基于雙向變換技術(shù)的光伏LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：研究了基于Zeta／Sepic雙向變換器的光伏半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)照明系統(tǒng)，提出一種充電控制算法，其既能實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)又能滿足蓄電池電壓限制條件和浮充特性；設(shè)計(jì)一種基于HV9930控制芯片的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測試表明，控制器可以根據(jù)蓄電池狀態(tài)準(zhǔn)確地在MPPT、恒壓、浮充算法之間切換，MPPT充電效率較恒壓充電顯著提升，LED驅(qū)動(dòng)電路恒流效果好。
關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管照明；變換器；充電控制；恒流驅(qū)動(dòng)

1 引言
    太陽能是一種巨大、無盡、清潔的綠色能源，LED也是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的固態(tài)電光源，將體照明，是最佳的節(jié)能、環(huán)保組合。獨(dú)立光伏LED照明系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、蓄電池、LED照明設(shè)備、充電電路、LED驅(qū)動(dòng)電路和控制器組成。光伏電池板是整個(gè)系統(tǒng)最昂貴的部件，為有效利用太陽能，需對系統(tǒng)進(jìn)行MPPT；蓄電池是系統(tǒng)最脆弱的部件，為延長蓄電池使用壽命，需根據(jù)蓄電池特性對蓄電池進(jìn)行充電和放電；蓄電池輸出需要采用一定的驅(qū)動(dòng)電路才能保證LED照明設(shè)備可靠穩(wěn)定地工作；以上所有控制功能均由控制器實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)組成
    常規(guī)的光伏LED照明系統(tǒng)DC／DC變換電路和LED恒流驅(qū)動(dòng)電路為兩個(gè)相對獨(dú)立的電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差和效率低等缺點(diǎn)。這兩部分電路原理和結(jié)構(gòu)十分相似，同時(shí)光伏LED照明系統(tǒng)充電和放電不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，若將雙向變換器引入系統(tǒng)，可簡化電路結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率。但若采用單一升壓或降壓功能的雙向變換器，會(huì)降低系統(tǒng)的適用范圍及靈活性，特別是在輻照度減弱或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。此處設(shè)計(jì)一種基于Zeta／Sepic雙向變換器的獨(dú)立光伏LED照明系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。充放電電路采用雙向Zeta／Sepic變換器，通過控制器可在光伏電池和LED負(fù)載間靈活地切換。在充電模式下，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到光伏電池，電能通過雙向變換器向蓄電池充電，變換器主要完成光伏發(fā)電MPPT控制及蓄電池充電管理；在放電模式下，轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到LED照明負(fù)載，蓄電池電能通過雙向變換器向負(fù)載供電，變換器主要完成放電管理和LED恒流驅(qū)動(dòng)。

    Zeta／Sepic雙向變換器及其在光伏LED照明系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖2所示。在不增加電力電子器件的情況下，通過增加繼電器開關(guān)S1，S2，使電路結(jié)構(gòu)更適合于光伏LED照明系統(tǒng)。S1主要完成光伏電池與LED照明負(fù)載間的切換控制；S2主要起隔離保護(hù)作用，當(dāng)主電路故障或蓄電池異常時(shí)，快速切斷蓄電池與主電路的連接，增加了系統(tǒng)的可靠性及靈活性。

3 充電控制
3．1 充電電路
    在充電工作模式，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Zeta變換器。若電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，VQ1導(dǎo)通時(shí)，光伏電池經(jīng)VD1向L1儲(chǔ)能，同時(shí)通過C1，L2向蓄電池供電；VQ1關(guān)斷時(shí)，L1通過VD3向C1充電，同時(shí)L2向蓄電池供電。Zeta變換器輸入、輸出電壓關(guān)系為：Uo=DUi／(1-D)。由于Zeta變換器的負(fù)載為蓄電池，Uo的值將被箝位于蓄電池兩端的電壓U，則Ui由VQ1的占空比D確定，調(diào)節(jié)D就能找到光伏電池陣列最大功率點(diǎn)(MPP)的電壓值Um和電流值Im。此時(shí)光伏電池以最大功率對蓄電池進(jìn)行充電。
3．2 充電算法
    對于一個(gè)蓄電池，最理想的充電方式為三段式充電法，即恒流、恒壓、浮充。對于光伏LED照明系統(tǒng)而言，晚上蓄電池對照明負(fù)載供電并且控制電路始終由蓄電池供電，當(dāng)檢測到太陽能電池滿足供電條件，DC／DC轉(zhuǎn)換電路開始工作時(shí)，蓄電池總為非滿狀態(tài)，此時(shí)U小于蓄電池的最大電壓上限UM，即U<UM，此時(shí)實(shí)施最大功率充電(MPPT)；當(dāng)檢測U=UM時(shí)，若充電電流I大于等于閾值電流I，即I≥Ic，則對蓄電池進(jìn)行恒壓充電(CV)；若I<Ic，則轉(zhuǎn)換為浮充充電(VF)?？傊?，采用何種充電方式是由蓄電池的充電條件和當(dāng)前狀態(tài)決定的，MPPT算法采用了電導(dǎo)增量法。
3．3 算法實(shí)現(xiàn)
3．3．1 MPPT充電實(shí)現(xiàn)
    電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏陣列P-U曲線為一條一階連續(xù)可導(dǎo)的單峰曲線的特點(diǎn)，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對P=UI求全導(dǎo)數(shù)，可得：dP=IdU+UdI，兩邊同時(shí)除以dU，并令dP／dU=0，可得：dI／dU=-I／U，此式即為達(dá)到光伏陣列MPP所需滿足的條件。該方法是通過比較輸出電導(dǎo)變化量和瞬時(shí)電導(dǎo)值的大小來決定參考電壓變化的方向。電導(dǎo)增量法流程圖如圖3所示。Un，In為此次采樣值，Un-1，In-1為上次采樣值，dU=0，dI=0條件在實(shí)際使用中經(jīng)常用一個(gè)小的閾值來代替為零的條件。

