基于數(shù)字信號控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的MPPT控制介紹

引言

　　太陽能電池和LED照明是新能源和節(jié)能高效技術(shù)的典型應用，太陽能LED照明是利用太陽能電池將大自然中的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，提供給LED光源。由于LED光源的低電壓、節(jié)能和長效等特征，太陽能LED照明系統(tǒng)的應用，將實現(xiàn)很高的能源利用效率、工作可靠性和實用價值?，F(xiàn)在常見的應用有太陽能LED草坪燈、太陽能LED路燈和太陽能LED照明燈等。

　　太陽能LED照明系統(tǒng)的組成高效節(jié)能的太陽能LED照明數(shù)字控制驅(qū)動系統(tǒng)包括太陽能電池組、DC/DC轉(zhuǎn)換器及MPPT（最大功率點追蹤）充電控制、儲存電能的蓄電池組和LED照明PWM控制驅(qū)動及LED光源等部分，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 太陽能LED照明系統(tǒng)組成

　　太陽能LED照明系統(tǒng)的工作原理是：在有太陽光的時間段，太陽能電池組將采集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在控制系統(tǒng)的控制下，采用太陽能光伏電池MPPT方式，將電能儲存到蓄電池組中，在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時，采用PWM控制驅(qū)動方式，向LED照明光源提供安全高效的電壓電流，使LED照明系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效并可靠地工作，為工作和生活提供潔凈環(huán)保的綠色照明。

　　1 太陽能LED照明控制驅(qū)動系統(tǒng)

　　1.1 控制驅(qū)動系統(tǒng)

　　本文根據(jù)太陽能光伏電池電能輸出和儲存的特點以及LED照明控制驅(qū)動的新技術(shù)進展，設計了一種新型太陽能LED照明系統(tǒng)控制驅(qū)動技術(shù)方案，控制方案能實現(xiàn)對太陽能電池和蓄電池的MPPT充放電管理、LED照明控制驅(qū)動管理。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，控制驅(qū)動系統(tǒng)以數(shù)字信號控制器DSPIC33FJ16GS502為核心控制芯片，這是美國微芯科技公司的新一代16位數(shù)字信號控制器（DSC），DSC與單片機的不同之處，在于增加了DSP資源，以單片機（MCU）為中心并融合了DSP，具有MCU和DSP兩類指令。DSP引擎包含有一個高速17位×17位乘法器，能進行16位有符號乘法和除法運算，可進行小數(shù)或整數(shù)DSP乘法，一個40位ALU、兩個40位飽和累加器和一個40位雙向桶形移位寄存器。

圖2 控制驅(qū)動系統(tǒng)硬件原理示意圖

　　dsPIC33F系列DSC全面支持數(shù)字控制系統(tǒng)，豐富的PWM控制和ADC轉(zhuǎn)換功能特別適合DC/DC轉(zhuǎn)換、電源管理和LED照明控制系統(tǒng)，可滿足本設計對太陽能電池組、蓄電池組MPPT、充放電控制、DC/DC轉(zhuǎn)換控制和LED照明驅(qū)動的控制管理。

　　1.2 太陽能光伏控制器及MPPT

　　太陽能光伏電池控制充電電路采用數(shù)字信號控制器為核心的全數(shù)字式DC/DC轉(zhuǎn)換和MPPT電路，如圖3所示。轉(zhuǎn)換器采用升壓降壓雙模式拓撲電路結(jié)構(gòu)，這樣的電路結(jié)構(gòu)可以在從V in>V out到V inV out的范圍內(nèi)都能得到較高的轉(zhuǎn)換效率，當太陽能光伏電池板的電壓高于或低于蓄電池組的電壓的情況下，在數(shù)字控制器的管理下光伏電池都可高效工作。VT2、VT3、VT4分別受DSC的3路PWM信號驅(qū)動控制，U2和U3為數(shù)字溫度傳感器DS18B20，采用單總線測溫，向DSC傳送太陽能電池和蓄電池的工作溫度，從R2處采樣得到太陽能電池輸出電壓，從R11處采樣獲得蓄電池端電壓，從R10處采樣到充電電流，這些采樣數(shù)據(jù)都通過DSC的A/D通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為MPPT控制和整個驅(qū)動控制系統(tǒng)工作提供工作狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)數(shù)字系統(tǒng)控制。

圖3 DSC控制光伏DC-DC轉(zhuǎn)換/MPPT

MPPT控制采用基于占空比為控制變量的擾動觀察法，由于太陽能光伏電池的輸出呈非線性特性，為提高其利用率，對太陽能光伏電池的輸出進行MPPT控制，以使太陽能光伏電池板的輸出功率在不同的溫度和太陽輻射強度下的達到最大化，見圖4，本設計是將MPPT和DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)合起來，用高效率的轉(zhuǎn)換器起太陽能光伏電池負載的阻抗變換作用，再在DSC的控制和管理下，尋求太陽能LED照明驅(qū)動系統(tǒng)的最大功率跟蹤。

　　升壓轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓見下式，降壓轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓關系見公式：

　　式中U out為輸出電壓，U int為輸入電壓。D 為PWM的占空比，可通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出端的電壓。對于VT4通路，可通過調(diào)節(jié)PWM2H輸出驅(qū)動的占空比，從而調(diào)節(jié)負載電流，因此，通過對PWM變換器的反饋控制，可將光伏系統(tǒng)的工作點跟蹤穩(wěn)定在最大功率點。

圖4 尋找最大功率點

　　蓄電池是太陽能LED照明系統(tǒng)的重要部件，蓄電池的管理控制不僅影響到蓄電池和整個系統(tǒng)的工作效率，也極大影響蓄電池的工作壽命。通常關注的是放電深度、充電程度和溫度等3個方面，本設計采用DSC集中控制管理，是將蓄電池的管理和MPPT的工作過程統(tǒng)一控制進行，即進行蓄電池的MPPT充電管理方式，蓄電池控制和處理的內(nèi)容有電池容量、三階段充電電池端電壓和電流測控、放電深度控制、溫度補償控制等。