常见问题

我国幅员辽阔，人口众多，智能路灯是必不可少的基础设施，如今国家大力提倡节能环保，采用太阳能供电的LED路灯是一个不错的选择，但是若采用纯太阳能供电，往往在连续阴雨天会出现电量不够、路灯无法工作的情况。若采用与市电结合的双充电系统，又需要铺设线路，加大投入，没有充分利用太阳能的便携性。对于在非机动车主干道上的路灯系统，目前相对理想的办法是采用纯太阳能供电，对系统的核心元件即控制器进行优化改进，以实现对太阳光的充分利用、对蓄电池的智能充电管理和对LED灯智能调光。目前的研究在路灯系统控制器的优化上，较多侧重蓄电池的选择及智能充放电，忽略太阳能电池最大功率跟踪，不少文献对LED调光虽采取了根据光线或交通流量自适应调光，但是对于纯太阳能供电，未结合蓄电池剩余电量一起控制。本文在此前提下，对太阳能路灯控制策略的优化进行探讨，采用两种控制算法相结合实现太阳能电池的最大功率点跟踪，提高太阳能电池的利用率，对LED灯结合外界光线和蓄电池剩余电量实现智能调光，提高了纯太阳能供电路灯系统的可靠性。

1 系统基本架构

采用太阳能供电的LED路灯系统由太阳能电池、铅酸蓄电池或锂电池、LED灯泡、控制器所组成，具体框图如图1所示。太阳能电池通过DC/DC转换电路和最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制器将太阳能储存在蓄电池中，对LED灯进行供电，其中充电管理和LED照明控制均通过单片机控制系统实现。

2 MPPT控制算法及实现电路

太阳能电池为整个系统提供电源，由于太阳光的不确定性和太阳能电池板的转化率低，使其输出电流数值较小且随时变化，因此在给蓄电池充电前要进行MPPT的跟踪及实现。实现最大功率点的跟踪有多种方法，根据电路原理中的最大功率输出条件可知，只要外部等效负载与太阳能电池内阻相等，太阳能电池即可输出最大功率。硬件上在太阳能电池与蓄电池之间增加一个DC/DC电路，由软件控制该电路中开关管的占空比，调整电路阻抗，使其尽可能地逼近太阳能电池中的等效阻抗。电路如图2所示。

图1 系统基本框图

图2 独立光伏发电系统结构

2.1 MPPT控制电路

在太阳能电池与蓄电池之间增加了一个DC/DC电路，在充电过程中，常会出现太阳能电池电压低于蓄电池电压的情况，为了持续有电流输出，采用BOOST升压电路，如图3所示，电路中电感取得足够大，得到一近似直流电流，由单片机提供脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，控制开关管Q的占空比，对整个电路的阻抗进行重新匹配。

图3 BOOST电路原理图

2.2 MPPT控制算法

MPPT的控制算法有多种，包括：固定电压法、扰动观察法(爬坡法)、增量电导法、神经网络法、模糊控制法等，每种算法都各有优缺点。

本文在这些算法基础上，提出并采用了先固定电压法起动，再变步长占空比扰动观察法。系统启动前，先测出相同太阳能电池的温度和最大功率点对应电压的表格，存入单片机。刚开始启动时，为提高响应速度，先根据该表格，得到此刻最大功率点对应电压，接着用扰动观察法，这时输出靠近最大功率点处，扰动观察法采用可调小步长调整。当前后时刻电压差︱ΔP︱≥ε时，扰动量大小设为ΔV；当前后时刻电压差︱ΔP︱<ε时，扰动量大小设为KΔV，其中K为软件中设定好的调整系数，该系数大小与功率变化量ΔP成正比，这样逐步靠近最大功率点，减少振荡，提高精度。

