基于光伏MPPT供電系統的LED恒流控制裝置研究

揚州大學水利與能源動力工程學院　賈斯誠　王潔云　楊俊偉　史旺旺

基于光伏MPPT供電系統的LED恒流控制裝置研究

揚州大學水利與能源動力工程學院賈斯誠王潔云楊俊偉史旺旺

針對LED（Light Emitting Diode）因其伏安特性導致不能直接利用恒壓的蓄電池給其供電的問題，介紹一種基于光伏MPPT（Maximum Power Point Tracking）供電系統的恒流LED控制裝置。該系統包含主電路和信號調理電路：主電路主要由光伏電池板、Buck電路、蓄電池、Boost電路和LED燈組成；信號調理電路包括光伏電池輸出電流及電壓檢測電路、蓄電池輸出電流及電壓檢測電路、LED控制器電流信號檢測電路和由PWM（Pulse Width Modulation）信號與隔離變壓器以及驅動功率開關管的隔離驅動電路。本LED控制裝置具有高效、魯棒性好、動態響應快的優點，具有廣闊的市場前景。

太陽能光伏發電；MPPT；LED恒流控制

0　引言

近年來LED因其節能環保壽命長的優點，得到了十分廣泛的關注與應用。LED的伏安特性決定了我們不能直接利用恒壓的蓄電池為其供電，因為在電壓的增加后，LED輸出的電流也會隨之增加。如果長時間運行在超過額定電流后，必然會極大的縮小LED的使用壽命。同時，太陽能作為最具有可持續發展特征的綠色可再生能源，可以緩解能源和和環境矛盾，因此太陽能光伏發電產業扮演著愈來愈重要的角色。因此，將LED與光伏供電技術相結合，對經濟、環境、社會都會產生極大的積極影響。

1　系統基本原理

1.1MPPT系統

MPPT的全稱為“最大功率點跟蹤”，MPPT系統是一種工作狀態，這種工作狀態可以通過電氣模塊來調節，該電氣系統可以使光伏電池板輸出更多的功率，并且能夠有效地利用蓄電池將太陽能電池板輸出的直流電儲存起來。光伏電池的輸出功率與MPPT的工作電壓有關，只有在最合適的工作電壓下工作時，光伏電池的輸出功率才會有最大值并且唯一。在現實生活中，MPPT控制器有廣泛的運用，是因為它可以檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽能陣列的輸出功率，以及追蹤到最大功率點。

1.2Buck電路

降壓斬波電路（Buck Chopper）的功能是將直流電變成另一固定電壓或可調電壓的直流電，由功率開關管、電感、電容和二極管構成，如圖1所示。

圖1　Buck電路

圖2　Boost電路等效阻抗轉換圖

電路中為在功率開關管關斷時給負載中電感電流提供通道，設置了續流二極管，該Buck電路用于帶蓄電池負載。在這個系統中，最大功率點對應的電流作為Buck電路控制輸入電流的期望值，由Buck電路輸入電流檢測電路采集到的電流與此期望值比較，經過CPU反饋調節處理后，將驅動信號輸出至隔離驅動電路。

1.3Boost電路

升壓斬波電路（Boost Chopper）的原理圖如圖2所示。電路由功率開關管、電感、電容和二極管構成。

理想條件下，以上器件都不消耗能量，能量全部消耗在負載R上，結果如式（1）所示。

根據Boost電路的電壓傳遞關系，如式（2）所示。

其中D表示占空比，即開關管導通時間與開關周期的百分比。而電路從輸入端看電路的等效電阻，如式（3）所示。

因此可得結果如式（4）所示。

Boost升壓電路原理圖如圖3所示。

文王適逢商周改朝換代大變革時代，他在囚牢里演繹《周易》而被后人冠以“圣人”。傳說在周朝初期，《周易》為周天子的家藏密傳書，是傳給子孫后代修身養性齊家治國平天下的智慧學。孔子說他五十而研易，大約在孔子時期，《周易》開始從官家流落到民間，孔子才得到接觸《周易》的機會。孔子的《十翼》是對《周易》陰陽消長對立統一哲學內核的挖掘和重要詮釋，在易學史上具有承前啟后的劃時代意義，然而只是在《卦序傳》中留下了遺憾的缺陷。本文為《易經》最新研究成果，修改后的《易經》64卦卦序，符合文王卦辭／爻辭內容的排序邏輯。比干八宮揭示：

圖3　Boost升壓電路原理圖

根據戴維南定理可將光伏電池簡單等效為一個理想的直流電壓源和一個內部電阻的串聯形式，則某一時刻負載R獲得的功率經計算如式（5）所示。

此時，輸出功率最大。所以通過控制功率開關管的占空比，就可以達到電阻匹配的目的，從而使光伏電池總是輸出最大功率。

系統中接入的Boost電路起到了控制恒流輸出并且具有限壓保護功能的驅動作用，通過檢測流經LED電壓和電流，并和期望的流過LED的電流進行比較，然后送入CPU反饋調節處理，輸出至Boost電路控制芯片，以此來控制系統的恒流輸出。該系統的Boost電路采用臺灣立锜科技公司生產RT8480芯片。

