独立光伏LED照明系统研究与设计

黄克亚

(苏州大学阳澄湖校区，江苏苏州 215137)

1 引言

太阳能是一种巨大、无尽、清洁的绿色能源，半导体发光二极管 (LED)是一种环保、节能、高效的固态电光源。将太阳能技术和LED技术结合在一起，开发太阳能半导体照明，是最佳的节能、环保组合，是新一代能源和新一代光源的完美结合。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、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，需要对系统进行最大功率点跟踪;蓄电池是整个系统最脆弱的部件，为延长蓄电池的使用寿命，需要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的一定驱动电路才能保证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

独立光伏LED照明系统工作时，光伏电池阵列吸收光能并将其转化为电能，经蓄电池储存供LED照明负载使用。常规的光伏LED照明系统DC-DC变换电路和LED恒流驱动电路为两套相对独立的电路结构，系统存在结构复杂、可靠性低和效率低等缺点。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是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是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，为此本设计将Zeta/Speic双向变换电路引入到系统中来，其结构如图1所示。

图1 独立光伏LED照明系统结构图

充放电电路采用Zeta/Sepic双向变换器，一机双用，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，将电能通过Zeta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Sepic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［1］。

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，其由继电器开关S1、S2，功率开关管 Q1、Q2，电感 L1、L2及电容 C1组成。在不增加电力电子器件的情况下，通过增加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。

图2 Zeta/Sepic双向变换器应用电路

3 充电控制

3.1 特性分析

(1)光伏电池特性

光伏电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，其工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据光伏电池的工作原理，以及影响光伏电池工作效能的因素，我们可以用式 (1)来表示光伏电池的输出电流与输出电压的关系:

式中，I——光伏电池的输出电流 (A);

V——光伏电池的输出电压 (V);

q——一个电子所含的电荷量 (1.6×10－19C);

K——波尔兹曼常数 (1.38×10－23J/K);

T——光伏电池板表面温度 (K);

n——光伏电池的理想因数 (n=1－5);

I0——表示光伏电池的逆向饱和电流。

在Matlab中建立光伏电池数学模型，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的P-V曲线如图3所示。其中图3(a)标注为辐照度，单位为W/m2;图3(b)标注为阵列表面温度，单位为℃。由图3特性曲线可以看出光伏电池的输出功率是随其输出电压的不同而不断变化的，特定光照和温度条件下光伏发电系统存在单峰值最大功率点，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据。

图3 太阳能电池P-V特性曲线

(2)Zeta变换器

在充电工作模式，切换控制开关连接光伏电池电源，光伏电池通过充电通道向蓄电池充电，其电路拓扑结构是Zeta变换器，其等效电路如图4所示。

图4 充电工作模式等效电路

等效Zeta变换器的工作原理如图5所示，其中图5(a)为开关管Q1导通时等效电路，图5(b)为开关管Q1关断时等效电路图。若电路进入稳态，电流如图中箭头方向所示，主开关管Q1导通时，光伏电池经D1向L1储能，同时通过C1、L2向蓄电池供电;Q1关断时，L1通过D3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:

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。则Ui由Q1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。

图5 Zeta变换器工作过程等效图

(3)蓄电池

蓄电池作为独立光伏LED照明系统的储能元件，白天蓄电池将光伏电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜晚时，控制器启动LED驱动电路，LED光源开始照明，蓄电池释放电能。全天中，控制器的电源一直由蓄电池供给。目前光伏系统多采用阀控密封式铅酸 (Valve Regulated Lead Acid Battery，简称VRLA)蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。

3.2 充电算法

对于一个蓄电池，选择适当的充电方法不仅可提高充电效率，而且能够延长蓄电池的使用寿命。其中最理想的充电方式为三段式充电法，即恒流，恒压，浮充三个阶段充电。若将三段式充电法直接应用于光伏LED照明系统，最大的问题在于无法实现最大效率利用光伏电池的输出;蓄电池的最大可接收电流Imax一般很大，第一阶段的恒流充电亦无法实现。蓄电池智能充电策略必须最大限度提升光伏电池功率输出，同时最大程度延长蓄电池使用寿命。论文借鉴三段式充电法，同时结合光伏发电系统实际情况，给出一种有效的充电方法。

对于光伏LED照明系统来说，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，因而当检测到光伏电池满足供电条件，DC-DC转换电路开始工作时，蓄电池总为非满状态，此时蓄电池的端电压小于蓄电池的最大电压上限UM(U＜UM)，此时实施最大功率充电 (MPPT);当检测U=UM时，如果此时的充电电流大于阈值电流IC(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的状态决定的，光伏电池对蓄电池的充电流程如图6所示［2］，其中MPPT算法采用了电导增量法。

图6 蓄电池充电控制流程图

3.3 算法实现

(1)MPPT充电实现

选择电导增量法作为光伏LED照明系统的MPPT跟踪算法。电导增量法 (Incremental Conductance Algorithm)是根据光伏阵列P-V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

两边同时除以dU，可得

令dP/dU=0，可得

式5即为达到光伏阵列最大功率点所需满足的条件。这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向［3］，具体分析如下:(1)假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有dP/dU＞0即dI/dU＞－I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。(2)同理，假设当前的光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP/dU＜0，dI/dU＜－I/U，说明参考电压应向着减小的方向变化。(3)假设当前光伏阵列的工作点位于最大功率点处 (附近)，此时将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，也即光伏阵列工作在最大功率点上。

