基于雙向變換技術的光伏LED照明系統(tǒng)設計

摘要：研究了基于Zeta／Sepic雙向變換器的光伏半導體發(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；設計一種基于HV9930控制芯片的LED恒流驅動電路。構建實驗系統(tǒng)，測試表明，控制器可以根據蓄電池狀態(tài)準確地在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驅動電路恒流效果好。
關鍵詞：發(fā)光二極管照明；變換器；充電控制；恒流驅動

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照明設備、充電電路、LED驅動電路和控制器組成。光伏電池板是整個系統(tǒng)最昂貴的部件，為有效利用太陽能，需對系統(tǒng)進行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一定的驅動電路才能保證LED照明設備可靠穩(wěn)定地工作；以上所有控制功能均由控制器實現。

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恒流驅動電路為兩個相對獨立的電路結構，系統(tǒng)存在結構復雜、可靠性差和效率低等缺點。這兩部分電路原理和結構十分相似，同時光伏LED照明系統(tǒng)充電和放電不會同時進行，若將雙向變換器引入系統(tǒng)，可簡化電路結構，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。此處設計一種基于Zeta／Sepic雙向變換器的獨立光伏LED照明系統(tǒng)，其結構如圖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負載間靈活地切換。在充電模式下，系統(tǒng)將轉換開關切換到光伏電池，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，轉換開關切換到LED照明負載，蓄電池電能通過雙向變換器向負載供電，變換器主要完成放電管理和LED恒流驅動。

    Zeta／Sepic雙向變換器及其在光伏LED照明系統(tǒng)中的應用電路如圖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S1，S2，使電路結構更適合于光伏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(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，電路拓撲結構是Zeta變換器。若電路進入穩(wěn)態(tài)，VQ1導通時，光伏電池經VD1向L1儲能，同時通過C1，L2向蓄電池供電；VQ1關斷時，L1通過VD3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：Uo=DUi／(1-D)。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U，則Ui由VQ1的占空比D確定，調節(jié)D就能找到光伏電池陣列最大功率點(MPP)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。
3．2 充電算法
    對于一個蓄電池，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載供電并且控制電路始終由蓄電池供電，當檢測到太陽能電池滿足供電條件，DC／DC轉換電路開始工作時，蓄電池總為非滿狀態(tài)，此時U小于蓄電池的最大電壓上限UM，即U<UM，此時實施最大功率充電(MPPT)；當檢測U=UM時，若充電電流I大于等于閾值電流I，即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狀態(tài)決定的，MPPT算法采用了電導增量法。
3．3 算法實現
3．3．1 MPPT充電實現
    電導增量法是根據光伏陣列P-U曲線為一條一階連續(xù)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：dP=IdU+UdI，兩邊同時除以dU，并令dP／dU=0，可得：dI／dU=-I／U，此式即為達到光伏陣列MPP所需滿足的條件。該方法是通過比較輸出電導變化量和瞬時電導值的大小來決定參考電壓變化的方向。電導增量法流程圖如圖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條件在實際使用中經常用一個小的閾值來代替為零的條件。

3．3．2 恒壓、浮充實現
    由上述分析可知，CV和VF均向蓄電池提供一個固定電壓值，實現方法有兩種：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現。為降低系統(tǒng)的復雜度，提高可靠性，在此選擇第一種實現方法。

4 放電設計
    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負載供電。電路工作于電流連續(xù)模式(CCM)下，VQ2導通時，蓄電池向L2儲能，C1，L1回路導通，C2向LED負載供電；VQ2關斷時，蓄電池經L2，C1和VD2后向LED負載供電，同時L2，C1，L1回路導通。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)控制實現LED照明負載的恒流驅動。采用高亮LED驅動芯片HV9930作為控制芯片LED恒流驅動電路。

5 實驗調試
5．1 系統(tǒng)容量
    太陽能電池采用Solar HQ070P-90W電池板，在標準測試條件下(輻照度1 kW／m2，溫度25℃)，其基本參數為：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個高性價比的額定功率為1 W，額定電流為300 mA的白光LED，采用6串6并混聯(lián)方式進行連接，以恒流方式進行驅動。LED照明系統(tǒng)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(huán)，壽命越長，但成本也相對較高，實際安裝時酌情選擇。此處蓄電池額定電壓為12 V，設計容量為當連續(xù)4天陰雨時仍可工作，選取適當參數進行計算并留有一定裕量，蓄電池容量最終選擇250 Ah。
5．2 實驗數據
    使用上述計算參數，選擇ATMEGA16作為系統(tǒng)控制核心，構建實驗系統(tǒng)，以光照較強的一整天為測試對象，實驗波形如圖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LED驅動電路電流波形。

    對典型測試時刻，系統(tǒng)采用的充電方式分別為：9：00～15：00時刻，充電方式均為MPPT；16：00時刻，充電方式為CV；17：00時刻，充電方式為VF，蓄電池初始荷電狀態(tài)SOC為70％。MPPT算法和CV算法數據對比如表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，且列出的整點時刻數據實為一段時間內的平均值。數據顯示，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恒流驅動電路設計目標是當U或環(huán)境溫度變化時流過LED支路的電流恒定。由圖4可見，當U下降時，流過LED的支路電流近似為一條直線，幾乎沒有紋波存在。進一步測試表明，當U升高或環(huán)境溫度改變時輸出電流均無明顯變化，表明所設計驅動電路恒流效果好。

6 結論
    針對傳統(tǒng)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問題，設計了一種基于Zeta／Sepic雙向變換器的獨立光伏LED照明系統(tǒng)。提出一種充電控制算法，既能實現太陽能電池的MPPT，又能滿足蓄電池電壓限制條件和浮充特性。設計了一種LED恒流驅動電路，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(wěn)定工作。根據計算參數，構建實驗系統(tǒng)。測試表明，充電控制器可以根據蓄電池狀態(tài)準確地在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驅動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?，所設計的光伏LED照明系統(tǒng)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(wěn)定工作。