具有MPPT功能的光伏路燈設計

郭 偉，徐祖平

（南京郵電大學通達學院，江蘇 揚州 225100）

0 引 言

光伏路燈都使用LED作為燈具。LED為直流驅動方式，且發光效率相對較高，再配合太陽能電池板和蓄電池，整個設備無需交流電源，因此不需要鋪設電纜。光伏路燈安裝十分方便，且在安全性、節能性、經濟效益等方面都具有明顯優勢。目前，光伏路燈已廣泛應用于城市道路、小區、景點等亮化工程，有逐步取代傳統照明的趨勢[1-2]。

太陽能電池板為該設備的核心器件，經光線照射后通過光電效應產生電流為蓄電池供電。由于材料和光線的屬性和局限性，生成的電流曲線具有一定波動性。如果將生成的電流直接充入蓄電池或直接給負載供電，容易蓄電池和負載，縮短設備的使用壽命[3-5]。因此，本文結合電池充電的特點設計了具有MPPT功能的蓄電池充電方案，在實現功率最大化的同時，確保充電過程的安全。

1 系統設計方案

圖1為設計的光伏路燈系統的原理。它主要由3部分組成，即主電路部分、控制部分和電源部分。主電路負責電能之間的傳遞，太陽能電池板負責把光照轉換成直流電源，控制器根據MPPT控制規律把電池板的能量轉移到蓄電池中存儲。夜晚時刻，蓄電池放電以恒流源的方式給LED提供能量，實現照明。控制電路部分主要根據相應的控制算法產生對應的PWM驅動信號，控制電池的充放電。系統具備各種檢測、保護功能，提供了良好的人機交互界面，便于操作使用。電源部分主要是給控制器提供控制電源[6]。

圖1 光伏路燈系統框圖

2 硬件設計方案

系統主電路分為Buck降壓DC/DC部分和BOOST升壓DC/DC部分。前者負責MPPT電池充電，后者負責恒流源為LED供電。圖2為基于Buck變換器的MPPT充電部分。充電時，Q6打開，Q1進行PWM控制，實現最大功率跟蹤。當蓄電池電壓高于光伏電池板電壓時，Q6和Q1關斷，防止反充電現象出現。U6_2為光伏電池板的電壓采樣信號，U6_22為蓄電池的電壓采樣信號，電阻R21的降壓作為蓄電池的電流采集信號。通過判斷U6_2電壓，即可判斷是否需要打開負載LED[7-9]。

圖3為基于Boost變換器的LED驅動部分，可實現恒壓或者恒流輸出。其中，通過MOS管Q3可實現防止負載反插的功能。

圖2 MPPT充電電路結構

圖3 Boost LED驅動原理圖

圖4 為系統控制電源原理圖。由于系統中有太陽能電池和蓄電池模塊，因此可以作為系統的供電來源，將太陽能電池板與蓄電池的電壓進行比較，電壓高的作為線性電源芯片的輸入電壓。

圖4 電源模塊

3 軟件設計方案

最大功率點跟蹤（MPPT）是光伏轉換的核心控制方式[10]，在光照和溫度不斷變化的同時，控制器時鐘使光伏陣列一直在最大功率點運行，從而提高光電轉換的效率。本設計使用擾動觀察法作為MPPT控制算法，基本原理是給光伏系統人為加入一個干擾變量，根據其對系統產生的影響，比較前后的輸出功率。如果低于之前的功率值，則其工作點已經發生偏離，控制器會發出與干擾光伏相反的電壓來對原值進行校準；反之，亦然。圖5為軟件設計流程圖。

圖5 MPPT軟件設計流程圖

4 實驗驗證

圖6 MPPT仿真模型

圖7 MPPT仿真波形

為了驗證設計方案的正確性，使用MATLAB軟件搭建了如圖6所示的仿真模型。為了進一步驗證本文設計的擾動觀察法，實驗仿真了如圖7所示的三種不同控制方式的波形。從上往下依次為：擾動法觀擦法、開路電壓法、恒壓控制法。從仿真結果可知，擾動觀擦法系統輸出穩定，效果相對較好。圖8為LED驅動波形，LED驅動采用PWM驅動方式，進一步發揮了LED的性能，提高了效率。

圖8 PWM LED恒流源驅動實驗波形

5 結 論

本文設計了一種基于MPPT的光伏路燈系統，分析了系統在白天和夜晚不同的工作狀態以及各自的控制特點，給出了詳細的軟硬件設計方案，最后通過仿真和實驗驗證了系統的正確性。此系統在景區、社區等場合具有廣泛的實際應用價值，是滿足當前綠色照明需求的節能路燈系統。