最大功率点跟踪（MPPT）技术在LED太阳能路灯中的应用

很多朋友对最大功率点跟踪（MPPT）技术在LED太阳能路灯中的应用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

摘要：传统的太阳能路灯系统中，太阳能电池板通过防电流倒灌二极管直接与蓄电池连接，这会导致太阳能电池板的利用效率较低，同时容易使太阳能电池板损坏。电池长期处于欠充电状态，导致其使用寿命缩短。本文基于对太阳能电池电路模型的研究，提出了一种数模混合Maxim Power Point Tracking（MPPT）策略，可以最大限度地利用太阳能，同时控制固态太阳能电池的驱动电路。光源LED。经过研究，通过实验验证了该方案的有效性和实用性。

1 简介

随着固态光源的发展，LED的应用不再局限于指示灯领域。它以其寿命长、发光效率高等优点在现代照明系统中日益凸显。随着光伏技术的发展，大功率高亮度LED这种光源以其高效节能的特点进一步引起了社会各界的广泛关注。但目前LED太阳能路灯仍存在灯具驱动电路造成LED光衰、太阳能利用率低等缺点。业界普遍认为LED的恒流驱动对于抑制光衰效果显着。

在传统的太阳能路灯充电系统中，太阳能电池板通常通过防电流倒灌二极管直接与蓄电池连接，这会导致太阳能电池板的工作点偏离最大功率点（MaximPower Point，MPP为简而言之），并且太阳能电池板的能量没有得到有效利用。可输出功率；同时，容易导致电池因能量供给不足而长期处于欠充电状态，导致寿命缩短。本文在对太阳能电池电路模型研究的基础上，分析了恒压跟踪[1]、扰动观测[2,3]等最大功率跟踪（MPP Tracking，简称MPPT）方法，提出了一种数模混合的方法。 MPPT策略，可以将太阳能电池的输出稳定在MPP附近，从而有效利用太阳能电池板的最大输出功率。

2 太阳能电池的电路模型

图1 显示了太阳能电池的电路模型。通常，材料内部的等效并联电阻Rsh较大，而材料内部的等效串联电阻Rs较小。

图1 太阳能电池的电路模型

图中Is---光伏效应产生的电流

输出负载RL上的电压-电流关系为：

式中，q、k---电子电荷和玻尔兹曼常数

A---太阳能电池板理想系数，A=1~5

T---太阳能电池板的温度

Ios---太阳能电池板的反向饱和电流，与T有关

从上面对太阳能电池板电路模型的分析可以看出，太阳能电池的输出是一个复杂的变量，随着光照条件和温度等因素的变化而变化。图2所示为标准测试条件下，即光照为1kW/m2、T=25时太阳能电池的典型输出特性。

图2 太阳能电池板典型输出特性曲线

太阳能电池板的输出开路电压uoc和输出短路电流isc的值由制造商给出。

3 电路工作原理

目前，市场上绝大多数太阳能路灯都是通过防电流倒流二极管将蓄电池直接连接到太阳能电池板进行充电。图3显示了传统的充电电路。

图3 传统充电电路

这种方式的缺点是会使太阳能电池板的输出电压Uarr被蓄电池钳位在12V左右，即其工作点被限制在图2中的Q点，这会大大降低太阳能电池板的输出功率Parr太阳能电池板。减少。

在太阳能电池板和电池组上添加一个DC/DC电路，控制其调节Uarr，使其稳定在图2中的P点，从而使太阳能电池板的输出功率得到有效利用。在标准测试条件下，太阳能电池的最佳工作电压与其开路电压之间存在特定的比例关系。基于这一思想，产生了恒压跟踪MPPT策略，但在非标准条件下，实用性较差。利用扰动开关的工作占空比D直至输出功率Parr达到最大值，扰动观测方法在寻找MPP方面更具通用性。

对于Buck电路来说，存在UarrD=Ubat的关系，所以：

其中Ubat---电池电压

将式（1）代入：

从图2可以看出，在MPP中，dParr /dUarr=0，(d2Parr /dUarr2)0，因此可以通过式(3)和式(4)进行简化：

因此，输出功率与D的关系类似于图2中P与U的关系。因此，可以通过干扰D来实现输出功率的变化，并可以找到MPP。由于输出电压，即电池的充电电压，短期内变化不大，可以近似认为在D扰动期间保持恒定以求MPP，因此输出功率直接反映在输出电流上，即电池的充电电流，通过对充电电流值进行采样，可以判断输出功率随D扰动的变化，从而进行MPPT。为了提高控制精度和驱动能力，采用了D/A转换和PWM芯片，图4为其主电路拓扑结构。

4 最大功率点跟踪(MPPT)

寻找MPP的电路的工作原理可以简单描述如下：通过不断改变开关管驱动信号的D，直到电池的充电电流达到最大值，则太阳能电池的输出功率可以认为是此时最大，即可实现太阳能电池的最大功率点跟踪。在寻找MPP的过程中，根据D的扰动，输出功率模式有3种，对应9种大小关系。

图5显示了输出功率随D扰动的变化

根据上述模式变化，当开关管的D受到干扰时，当检测到当前输出功率与D的关系为模式2时，可以认为已经找到了MPP，同时，它将与此D 一起使用。

考虑到温度和光照条件的变化，太阳能电池的输出参数不断变化，同时引起MPP的漂移。经过设定的时间后，单片机会再次进行D扰动，寻找新的MPP，以保证太阳能电池的最大值。功率输出，从而有效地利用太阳能。

根据以上分析，编制了相关程序。图6展示了其设计流程。

图6 软件设计流程图

通过实验发现，晴天不同时间MPP处电路工作的D变化不大。因此，为了避免搜索过程中搜索时间过长和能量浪费，将下一时刻MPP跟踪的搜索起点设置为上一次MPP的D值。

5 MPPT策略实验结果

主电路工作频率为100kHz。当输出电流达到最大值时，就认为电路达到了MPP。图7为此时驱动信号Ugs的实验波形。可以看出，此时开关管的D0.65与理论分析结果吻合较好。表1给出了通过上述分析得到的传统电路和MPPT电路的对比测试结果。

图7 最大输出功率时的UGS波形

表1 传统充电电路与MPPT充电电路实验结果

从表1可以看出，传统太阳能充电电路中，15W的最大Parr值出现在气温不高、光照比较强的早晨，但此时的利用率仅为68.4%左右；而采用具有MPPT功能的直流变换电路后，输出功率大幅提升。

六，结论

LED灯的恒流驱动对于抑制光衰现象起到非常有效的作用；通过数模混合的方法，避免了纯数字控制带来的控制精度低的问题，单片机的智能控制使得可以快速找到最大功率点，提高太阳能电池板的利用率以及整个路灯系统的性价比。

以上知识分享希望能够帮助到大家！