風光互補LED路燈系統的研究與設計

張 波，汪義旺，鄔麗娜

（1.蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇省光伏發電工程技術研究開發中心，江蘇 蘇州 215104）

應對能源危機有兩種方法：（1）尋求新能源和可再生能源的利用；（2）尋求新的節能技術。風光互補是新能源綜合開發利用，LED路燈是新的節能技術，風光互補LED路燈是兩者結合的經典之作。風能和太陽能都是最普遍的儲量大且清潔的可再生能源，在時間上和季節上互補性很強：太陽能白天有晚上無，夏天強冬季弱，而風能則冬季多夏季少，晚上往往多于白天。這種互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性[1]，使其優于單一的風電或光電。LED被認為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長、安全環保、體積小、響應速度快等諸多優點，目前已有廣泛的應用。

1 光伏電池特性和實現MPPT的方法

光伏電池在不同光照和溫度下的P-V特性如圖1。光伏電池輸出功率在一定光照強度S和溫度T下輸出功率有且只有一個最大功率點，最大功率隨著光照強度S的增加而增加，隨著溫度T的上升而減少。光伏電池即非恒壓源也非恒流源。由電路原理知道負載阻抗和電源內阻抗匹配時負載上功率最大。光伏電池實現最大功率點跟蹤(MPPT)的方法就是在光伏電池和負載之間插入一DC/DC變換器，把直流變換器和實際負載一起看作太陽電池的負載，應用相應的控制方法調節直流變換器的占空比，使總的負載和太陽電池此時的內阻相匹配，由于變換器本身功耗極少，實際負載上獲得最大功率。目前光伏最大功率點跟蹤方法有：恒電壓法、擾動觀察法、電導增量法、滯環比較法、模糊邏輯控制算法、遺傳算法等等。恒電壓法依據的是光伏電池工作在最大功率點時其輸出電壓基本上都在同一點，改變直流變換器的占空比使得光伏電池輸出電壓為其最佳工作電壓，就能實現MPPT，但其忽略了溫度的影響；擾動觀察法依據光伏電池輸出功率是其電壓的凸函數，記下當前光伏電池功率，占空比改變一定量后再測其輸出功率并和前次功率相比較，若比前次大就相同的方向改變同樣占空比（前一次增加則繼續增加，前一次減少則繼續減少），反之就改變擾動方向，反方向改變占空比。這樣進行下去穩態時能工作在光伏電池最大功率點附近。其它的方法要么不成熟，要么控制太過復雜[1-2]。

2 風力發電MPPT控制方法

風力發電機的機械功率大于其輸出電功率時，轉速將要增加；當輸入的機械功率小于輸出的電功率時,轉速將要下降。風力機特性曲線如圖2所示，風速v1>v2>v3。風力發電實現MPPT的基本原理和光伏發電是一樣的，都是在輸出和負載之間插入一DC/DC變換器來實現。風力發電實現MPPT控制方法可以大致分為三類：葉尖速比控制、最大負載功率曲線控制和爬山搜索法[2-3]。葉尖速比用λ來表示，定義為風力機葉尖旋轉的圓周速度與風速之比，從圖2中可看出不管什么風速只要保持λ為某一值就能最大限度地利用風能，但風機葉輪上的風速很難精確測量，再加上這種算法要參照風機和發電機特性很難移植，在小型風力發電機中很少用；最大負載功率曲線控制是將當前風機轉速的實際負載功率和事先測得的最大負載功率對比來決定如何改變占空比來改變風機負載，這種方法要事先測得風機轉速和最大負載功率之間的關系曲線，而這種曲線難以準確測量，另也存在移植性差的缺點；爬山搜索法和光優電池的擾動觀察法類似，不需測量風速和風機轉速，在小型風力發電機上很適用。

3 LED特性及驅動電路

3.1 LED特性、驅動要求及調光方式

LED 的理論光效為300 lm/W。目前實驗室水平達260 lm/W，市場化水平達120 lm/W 以上。圖3是LED相對光通量和其正向電流IF的關系圖。圖3中可以看出LED的光通量和其正向電流成正比的關系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發光亮度。LED若采用恒壓源驅動，較小的電壓變化會引起較大的電流變化，所以恒壓驅動只適用于要求不高的小功率的場合下。在要求高的場合或大功率的場合下LED都要采用恒流驅動[4]。改變電流有兩種方式，相應的LED調光也有兩種方式。一種是連續調節LED中電流的大小來改變LED的亮度，這種方式稱之為模擬調光，通過LED中的電流是連續的；另一種是通過改變LED流過電流的時間與關斷的時間之比來改變LED的亮度，LED流過電流時電流是恒定的，關斷時流過LED的電流為零，這種方式稱為PWM 調光，它是通過人眼察覺不到的頻率快速地開關LED，開關頻應不小于100 Hz。兩種調光方式當流過LED中的平均電流相同時，其效果是一樣的。由于LED在某一大小特定的電流時會發出最純的白光，隨著電流偏離這個值，會有色偏[5]。另外，LED的響應時間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關的場合，所以LED調光以PWM 調光方式較好，此外這種方式還有利于LED散熱[6]。

3.2 LED驅動電路

LED的驅動方式可分為電阻限流型，線性穩壓電源型，電容電荷泵電路和電感開關變換電路[7]。電阻限流將電阻和LED串連，通過電阻的分壓限流驅動LED燈，這種方式控制精度不能保證，同時有大量電功率浪費在電阻上，只在要求不高的低壓場合下使用。線性穩壓電源精度比電阻限流型高一些，但同樣存在效率低的問題，實際中用的也不多。實際中用得多的是電荷泵電路和電感式開關變換電路。

