獨立光伏LED照明系統研究與設計

黃克亞

(蘇州大學陽澄湖校區，江蘇蘇州 215137)

1 引言

太陽能是一種巨大、無盡、清潔的綠色能源，半導體發光二極管 (LED)是一種環保、節能、高效的固態電光源。將太陽能技術和LED技術結合在一起，開發太陽能半導體照明，是最佳的節能、環保組合，是新一代能源和新一代光源的完美結合。獨立光伏LED照明系統主要由光伏電池陣列、蓄電池、LED照明設備、充電電路、LED驅動電路、控制器組成。光伏電池板是整個系統最昂貴的部件，為有效利用太陽能，需要對系統進行最大功率點跟蹤;蓄電池是整個系統最脆弱的部件，為延長蓄電池的使用壽命，需要根據蓄電池特性對蓄電池進行充電和放電;蓄電池輸出需要采用的一定驅動電路才能保證LED照明設備可靠穩定地工作;以上所有控制功能均由控制器實現。

2 系統組成

獨立光伏LED照明系統工作時，光伏電池陣列吸收光能并將其轉化為電能，經蓄電池儲存供LED照明負載使用。常規的光伏LED照明系統DC-DC變換電路和LED恒流驅動電路為兩套相對獨立的電路結構，系統存在結構復雜、可靠性低和效率低等缺點。兩部分電路原理和結構十分相似，同時光伏LED照明系統充電和放電不會同時進行，若將雙向變換器引入系統，可簡化電路結構，改善系統性能，提高系統效率。但若采用單一升壓或是降壓功能的雙向變換器，會降低系統的適用范圍及靈活性。特別是在輻照度減弱或是蓄電池電能降低的情況下，不能很好地滿足LED照明電路的工作，為此本設計將Zeta/Speic雙向變換電路引入到系統中來，其結構如圖1所示。

圖1 獨立光伏LED照明系統結構圖

充放電電路采用Zeta/Sepic雙向變換器，一機雙用，通過控制器可在光伏電池和LED負載間靈活地切換。在充電模式下，系統將轉換開關切換到光伏電池，將電能通過Zeta變換器向蓄電池充電，變換器主要完成光伏發電MPPT控制及蓄電池充電管理;在放電模式下，轉換開關切換到LED照明負載，蓄電池電能通過Sepic變換器向負載供電，變換器主要完成放電管理和LED恒流驅動［1］。

Zeta/Sepic雙向變換器及其在光伏LED照明系統中的應用電路如圖2所示，其由繼電器開關S1、S2，功率開關管 Q1、Q2，電感 L1、L2及電容 C1組成。在不增加電力電子器件的情況下，通過增加S1、S2，使電路結構更適合于光伏LED照明系統。S1主要完成光伏電池與LED照明負載間的切換控制;S2主要起隔離保護作用，當主電路故障或蓄電池異常時，快速切斷蓄電池與主電路的連接，增加了系統的可靠性及靈活性。

圖2 Zeta/Sepic雙向變換器應用電路

3 充電控制

3.1 特性分析

(1)光伏電池特性

光伏電池無需外加電壓，可以直接將太陽能轉換成電能，并驅動負載工作，其工作機理是光生伏特效應，即吸收光輻射而產生電動勢。根據光伏電池的工作原理，以及影響光伏電池工作效能的因素，我們可以用式 (1)來表示光伏電池的輸出電流與輸出電壓的關系:

式中，I——光伏電池的輸出電流 (A);

V——光伏電池的輸出電壓 (V);

q——一個電子所含的電荷量 (1.6×10－19C);

K——波爾茲曼常數 (1.38×10－23J/K);

T——光伏電池板表面溫度 (K);

n——光伏電池的理想因數 (n=1－5);

I0——表示光伏電池的逆向飽和電流。

在Matlab中建立光伏電池數學模型，寫成嵌入函數的形式，并根據數學模型，繪制不同輻照度和不同溫度條件下的P-V曲線如圖3所示。其中圖3(a)標注為輻照度，單位為W/m2;圖3(b)標注為陣列表面溫度，單位為℃。由圖3特性曲線可以看出光伏電池的輸出功率是隨其輸出電壓的不同而不斷變化的，特定光照和溫度條件下光伏發電系統存在單峰值最大功率點，這為我們進行最大功率點跟蹤找到了理論依據。

圖3 太陽能電池P-V特性曲線

(2)Zeta變換器

在充電工作模式，切換控制開關連接光伏電池電源，光伏電池通過充電通道向蓄電池充電，其電路拓撲結構是Zeta變換器，其等效電路如圖4所示。

圖4 充電工作模式等效電路

等效Zeta變換器的工作原理如圖5所示，其中圖5(a)為開關管Q1導通時等效電路，圖5(b)為開關管Q1關斷時等效電路圖。若電路進入穩態，電流如圖中箭頭方向所示，主開關管Q1導通時，光伏電池經D1向L1儲能，同時通過C1、L2向蓄電池供電;Q1關斷時，L1通過D3向C1充電，同時L2向蓄電池供電。

Zeta變換器輸入、輸出電壓關系為:

由于Zeta變換器的負載為蓄電池，Uo的值將被箝位于蓄電池兩端的電壓。則Ui由Q1的占空比D確定，調節D就能找到光伏電池陣列最大功率點的電壓值Um和電流值Im，此時光伏電池以最大功率對蓄電池進行充電。

圖5 Zeta變換器工作過程等效圖

(3)蓄電池

蓄電池作為獨立光伏LED照明系統的儲能元件，白天蓄電池將光伏電池輸出的電能轉換為化學能儲存起來，到夜晚時，控制器啟動LED驅動電路，LED光源開始照明，蓄電池釋放電能。全天中，控制器的電源一直由蓄電池供給。目前光伏系統多采用閥控密封式鉛酸 (Valve Regulated Lead Acid Battery，簡稱VRLA)蓄電池，VRLA蓄電池采用密封結構，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現象，使用安全可靠、壽命長，正常運行時毋需對電解液進行檢測和調酸加水，又稱為“免維護”蓄電池。

3.2 充電算法

對于一個蓄電池，選擇適當的充電方法不僅可提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。其中最理想的充電方式為三段式充電法，即恒流，恒壓，浮充三個階段充電。若將三段式充電法直接應用于光伏LED照明系統，最大的問題在于無法實現最大效率利用光伏電池的輸出;蓄電池的最大可接收電流Imax一般很大，第一階段的恒流充電亦無法實現。蓄電池智能充電策略必須最大限度提升光伏電池功率輸出，同時最大程度延長蓄電池使用壽命。論文借鑒三段式充電法，同時結合光伏發電系統實際情況，給出一種有效的充電方法。

對于光伏LED照明系統來說，晚上蓄電池對照明負載供電，并且控制電路始終由蓄電池供電，因而當檢測到光伏電池滿足供電條件，DC-DC轉換電路開始工作時，蓄電池總為非滿狀態，此時蓄電池的端電壓小于蓄電池的最大電壓上限UM(U＜UM)，此時實施最大功率充電 (MPPT);當檢測U=UM時，如果此時的充電電流大于閾值電流IC(I≥IC)，則對蓄電池進行恒壓充電 (CV);若I＜IC，則轉換為浮充充電 (VF)。總之，采用何種充電方式是由蓄電池的充電條件和當前的狀態決定的，光伏電池對蓄電池的充電流程如圖6所示［2］，其中MPPT算法采用了電導增量法。

圖6 蓄電池充電控制流程圖

3.3 算法實現

(1)MPPT充電實現

選擇電導增量法作為光伏LED照明系統的MPPT跟蹤算法。電導增量法 (Incremental Conductance Algorithm)是根據光伏陣列P-V曲線為一條一階連續可導的單峰曲線的特點，利用一階導數求極值的方法，即對P=UI求全導數，可得

兩邊同時除以dU，可得

令dP/dU=0，可得

式5即為達到光伏陣列最大功率點所需滿足的條件。這種方法是通過比較輸出電導的變化量和瞬時電導值的大小來決定參考電壓變化的方向［3］，具體分析如下:(1)假設當前的光伏陣列的工作點位于最大功率點的左側時，此時有dP/dU＞0即dI/dU＞－I/U，說明參考電壓應向著增大的方向變化。(2)同理，假設當前的光伏陣列的工作點位于最大功率點的右側時，此時有dP/dU＜0，dI/dU＜－I/U，說明參考電壓應向著減小的方向變化。(3)假設當前光伏陣列的工作點位于最大功率點處 (附近)，此時將有dP/dU=0，此時參考電壓將保持不變，也即光伏陣列工作在最大功率點上。

(2)恒壓、浮充實現

由上述分析可知恒壓充電和浮充充電均向蓄電池提供一個固定電壓值，有兩種實現方法，一是，如果系統精度要求不高，只要向Zeta電路提供一個固定的占空比即可，二是，如果系統精度要求很高，可以采用反饋方式來實現，即檢測實際輸出電壓值與給定值進比較，再通過程序調整占空比使輸出電壓穩定為某一具體數值。為降低系統的復雜度，提高可靠性，本系統選擇第一種實現方法。

4 放電設計

在放電工作模式下，切換控制開關連接LED照明負載，蓄電池向LED供電，其等效電路如圖7所示，蓄電池通過Sepic變換器向LED負載供電。

圖7 放電工作模式等效電路

Sepic變換器的工作方式如圖8所示，電路工作于電流連流模式 (CMM)下，主開關管Q2導通時，蓄電池向L2儲能，C1、L1回路導通，C2向LED負載供電;Q2關斷時，蓄電池經L2、C1和D2后向LED負載供電，同時L2、C1、L1回路導通。

圖8 Sepic變換器工作過程等效圖

由于LED特性曲線的非線性和對溫度的敏感性，必須用恒流源為其供電，基于Sepic變換器采用電流閉環控制實現LED照明負載的恒流驅動。用Sepic變換器為主電路，以高亮LED驅動芯片HV9930為控制芯片的LED恒流驅動電路如圖9所示［4］。HV9930是一款變頻PWM控制芯片，該芯片使用滯回電流模式控制，在無需復雜輔助回路條件下能夠產生快速的瞬間響應，特別適合鉛酸蓄電池供電的LED驅動控制。盡管芯片的內部控制邏輯比較復雜，但是對于使用者來說十分方便，它的管腳少，通過合適地選取外圍幾個元件，就可以實現控制目標。

