直流母線供電的LED教室照明系統設計

汪義旺，張 波，林 燕

(1．蘇州市職業大學電子信息工程學院，蘇州215104;2．江蘇省光伏發電工程技術研究開發中心，蘇州215104;3．蘇州斯派特光電技術有限公司，蘇州215104)

0 引言

太陽能作為一種新興的綠色能源，以其取之不盡、用之不竭、無污染、不受地域資源限制、方便與建筑物結構相結合等特點，在城市照明及大型建筑照明等很多領域得到了廣泛的應用。LED被稱為第四代照明光源，具有節能、環保、壽命長、低壓驅動、易于實現控制等特點，廣泛地應用于指示、顯示、照明等領域，如教室照明。將太陽能光伏發電系統與LED照明技術相結合，開發綠色照明系統，對節約能源、低碳發展、推廣新型綠色節能照明等都具有重要意義。

太陽能光伏發電系統可分為獨立發電(離網)和并網發電兩種，樓宇照明系統常采用獨立的光伏供電系統。而目前市場上常見太陽能光伏獨立發電的離網系統均采用帶逆變器的DC－AC轉換系統，即將光伏發電的直流電能轉換成通用的交流電能再供負載使用。同時，LED照明需用直流供電，對通用的交流供電系統要采用專門的驅動電源，進行AC－DC轉換后再給LED照明供電。因此，對于大型的樓宇太陽能LED照明應用，如采用常規的交流供電系統，電能需經過兩次轉換，勢必造成電能的轉換損耗過大，系統整體效率降低和成本增加等問題。

為此，文章研究設計了一套新型的基于直流母線供電的LED教室照明系統。系統直接利用太陽能光伏發出的直流電源，無需二次轉換，大大減少了電能轉換損耗，降低了系統成本，提高了系統的效率和能源利用率，特別適合樓宇太陽能供電的照明系統應用，具有極大的推廣價值。

1 系統組成及原理

常見的獨立式光伏供電系統由太陽能電池陣列、充放電控制器、儲能系統和AC/DC逆變器等組成，通過交流母線向負載供電，如圖1所示。

圖1 常見光伏供電系統組成框圖

LED照明負載的應用要經過專用的驅動電源，常用兩級式的LED驅動電源構成如圖1中虛線框所示。

采用基于直流母線供電的LED教室照明系統如圖2所示，系統主要由直流電源模塊(屋頂光伏陣列、充放電控制器、蓄電池儲能和市電互補)、直流母線、恒流變換器和LED光源模塊組成。直流電源模塊提供直流電能，在光伏供電系統采用鉛酸蓄電池組儲能，將屋頂光伏陣列光電轉換的直流電能經充放電控制器給蓄電池進行充電蓄能，蓄電池的電能經直流母線供給照明負載。在太陽能光伏電能不足時，可通過市電互補給蓄電池補充電能，確保照明供電的連續可靠性。

圖2 直流母線供電的照明系統組成圖

采用直流母線直接供電的LED教室照明系統，只需簡單的DC/DC恒流變換器就可以供LED負載應用。較之常規的交流系統既可以有效減少電能轉換環節、降低系統成本、提高系統整體效率和電能利用率，又可以增強系統供電的可靠性。對于老的照明工程節能化改造項目工程，在系統設計布線時可以直接利用已有的交流布線，替換簡單直接，適合太陽能直流供電的樓宇照明等工程的推廣應用。

2 系統設計

直流母線供電的LED教室照明系統的原理組成如圖3所示。每個教室采用獨立的控制器，各控制器可以通過無線進行組網控制。

圖3 直流母線供電的教室照明整體系統原理圖

單個教室的系統組成如圖4所示，主要分為驅動電源設計和控制系統開發兩部分。驅動電源主要為直流母線到LED日光燈的DC/DC變換模塊，根據LED日光燈的電特性，輸出穩定的恒流驅動電源。控制系統主要實現對教室所有LED日光燈的控制以及通過無線聯網組成教室遠程智能節能控制系統，系統可以根據需要應用于多種工作模式下。

圖4 直流母線供電的LED教室照明系統原理圖

2．1 DC/DC恒流驅動設計

為達到理想的控制和恒流驅動效果，恒流驅動模塊采用美國國家半導體公司(NSC)生產的降壓型LED驅動芯片LM3402HV進行設計，其應用電路圖如圖5所示。輸入電壓為直流母線電壓48 V，輸出320 mA恒流，電壓30～38 V，驅動1．2 m的LED日光燈管。驅動電路的控制端接控制器的IO控制輸出信號，可以通過控制系統對其按需進行通斷控制。此電路在需要調光的場合，可以通過DIM管腳輸入PWM信號進行調光控制，使用靈活方便。