每个扫描周期都进行功率变化的取值和计算。在系统中设置一个最大功率点的参考电压，周期扫描中还扫描出输出电压数值，若输出电压值和参考电压相差较大，此时用固定电压法，避免在光照强度迅速变化时，出现误判；若输出电压值和参考电压相差不大，此时用变化的小步长干扰法。

施加扰动的对象是太阳能电池的输出电压，对其施加扰动较为复杂，因此把上述提及的DC/DC电路中的占空比作为扰动对象，系统采用固定电压法时即固定占空比，采用扰动法时即根据算法增加或减少占空比。其具体算法如图4所示。

2.3 仿真验证

通过上述硬件电路和控制算法相结合，在MATLAB上构建相应仿真模型。初始环境为在标准状况下，即T=25 ℃，S=1 000 W/m2。0.4 s之后外界温度T和光强S的变化情况为：(1)S1=1 000 W/m2，T1=45 ℃；(2)t=0.8 s时，S2=1 000 W/m2，T2=18 ℃；(3)t=1.2 s时，S3=1 200 W/m2，T2=18 ℃；(4)t=1.6 s时，S4=800 W/m2，T2=18 ℃。采用S函数实现MPPT控制，选取的太阳能电池标称功率50 W，峰值电压为17.64 V，峰值电流2.8 A，最大开路电压21.42 V，短路电流3.14 A，可得到仿真效果如图5。从效果图可见，改进后的MPPT控制算法，工作时能够快速准确地接近最大功率点，减少了一般扰动法振荡过程造成的能量损失。

图4 改进的MPPT控制算法流程图

图5 MPPT仿真效果图

3 LED调光电路及控制

除了通过前述方法获取太阳能的最大功率外，太阳能路灯系统还应尽量节省不必要的耗电量。目前路灯系统中为了节约用电量，通常是夜晚12点过后关灯或开一半亮度，其实最合理的做法是能根据交通流量和外界光线强弱来自动控制路灯的亮度。由于LED的亮度几乎与其正向电流成正比，因此LED亮度的调整靠改变其电流来实现。对于直流供电的LED调光方式主要有模拟调光和脉冲宽度调制(PWM)调光。

模拟调光是通过改变流过LED的电流改变LED的发光亮度，此法虽然改变了亮度，但是往往会增加系统功耗，显然在本系统中不宜采用。PWM调光是利用人眼对亮度闪烁的不敏感性实现的，快速地开关LED，使LED灯时暗时亮，只要频率超过100 Hz，人眼感受到的就是平均亮度，而LED本身可以实现快速开关，这是其他发光器件无法比拟的。

在本系统中，采用PWM实现调光，主要有几个优势：(1)人眼对光线的感受是非线性的，将亮度降低一定比例而人没能感觉到，却能节约大约相同比例的电能；(2)LED的响应时间极短，适合高频运作，可以很方便地通过控制占空比的方式来实现对其亮度的调节；(3)将灯的亮度逐渐调到设定级别，即“软启动”，可大大地延长灯的使用寿命；(4)路灯系统通常使用大功率的LED，工作时会产生大量热量，既浪费电能也影响LED器件性能，由于驱动电流变化时LED热阻变化较小，采用脉冲电流驱动方式将有利于散热，降低温度，提高元件寿命。

3.1 LED调光方案

系统的调光信号由外界环境产生，将获取的信号经A/D转换后输入单片机，由单片机输出相应PWM信号控制LED驱动控制芯片，如图6所示。LED驱动控制芯片采用XLT604，该芯片是一款具有PWM功能的LED驱动控制芯片，它在交直流模式下均可驱动大功率的LED，对于外部LED串采用恒流驱动方式，保证LED的恒定亮度和可靠性，恒流值大小由外部电阻值设定。芯片内部组成如图7所示。此芯片可由外部线性调光，也可由外部输入PWM调光，能以高达300 kHz的固定频率驱动外部开关管，其频率由外部电阻编程决定，此处采用PWM单独调光方式。