(2)恒压、浮充实现

由上述分析可知恒压充电和浮充充电均向蓄电池提供一个固定电压值，有两种实现方法，一是，如果系统精度要求不高，只要向Zeta电路提供一个固定的占空比即可，二是，如果系统精度要求很高，可以采用反馈方式来实现，即检测实际输出电压值与给定值进比较，再通过程序调整占空比使输出电压稳定为某一具体数值。为降低系统的复杂度，提高可靠性，本系统选择第一种实现方法。

4 放电设计

在放电工作模式下，切换控制开关连接LED照明负载，蓄电池向LED供电，其等效电路如图7所示，蓄电池通过Sepic变换器向LED负载供电。

图7 放电工作模式等效电路

Sepic变换器的工作方式如图8所示，电路工作于电流连流模式 (CMM)下，主开关管Q2导通时，蓄电池向L2储能，C1、L1回路导通，C2向LED负载供电;Q2关断时，蓄电池经L2、C1和D2后向LED负载供电，同时L2、C1、L1回路导通。

图8 Sepic变换器工作过程等效图

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。用Sepic变换器为主电路，以高亮LED驱动芯片HV9930为控制芯片的LED恒流驱动电路如图9所示［4］。HV9930是一款变频PWM控制芯片，该芯片使用滞回电流模式控制，在无需复杂辅助回路条件下能够产生快速的瞬间响应，特别适合铅酸蓄电池供电的LED驱动控制。尽管芯片的内部控制逻辑比较复杂，但是对于使用者来说十分方便，它的管脚少，通过合适地选取外围几个元件，就可以实现控制目标。

图9 LED负载恒流驱动电路

如图9所示，RCS1为采样电阻，电流变化时RCS1上的压降相应变化，RCS1、RS1和RREF1用来设置输入电流上下限值，芯片CS1引脚上的电位与它们的关系如式6所示。

由于CS1脚的电位在0～0.1V间变化，所以电流的变化量也被限制在一定的范围内，输出侧的控制方式与输入侧是相同的。可以看出，输出电流的大小与输入电压的大小没有直接联系，芯片可以在很宽的输入电压范围内保持输出电流的稳定。

5 实验调试

5.1 系统容量确定

系统各部分容量选取配合是系统设计的关键所在，需要综合考虑成本、效率和可靠性，并留有一定的裕量。

(1)太阳能电池型号

太阳能电池选择的Solar HQ70P-90W电池板，在标准测试条件下 (辐照度 1000W/m2，温度25℃)其基本参数:最大功率Pm=90.0W、最佳工作电压Um=17.2V、最佳工作电流Im=5.23A、开路电压Uoc=21.6V、短路电流Isc=5.81A。

(2)LED光源类型

光伏LED照明系统光源为高性价比的额定功率为1W，额定电流为300mA的白光LED 36只，采有6串6并混连方式进行连接，恒流方式进行驱动。

(3)蓄电池容量

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。蓄电池容量计算如式7所示［5］:

式中，Bc——蓄电池容量;

A——安全系数，一般为1.2～1.4;

Q1——日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数;

T0——温度系数，一般0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2;

Cc——放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。此处蓄电池额定电压为12V，设计容量当连续4天阴雨仍可工作，考虑到上一次放电后夜间未能充电，所以N1=6，计算如式 (8)所示，结果为246.4 AH，取250AH。

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。充电电路着重研究8∶30～17∶30时的实验数据，对典型测试时刻系统所采用的充电方式进行记录如表1所示，蓄电池的初始荷电状态 (SOC)为70%。由表1可以看出，充电控制器能够依照图6给出的控制流程根据蓄电池所处工作状态在MPPT充电，恒压充电，浮充三种工作方式之间切换。既充分地利用了太阳能，又有利于延长蓄电池使用寿命。

表1 典型测试时刻充电方式记录表

采用MPPT算法充电可以提高光伏电池的利用率，MPPT充电算法和恒压充电算法数据对比如表2所示，表中列出整点时刻数据，实为一段时间内的平均值。由于蓄电池两端电压基本相同，所以表中只列出两种算法充电电流。数据显示采用MPPT算法充电较采用恒压充电光伏电池的利用率平均提高了15.85%。

表2 MPPT算法与恒压算法充电电流对比

光伏LED恒流驱动电路设计目标是当蓄电池端电压或环境温度变化时流过LED支路的电流恒定。实验测试表明，当蓄电池端电压升高或是降低时，通过示波器观察流过LED的支路电流近似为一条直线，几乎看不出纹波的存在。进一步测试表明，当环境温度改变时输出电流也无明显改变，表明所设计驱动电路恒流效果好，抗干扰能力强。

6 结束语

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结构复杂、可靠性低和效率不高等问题，设计一种基于Zeta/Sepic双向变换器的独立光伏LED照明系统。为有效利用太阳能并尽可能地延长蓄电池使用寿命，提出一种充电控制算法，该算法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LED恒流驱动电路，其采用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。根据光伏电池和LED负载容量，计算确定蓄电池容量，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，对比MPPT充电和恒压充电其充电效率提高约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。

［1］汪义旺，张波，曹丰文等．光伏LED照明系统中双向变换器研究 ［J］．电力电子技术，2011，45(9):82～84．

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