2　系統設計與構成

2.1系統總體設計

系統結構框圖及LED主電路圖，分別如圖4圖5所示。

圖4　系統結構框圖

圖5　LED主電路圖

主電路部分主要元器件如下：1 光伏電池，2 濾波電容，3 BUCK電路，4蓄電池，5 Boost電路，6 LED電路。濾波電容與光伏電池輸出端相連接，后端接入Buck電路，蓄電池的兩端分別與Buck電路和Boost電路相連，Boost電路的輸出端與LED的連接。Buck電路由功率開關管、電感、電容和二極管構成，Boost電路由控制芯片RT8480及其外圍電路構成。

2.2 系統硬件設計

主電路如圖5所示。

在該系統中CPU選用意法半導體儀器公司的STM32F103系列微處理器（STM32F103RET6），STM32F103RET6使用高性能的ARMTM-M3 32位的RISC內核，具有72MHz的高速處理能力，內置高速存儲器（高達512K字節的閃存和64K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。系統硬件如圖6所示。

圖6　系統硬件圖

Boost電路則采用RT8480芯片。RT8480芯片具有非常高的調光比，采用模擬/數字調光，脈沖調制LED電流可編程，外部電流檢測電阻。且有鉗位比較模塊，允許容限低的噪聲模擬調光從數字信號轉換。A/D轉換電路的16位數字輸出口分別與STM32F103RET6

芯片的數字接口PC0-PC5電連接。

3　系統具體實施方式

如圖7所示為系統控制策略流程圖。利用電壓和電流傳感器分別采集光伏電池板、蓄電池、LED裝置的電壓和電流信號，并送至模數轉換模擬量輸入后再經過濾波電路處理。經過CPU檢測先判斷蓄電池是否運行在快充狀態、是否達到設定電壓，若符合條件可計算出最大功率點對應的電流，同時啟動MPPT控制程序得到其電流，并可根據需要計算得到LED恒流控制時需要的電流幅值，利用變壓器隔離驅動電路實現對Buck電路功率開關管導通、關斷控制，使得系統始終工作在最優的環境下，延長了系統的使用壽命并且提高了對能源的使用效率。

圖7　系統工作流程圖

系統控制關鍵在于信號調理電路，日間光伏電池的輸出電壓與輸出電流檢測電路將采集到的光伏電池輸出電壓和電流經過A/D轉換后送至CPU，CPU經過檢測先判斷蓄電池是否運行在快充狀態，若符合條件可計算得到最大功率點對應的電流，將此電流作為Buck

電路控制輸入電流的期望值，由Buck電路輸入電流檢測電路采集到的電流與此期望值比較，經過CPU反饋調節處理后輸出至隔離驅動電路。隔離驅動電路根據CPU輸出的PWM信號控制功率開關管，實現在蓄電池快充階段的MPPT控制，提高了電流環的響應速度，也減小了最大功率點的波動；若蓄電池處在過充和浮充狀態，同樣可以計算輸出的PWM信號控制功率開關管，在蓄電池過充和浮充階段的實現恒壓充電。夜間Boost電路后端的LED裝置作為維持恒流輸出并且作有限壓保護功能的驅動，通過檢測流經LED的電壓和電流，并和期望的流過LED的電流相比較，反饋調節處理后，再輸出至Boost電路控制芯片，以此來控制系統的恒流輸出。

4　結束語

經過對太陽能光伏電池的性能研究，采用基于STM32F103的MPPT控制方法來控制降壓斬波電路Boost變換器的占空比D，以達到電阻匹配的目的，從而實現光伏電池最大功率點的跟蹤。實驗結果證明，該方法能夠準確、快速地跟蹤太陽能電池的最大功率輸出點。該控制器簡單易用，適合學生學習、操作，具有良好的實用性。

［1］嚴衛洲，潘俊民.基于MPPT的太陽能光伏充電控制器研究［J］.電工技術，2009，03：85-86.

［2］王兆安，劉建軍.電力電子技術（第5版）［M］.北京：機械工業出版社，2015.

［3］陳愛龍.光伏發電系統MPPT技術的研究與實現［D］.電子科技大學，2011.

［4］王廈楠.獨立光伏發電系統及其MPPT的研究［D］.南京航空航天大學，2008.

［5］王平.光伏發電LED照明的最大功率跟蹤及控制技術研究［J］.光機電信息，2009，v.26；No.31011：30-35.

［6］程紅.基于太陽能光伏發電的LED照明系統的研究［D］.西安科技大學，2010.

［7］史清風.光伏發電與LED照明綜合應用的技術研究［D］.北京建筑工程學院，2012.

賈斯誠（1995—），男，江蘇常州人，揚州大學水利與能源動力工程學院本科生，主要從事太陽能光伏發電方面的研究。

揚州大學學術科技創新基金項目（x2015541）。

史旺旺【通信作者】，男，副教授，碩士生導師。