基于双向变换技术的光伏LED照明系统设计

摘要：研究了基于Zeta／Sepic双向变换器的光伏半导体发光二极管(LED)照明系统，提出一种充电控制算法，其既能实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)又能满足蓄电池电压限制条件和浮充特性；设计一种基于HV9930控制芯片的LED恒流驱动电路。构建实验系统，测试表明，控制器可以根据蓄电池状态准确地在MPPT、恒压、浮充算法之间切换，MPPT充电效率较恒压充电显著提升，LED驱动电路恒流效果好。
关键词：发光二极管照明；变换器；充电控制；恒流驱动

1 引言
    太阳能是一种巨大、无尽、清洁的绿色能源，LED也是一种环保、节能、高效的固态电光源，将体照明，是最佳的节能、环保组合。独立光伏LED照明系统主要由光伏电池阵列、蓄电池、LED照明设备、充电电路、LED驱动电路和控制器组成。光伏电池板是整个系统最昂贵的部件，为有效利用太阳能，需对系统进行MPPT；蓄电池是系统最脆弱的部件，为延长蓄电池使用寿命，需根据蓄电池特性对蓄电池进行充电和放电；蓄电池输出需要采用一定的驱动电路才能保证LED照明设备可靠稳定地工作；以上所有控制功能均由控制器实现。

2 系统组成
    常规的光伏LED照明系统DC／DC变换电路和LED恒流驱动电路为两个相对独立的电路结构，系统存在结构复杂、可靠性差和效率低等缺点。这两部分电路原理和结构十分相似，同时光伏LED照明系统充电和放电不会同时进行，若将双向变换器引入系统，可简化电路结构，改善系统性能，提高系统效率。但若采用单一升压或降压功能的双向变换器，会降低系统的适用范围及灵活性，特别是在辐照度减弱或蓄电池电能降低的情况下，不能很好地满足LED照明电路的工作。此处设计一种基于Zeta／Sepic双向变换器的独立光伏LED照明系统，其结构如图1所示。充放电电路采用双向Zeta／Sepic变换器，通过控制器可在光伏电池和LED负载间灵活地切换。在充电模式下，系统将转换开关切换到光伏电池，电能通过双向变换器向蓄电池充电，变换器主要完成光伏发电MPPT控制及蓄电池充电管理；在放电模式下，转换开关切换到LED照明负载，蓄电池电能通过双向变换器向负载供电，变换器主要完成放电管理和LED恒流驱动。

    Zeta／Sepic双向变换器及其在光伏LED照明系统中的应用电路如图2所示。在不增加电力电子器件的情况下，通过增加继电器开关S1，S2，使电路结构更适合于光伏LED照明系统。S1主要完成光伏电池与LED照明负载间的切换控制；S2主要起隔离保护作用，当主电路故障或蓄电池异常时，快速切断蓄电池与主电路的连接，增加了系统的可靠性及灵活性。

3 充电控制
3．1 充电电路
    在充电工作模式，电路拓扑结构是Zeta变换器。若电路进入稳态，VQ1导通时，光伏电池经VD1向L1储能，同时通过C1，L2向蓄电池供电；VQ1关断时，L1通过VD3向C1充电，同时L2向蓄电池供电。Zeta变换器输入、输出电压关系为：Uo=DUi／(1-D)。由于Zeta变换器的负载为蓄电池，Uo的值将被箝位于蓄电池两端的电压U，则Ui由VQ1的占空比D确定，调节D就能找到光伏电池阵列最大功率点(MPP)的电压值Um和电流值Im。此时光伏电池以最大功率对蓄电池进行充电。
3．2 充电算法
    对于一个蓄电池，最理想的充电方式为三段式充电法，即恒流、恒压、浮充。对于光伏LED照明系统而言，晚上蓄电池对照明负载供电并且控制电路始终由蓄电池供电，当检测到太阳能电池满足供电条件，DC／DC转换电路开始工作时，蓄电池总为非满状态，此时U小于蓄电池的最大电压上限UM，即U<UM，此时实施最大功率充电(MPPT)；当检测U=UM时，若充电电流I大于等于阈值电流I，即I≥Ic，则对蓄电池进行恒压充电(CV)；若I<Ic，则转换为浮充充电(VF)。总之，采用何种充电方式是由蓄电池的充电条件和当前状态决定的，MPPT算法采用了电导增量法。
3．3 算法实现
3．3．1 MPPT充电实现
    电导增量法是根据光伏阵列P-U曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对P=UI求全导数，可得：dP=IdU+UdI，两边同时除以dU，并令dP／dU=0，可得：dI／dU=-I／U，此式即为达到光伏阵列MPP所需满足的条件。该方法是通过比较输出电导变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向。电导增量法流程图如图3所示。Un，In为此次采样值，Un-1，In-1为上次采样值，dU=0，dI=0条件在实际使用中经常用一个小的阈值来代替为零的条件。