電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關進行切換，在時鐘周期的一部分時間內讓電容儲能，在時鐘周期的剩余時間內電容釋放能量。這種方式是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓。電感式開關變換電路又稱為開關電源，是通過控制功率開關管導通與關斷的時間關系來改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件，使輸出穩定。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，但其使用的開關元件多，效率相對低些，輸出電壓在輸入電壓的1/3~3倍這個變化范圍，輸出功率較小，所以其多用在小功率場合下；而開關電源開關元件相對較少，效率高，可實現大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續可調，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。

4 系統統設計與實現電路

LED風光互補系統中太陽電池板和風力發電裝置尤其是太陽電池板成本很高，所以必須采取相應的措施在相同的條件下達到相同目標時用減少太陽電池板和風力機的容量，這勢必要進行最大功率點跟蹤控制。系統中風力發電和光伏發電實現MPPT各要一個DC/DC變換電路，LED驅動也要用一個DC/DC變換電路，系統共要三個DC/DC變換電路。考慮到系統中光伏發電和LED照明不會同時進行，兩者可共用一個DC/DC變換器，但光伏發電時和LED照明時蓄電池電流方向是相反的，這個DC/DC變換器必須是雙向的。故新穎的系統設計如圖4所示。電感L、開關管S1、二極管D1和電容C1構成Boost電路，光伏電池是輸入電源，蓄電池是負載。Boost電路開關S1閉合時，二極管D1截止，光伏電池通過開關S1讓電感儲能，同時電容C1對蓄電池放電；開關S1斷開時D1導通，光伏電池和電感一起對蓄電池放電，輸出電壓高于輸入電壓，同時讓電容充電。只要開關管工作頻率足夠高，電容C1足夠大就能使輸出穩定。濾波電容C1較小則有可能使蓄電池的充電電流波動較大，影響蓄電池的使用壽命[8]，電容C1可按下公式確定：

式中:Iom，f,△Uo分別指可能的最大充電電流，開關管工作頻率和電容C1上的電壓波動。風力發電機經同樣的Boost電路對蓄電池充電，其中C1為兩Boost電路共用。Boost電路輸入電流連續，開關管接地易驅動，在輸入電壓較小時也能對蓄電池充電等優點，所以這里都選用Boost電路實現MPPT。

許多單向直流變換器都可通過將其中無源開關反并一個有源開關，而將原來的有源開關反并一個無源開關而成為雙向DC/DC變器。在光伏電池的Boost電路中的開關管S1的兩端反并聯一二極管D2，而二極管D1反關聯一功率開關管S2，原來的Boost電路就變成了Bi Boost-buck雙向直流變換器。能量從左到右傳遞，開關管S2和二極管D2一直處于斷開狀態，電路相當相Boost電路；能量從右到左傳遞，即蓄電池給LED燈供電時，電路相當于Buck電路。Buck電路由開關管S2、二極管D2電感L和電容C2構成。雙向直流變換器是典型的一機兩用設備。它能減少電路的元件數量，使控制集中，減小電路的體積。光伏電池供電和LED燈照明不會同時進行，所以這里雙向直流變換器是非常適宜的。

開關管S3在光照好時即光伏電池供電時斷開，光線差時閉合。對開關管進行PWM控制，可實現LED路燈的PWM調光。LED路燈在光線不是特別差和深夜行人少時調光控制可實現節能。風力發電機白天可以和光伏電池一起對蓄電池充電，而夜晚風大時直接對LED燈供電，剩余的電能對蓄電池充電；風小時風力發電機和蓄電池一起對LED燈供電。風力發電機大多為交流的，圖4中未畫出風力發電機和Boost電路之間的不可控整流部分，圖4中也未畫出相應泄荷保護部分。

5 系統參數設置

合理的系統設置能大幅減少系統的成本。首先根據照明需求確定LED燈的功率，再根據最差的天氣條件下系統能持續工作天數確定蓄電池容量，最后根據當地平均風速和白天平均日照強度確定風力發電部分和光伏電池的容量。就目前來說光伏發電成本要比風力發電成本高出許多，所以要恰當多地考慮風電；同時相比風電來說，光電穩定性好，所以它是風電的必要的和有益的補充。本案配置如下：LED燈72 W,3 W 的LED先串后并；兩個12 V120 Ah鉛酸蓄電池串聯；風力發電機400 W；光伏電池150 W,工作電壓17.6 V；無風的陰雨天至少連續工作5天。

6 總結

風光互補LED路燈前景廣闊。本文用一個常規的Boost變換器和一個Bi Boost-Buck變換器實現了風力發電和光伏發電的MPPT，實現了LED燈的恒流驅動與PWM 調光，設計新穎、結構簡單、所用的元件相對較少、控制統一，性能優良，在風光互補LED路燈中有很高的推廣價值。

[1]何淼.48 V風光互補獨立電源系統研究與開發[D].合肥:中國科學技術大學碩士學位論文,2011.

[2]王濤.小型風光互補發電系統控制器的研究[D].合肥:合肥工業大學碩士學位論文,2009.

[3]林閩，張艷紅.風光互補路燈控制系統的設計[J].可再生能源，2011，29(6)：146-149.

[4]汪義旺，張波，吳鑠.基于電力載波通信的LED隧道照明控制器設計[J].電源技術，2011,35(8):985-987.

[5]付佳．升壓型雙模式PWmLED驅動芯片設計[D].杭州:浙江大學碩士學位論文，2006.

[6]朱虹.LED照明驅動及自適應調光技術[D].上海:上海大學碩士學位論文，2008.

[7]熊蘭，何友忠.何為基于風光互補供電的監測設備供電電源[J].電源技術，2011，35(7)：788-791.

[8]趙宏，潘俊明.基于Boost電路的光伏電池最大功率點跟蹤系統[J].電力電子技術，2004,38(3):55-57.