圖9 LED負載恒流驅動電路

如圖9所示，RCS1為采樣電阻，電流變化時RCS1上的壓降相應變化，RCS1、RS1和RREF1用來設置輸入電流上下限值，芯片CS1引腳上的電位與它們的關系如式6所示。

由于CS1腳的電位在0～0.1V間變化，所以電流的變化量也被限制在一定的范圍內，輸出側的控制方式與輸入側是相同的。可以看出，輸出電流的大小與輸入電壓的大小沒有直接聯系，芯片可以在很寬的輸入電壓范圍內保持輸出電流的穩定。

5 實驗調試

5.1 系統容量確定

系統各部分容量選取配合是系統設計的關鍵所在，需要綜合考慮成本、效率和可靠性，并留有一定的裕量。

(1)太陽能電池型號

太陽能電池選擇的Solar HQ70P-90W電池板，在標準測試條件下 (輻照度 1000W/m2，溫度25℃)其基本參數:最大功率Pm=90.0W、最佳工作電壓Um=17.2V、最佳工作電流Im=5.23A、開路電壓Uoc=21.6V、短路電流Isc=5.81A。

(2)LED光源類型

光伏LED照明系統光源為高性價比的額定功率為1W，額定電流為300mA的白光LED 36只，采有6串6并混連方式進行連接，恒流方式進行驅動。

(3)蓄電池容量

LED照明系統儲能裝置選擇閥控密封式鉛酸蓄電池，設計容量越大，工作越處于淺循環，壽命越長，但成本也相對較高，實際安裝時酌情選擇。蓄電池容量計算如式7所示［5］:

式中，Bc——蓄電池容量;

A——安全系數，一般為1.2～1.4;

Q1——日耗電量，即工作電流乘以日工作小時數;

T0——溫度系數，一般0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2;

Cc——放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。此處蓄電池額定電壓為12V，設計容量當連續4天陰雨仍可工作，考慮到上一次放電后夜間未能充電，所以N1=6，計算如式 (8)所示，結果為246.4 AH，取250AH。

5.2 實驗數據

使用上述計算參數，選擇ATMEGA16作為系統控制核心，構建實驗系統，以光照較強的一整天為測試對象。充電電路著重研究8∶30～17∶30時的實驗數據，對典型測試時刻系統所采用的充電方式進行記錄如表1所示，蓄電池的初始荷電狀態 (SOC)為70%。由表1可以看出，充電控制器能夠依照圖6給出的控制流程根據蓄電池所處工作狀態在MPPT充電，恒壓充電，浮充三種工作方式之間切換。既充分地利用了太陽能，又有利于延長蓄電池使用壽命。

表1 典型測試時刻充電方式記錄表

采用MPPT算法充電可以提高光伏電池的利用率，MPPT充電算法和恒壓充電算法數據對比如表2所示，表中列出整點時刻數據，實為一段時間內的平均值。由于蓄電池兩端電壓基本相同，所以表中只列出兩種算法充電電流。數據顯示采用MPPT算法充電較采用恒壓充電光伏電池的利用率平均提高了15.85%。

表2 MPPT算法與恒壓算法充電電流對比

光伏LED恒流驅動電路設計目標是當蓄電池端電壓或環境溫度變化時流過LED支路的電流恒定。實驗測試表明，當蓄電池端電壓升高或是降低時，通過示波器觀察流過LED的支路電流近似為一條直線，幾乎看不出紋波的存在。進一步測試表明，當環境溫度改變時輸出電流也無明顯改變，表明所設計驅動電路恒流效果好，抗干擾能力強。

6 結束語

針對傳統設計中將蓄電池充電電路和LED驅動電路分開設置所帶來的結構復雜、可靠性低和效率不高等問題，設計一種基于Zeta/Sepic雙向變換器的獨立光伏LED照明系統。為有效利用太陽能并盡可能地延長蓄電池使用壽命，提出一種充電控制算法，該算法既能實現太陽能電池的最大功率點跟蹤(MPPT)又能滿足蓄電池電壓限制條件和浮充特性。設計一種LED恒流驅動電路，其采用Sepic變換器為主電路，以高亮LED驅動芯片HV9930為控制芯片，用以保證LED照明設備可靠穩定工作。根據光伏電池和LED負載容量，計算確定蓄電池容量，構建實驗系統，測試表明，充電控制器可以根據蓄電池狀態準確地在MPPT、恒壓、浮充算法之間切換，對比MPPT充電和恒壓充電其充電效率提高約16%。LED驅動電路能夠克服蓄電池電壓和環境溫度的變化保持輸出電流恒定。總之，所設計的光伏LED照明系統控制器實現了太陽能的有效利用，延長了蓄電池的使用壽命，保證了LED可靠穩定工作。

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