3．3．2 恒压、浮充实现
    由上述分析可知，CV和VF均向蓄电池提供一个固定电压值，实现方法有两种：①若系统精度要求不高，则只要向Zeta电路提供一个固定的占空比即可；②若系统精度要求很高，则可采用反馈方式来实现。为降低系统的复杂度，提高可靠性，在此选择第一种实现方法。

4 放电设计
    在放电工作模式下，蓄电池向LED供电，蓄电池通过Sepic变换器向LED负载供电。电路工作于电流连续模式(CCM)下，VQ2导通时，蓄电池向L2储能，C1，L1回路导通，C2向LED负载供电；VQ2关断时，蓄电池经L2，C1和VD2后向LED负载供电，同时L2，C1，L1回路导通。由于LED特性曲线的非线性和对温度的敏感性，必须用恒流源为其供电，基于Sepic变换器采用电流闭环控制实现LED照明负载的恒流驱动。采用高亮LED驱动芯片HV9930作为控制芯片LED恒流驱动电路。

5 实验调试
5．1 系统容量
    太阳能电池采用Solar HQ070P-90W电池板，在标准测试条件下(辐照度1 kW／m2，温度25℃)，其基本参数为：最大功率Pm=90 W，Um= 17．2 V，Im=5．23 A，开路电压Uoc=21．6 V，短路电流Isc=5．81 A。光伏LED照明系统光源为36个高性价比的额定功率为1 W，额定电流为300 mA的白光LED，采用6串6并混联方式进行连接，以恒流方式进行驱动。LED照明系统储能装置选择阀控密封式铅酸蓄电池，设计容量越大，工作越处于浅循环，寿命越长，但成本也相对较高，实际安装时酌情选择。此处蓄电池额定电压为12 V，设计容量为当连续4天阴雨时仍可工作，选取适当参数进行计算并留有一定裕量，蓄电池容量最终选择250 Ah。
5．2 实验数据
    使用上述计算参数，选择ATMEGA16作为系统控制核心，构建实验系统，以光照较强的一整天为测试对象，实验波形如图4所示。图4a为在MPPT算法充电工作模式下，光照突变时光伏电池输出电压和电流波形，图4b为在放电工作模式下，蓄电池电压下降时LED驱动电路电流波形。

    对典型测试时刻，系统采用的充电方式分别为：9：00～15：00时刻，充电方式均为MPPT；16：00时刻，充电方式为CV；17：00时刻，充电方式为VF，蓄电池初始荷电状态SOC为70％。MPPT算法和CV算法数据对比如表1所示。由于U基本相同，所以表中仅列出两种算法充电电流，且列出的整点时刻数据实为一段时间内的平均值。数据显示，采用MPPT算法充电较采用CV算法太阳能电池的利用率平均提高了15．85％。

    光伏LED恒流驱动电路设计目标是当U或环境温度变化时流过LED支路的电流恒定。由图4可见，当U下降时，流过LED的支路电流近似为一条直线，几乎没有纹波存在。进一步测试表明，当U升高或环境温度改变时输出电流均无明显变化，表明所设计驱动电路恒流效果好。

6 结论
    针对传统设计中将蓄电池充电电路和LED驱动电路分开设置所带来的问题，设计了一种基于Zeta／Sepic双向变换器的独立光伏LED照明系统。提出一种充电控制算法，既能实现太阳能电池的MPPT，又能满足蓄电池电压限制条件和浮充特性。设计了一种LED恒流驱动电路，采用Sepic变换器为主电路，以高亮LED驱动芯片HV9930为控制芯片，用以保证LED照明设备可靠稳定工作。根据计算参数，构建实验系统。测试表明，充电控制器可以根据蓄电池状态准确地在MPPT、恒压、浮充算法之间切换，MPPT充电比恒压充电的充电效率提高约16％。LED驱动电路能够克服蓄电池电压和环境温度的变化，保持输出电流恒定。总之，所设计的光伏LED照明系统控制器实现了太阳能的有效利用，延长了蓄电池的使用寿命，保证了LED可靠稳定工作。