控制器的作用下不斷增加，大約在0.1 s時間內，跟蹤到了最大功率點工作電壓Um，電壓穩定在20 V，功率達到最大功率點(170 W)附近，實現了最大功率點跟蹤。

光照強度由l 000 W/m2降低到800 W/m2時，對最大功率點電壓和功率的追蹤，波形如圖8所示。圖中看出，光照強度變小時，在0.l s內電路能夠快速地跟蹤變化，使輸出功率維持在最大功率點(130 W)左右，最大功率點電壓穩定在17.5 V附近。仿真結果表明，在光照強度變化時能有效、準確地跟蹤最大功率點。

圖7 S=l 000 W/m2，T=25℃時功率跟蹤波形

圖8 光照強度變化時功率跟蹤波形

4.2 輸出電壓波形

本系統輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 控制器輸出電壓波形

5 結束語

自然能發電必將是解決能源危機和環境污染問題的重要技術手段，風光互補發電是最具發展前景的新能源。隨著技術的成熟和市場的開發，風光互補發電不僅用于路燈，它將會成為照明領域和動力領域的主力軍。本系統形成的產品已完成試產試銷，銷往全國各地，用戶反映較好。相信具有定值掃描MPPT的控制器將會有更廣闊的應用前景。

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