图6 LED驱动控制结构图

图7 XLT604芯片内部结构图

XLT604恒流驱动调光应用电路如图8所示。负载端通过电阻将LED的电流采样至单片机，作为A/D转换输入的参考电压。单片机产生的调光信号输入到芯片的PWM端口，控制LED脉冲信号的占空比，实现LED的调光功能。

图8 XLT604恒流驱动调光应用电路原理图

3.2 相关信号检测

本设计中决定LED亮度的几个信号分别为光照度、交通流量、蓄电池剩余电量、工作时间段。

光线的检测可以采用多种光敏元件，这里采用光敏二极管检测。光敏二极管无光照时，反向电流很小，当有光照时，反向电流增大，在外加电压作用下，反向电流的大小与光照强度成正比，通过电流检测电路可以得到相应的光照强度。由于光敏二极管测试的光强度范围较大，特别对于清晨和傍晚光线较弱的环境下，光敏二极管仍能测到弱光，具有一定的敏感性，而且光敏二极管使用时不需要另加驱动电路。

交通流量通过对交通流的噪声信号检测获得，当交通流量大时，噪声对应就大，此时应提高灯光亮度，保障安全；当交通流量小时，噪声对应也小，此时相应降低亮度，节约电量。噪声信号获取通过电容式声音传感器，当有声音时，实现声波信号到电信号的转换，此类传感器灵敏度较高，频率响应宽，非线性失真小，是一种较为理想的声音传感器。

蓄电池的剩余电量与其端电压之间有一定关系，剩余电量是在一定的条件下通过与端电压之间的关系取得，这里采用开路电压法和卡尔曼滤波递推算法相结合的方法来获得剩余电量，工作时间段由单片机定时系统获得。

3.3 PWM软件设计

提供给LED驱动调光芯片的PWM信号，由单片机运行相应程序输出，具体调光策略为：(1)以外界光照度作为LED启停信号，若照度低于5 LX，LED点亮；若照度高于15 LX，LED灭；当照度介于5 LX与15 LX之间，LED的亮度根据时间段、交通流量、蓄电池剩余电量进行自调整。(2)若时间段为凌晨0点至5点，此时交通流量大为减少，将PWM占空比调至最低，为了避免夜间突然出现大的交通流量现象，只有交通流量数值超过某个设定的特定数值时，将PWM占空比调大，当交通流量数值降低后，PWM占空比恢复为原先最低状态。若阴雨天的白天或傍晚5点至凌晨0点期间，此时交通流量增加，PWM占空比根据交通流量和蓄电池剩余电量调整。事先在存储器中存入有关交通流量与PWM占空比相对应的表格，分别为表格1、表格2、表格3，对应于蓄电池剩余流量大于80%、小于80%且大于60%、小于60%且大于50%，当电池电量小于容量的50%时，此时占空比调至最小。单片机根据对应表格提供的数据输出相应PWM信号，从而实现LED的智能调光。软件流程如图9所示。

图9 PWM软件控制方案

4 仿真实验

在太阳能充电部分未进行MPPT优化之前，取漳州地区某条非机动车主干道为对象，于2016年3月对5盏25 W的LED路灯按上述优化方案进行为期1个月的实验，得到的结果如表1所示。

由实验结果可知，改进后亮灯率大大提高，且每天持续点亮的时间也大大加长，保证了在每个光线不足的时间段LED均能发光，避免了长期阴雨天导致太阳能供电路灯出现瘫痪的现象，但是该路灯系统长时间点亮的同时，也牺牲了一定的亮度。由于这个实验对应的太阳能充电部分还未对MPPT进行改进，将其改进后投入该系统，对上述的运行结果将取得进一步的优化。

表1 LED路灯试运行结果统计情况

5 小 结

本文分析设计了太阳能电池充电的最大功率点跟踪策略，对LED路灯采取了一种新的控制方案，并通过仿真和实验验证了它们的可行性。