3．3．2 恒壓、浮充實(shí)現(xiàn)
    由上述分析可知，CV和VF均向蓄電池提供一個(gè)固定電壓值，實(shí)現(xiàn)方法有兩種：①若系統(tǒng)精度要求不高，則只要向Zeta電路提供一個(gè)固定的占空比即可；②若系統(tǒng)精度要求很高，則可采用反饋方式來實(shí)現(xiàn)。為降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高可靠性，在此選擇第一種實(shí)現(xiàn)方法。

4 放電設(shè)計(jì)
    在放電工作模式下，蓄電池向LED供電，蓄電池通過Sepic變換器向LED負(fù)載供電。電路工作于電流連續(xù)模式(CCM)下，VQ2導(dǎo)通時(shí)，蓄電池向L2儲(chǔ)能，C1，L1回路導(dǎo)通，C2向LED負(fù)載供電；VQ2關(guān)斷時(shí)，蓄電池經(jīng)L2，C1和VD2后向LED負(fù)載供電，同時(shí)L2，C1，L1回路導(dǎo)通。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(huán)控制實(shí)現(xiàn)LED照明負(fù)載的恒流驅(qū)動(dòng)。采用高亮LED驅(qū)動(dòng)芯片HV9930作為控制芯片LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。

5 實(shí)驗(yàn)調(diào)試
5．1 系統(tǒng)容量
    太陽能電池采用Solar HQ070P-90W電池板，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(輻照度1 kW／m2，溫度25℃)，其基本參數(shù)為：最大功率Pm=90 W，Um= 17．2 V，Im=5．23 A，開路電壓Uoc=21．6 V，短路電流Isc=5．81 A。光伏LED照明系統(tǒng)光源為36個(gè)高性價(jià)比的額定功率為1 W，額定電流為300 mA的白光LED，采用6串6并混聯(lián)方式進(jìn)行連接，以恒流方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。LED照明系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置選擇閥控密封式鉛酸蓄電池，設(shè)計(jì)容量越大，工作越處于淺循環(huán)，壽命越長，但成本也相對較高，實(shí)際安裝時(shí)酌情選擇。此處蓄電池額定電壓為12 V，設(shè)計(jì)容量為當(dāng)連續(xù)4天陰雨時(shí)仍可工作，選取適當(dāng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并留有一定裕量，蓄電池容量最終選擇250 Ah。
5．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    使用上述計(jì)算參數(shù)，選擇ATMEGA16作為系統(tǒng)控制核心，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以光照較強(qiáng)的一整天為測試對象，實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。圖4a為在MPPT算法充電工作模式下，光照突變時(shí)光伏電池輸出電壓和電流波形，圖4b為在放電工作模式下，蓄電池電壓下降時(shí)LED驅(qū)動(dòng)電路電流波形。

    對典型測試時(shí)刻，系統(tǒng)采用的充電方式分別為：9：00～15：00時(shí)刻，充電方式均為MPPT；16：00時(shí)刻，充電方式為CV；17：00時(shí)刻，充電方式為VF，蓄電池初始荷電狀態(tài)SOC為70％。MPPT算法和CV算法數(shù)據(jù)對比如表1所示。由于U基本相同，所以表中僅列出兩種算法充電電流，且列出的整點(diǎn)時(shí)刻數(shù)據(jù)實(shí)為一段時(shí)間內(nèi)的平均值。數(shù)據(jù)顯示，采用MPPT算法充電較采用CV算法太陽能電池的利用率平均提高了15．85％。

    光伏LED恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)目標(biāo)是當(dāng)U或環(huán)境溫度變化時(shí)流過LED支路的電流恒定。由圖4可見，當(dāng)U下降時(shí)，流過LED的支路電流近似為一條直線，幾乎沒有紋波存在。進(jìn)一步測試表明，當(dāng)U升高或環(huán)境溫度改變時(shí)輸出電流均無明顯變化，表明所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路恒流效果好。

6 結(jié)論
    針對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中將蓄電池充電電路和LED驅(qū)動(dòng)電路分開設(shè)置所帶來的問題，設(shè)計(jì)了一種基于Zeta／Sepic雙向變換器的獨(dú)立光伏LED照明系統(tǒng)。提出一種充電控制算法，既能實(shí)現(xiàn)太陽能電池的MPPT，又能滿足蓄電池電壓限制條件和浮充特性。設(shè)計(jì)了一種LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，采用Sepic變換器為主電路，以高亮LED驅(qū)動(dòng)芯片HV9930為控制芯片，用以保證LED照明設(shè)備可靠穩(wěn)定工作。根據(jù)計(jì)算參數(shù)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。測試表明，充電控制器可以根據(jù)蓄電池狀態(tài)準(zhǔn)確地在MPPT、恒壓、浮充算法之間切換，MPPT充電比恒壓充電的充電效率提高約16％。LED驅(qū)動(dòng)電路能夠克服蓄電池電壓和環(huán)境溫度的變化，保持輸出電流恒定?？傊?，所設(shè)計(jì)的光伏LED照明系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)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(wěn)定工作。