圖5 恒流驅動電路原理圖

2．2 控制器系統設計

控制器系統以Microchip的采用nanoWatt XLP技術的PIC16F1519［8］單片機為控制核心，控制器系統的原理組成框圖如圖6所示。

圖6 控制器系統組成框圖

控制器系統主要由主控制芯片PIC16F1519單片機模塊、人機接口模塊(按鍵輸入/LED指示輸出)、人體感應檢測模塊(LHI778+CS9803GP檢測電路)、光照強度檢測模塊(光敏電阻檢測電路)、輸出反饋檢測模塊(恒流檢測電路)、通信模塊(遠程通信電路)、RTC和存儲模塊(時鐘/外部存儲電路)，以及輸出控制模塊(通斷控制信號輸出)組成。其中，人機接口模塊主要完成按鍵的輸入，可以設定控制器系統的工作模式、控制器地址和控制方式等，LED指示輸出用于顯示設置參數和控制器的工作狀態信息。人體感應檢測模塊和光照度檢測模塊主要是控制器系統工作在自動控制模式下，檢測教室是否需要開啟LED燈具照明，在光照度很強的情況下，所有燈具全部關閉。每兩盞LED日光燈具間設置一套人機檢測電路，當在夜晚檢測到有人需要照明時，才打開相鄰的兩盞燈具，最大限度的節能。人體檢測由 LHI778+CS9803GP電路組成，其電路原理如圖7所示。系統在檢測到燈具照明范圍內連續10分鐘(延時時間可設定更改)無人的情況下，關閉燈具。如檢測到有人需要照明時，立即打開燈具。

輸出反饋模塊主要用于檢測恒流輸出值，作為系統的反饋信號。遠程通信模塊，主要實現控制器系統與上位機系統的遠程通信功能，實現信息的收發。RTC和存儲模塊，主要提供控制器系統的時鐘信息和保存事件記錄數據。輸出控制模塊，主要根據控制器的綜合算法，發出對應的通斷控制信號，實現對各燈具的實時控制。

圖7 人體檢測電路原理圖

2．3 控制器系統軟件開發

控制器系統的控制功能均由軟件算法實現，控制器系統軟件采用C語言在MPLAB IDE環境下進行編寫。軟件采用模塊化設計思想，主要控制軟件模塊包括MCU配置和各模塊初始化、人機接口處理子程序、工作模式選擇單元、外部中斷處理單元、通信模塊、時鐘/存儲讀取模塊、數據采集處理模塊和通斷控制信號輸出模塊等。其軟件主程序流程如圖8所示，系統可分為手動控制、單機控制和遠程聯網控制三種工作模式，每種工作模式對應不同的控制算法。遠程控制模式，可與監控中心進行遠程調度并實時在線控制。

圖8 程序流程圖

3 系統測試實驗結果

對所設計的基于直流母線供電的LED教室照明系統進行實驗測試驗證，實驗母線電壓為DC48V，實驗燈具為1．2 m的12 W LED日光燈具24盞，對2間教室，分別進行了人工控制實驗、單機(單間教室自動)控制實驗和遠程連接實驗等。單機教室自動控制實驗的LED燈具自動控制和輸出電流波形記錄如圖9所示，從實驗波形可以看出控制器工作正常可靠，能根據實時環境變化，按設定的工作要求進行控制，達到了設計指標要求。

圖9 單機自動控制模式下的實驗波形

為進一步驗證所設計的直流供電系統工作效率，將所設計的系統與同樣功率和相同負載的DC－ACAC－DC的兩級變換LED教室照明系統進行對比實驗。實驗過程中開啟不同的燈具負載，測量系統的輸入功率和燈具的耗電功率，并計算不同的效率。記錄不同負載功率下的效率對比如表1所示。

表1 系統效率實驗對比數據表

從系統實驗對比數據可知，采用直流母線的供電方式，在不同負載下平均可以提高10%左右的系統整體效率，進一步驗證了直流供電系統在太陽能光伏發電LED照明系統應用中的優越性。在同等功率容量的情況下，采用直流供電系統，可以減少太陽能電池組件和儲能系統的容量，降低了系統的成本，提高了系統的利用率，更加節能高效。

4 小結

文章設計了一種基于直流母線供電的LED教室照明系統。系統針對太陽能光伏發電和LED照明結合的應用，采用直接的直流母線供電方式，省去采用交流供電方式的DC－AC和AC－DC兩級供電環節，改用單級的DC－DC供電方式，并結合智能控制器系統，進一步提高了系統的整體效率，降低了設計成本。對系統的組成和關鍵設備進行了詳細的設計，并通過實驗驗證了所設計系統的正確性和優越性，為建筑節能照明，特別是校園教室照明系統的開發，提供了一種很好的思路和解決方案，該系統具有極高的工程應用和市場推廣價值。

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