直流母线供电的LED教室照明系统设计

汪义旺，张 波，林 燕

(1．苏州市职业大学电子信息工程学院，苏州215104;2．江苏省光伏发电工程技术研究开发中心，苏州215104;3．苏州斯派特光电技术有限公司，苏州215104)

0 引言

太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其取之不尽、用之不竭、无污染、不受地域资源限制、方便与建筑物结构相结合等特点，在城市照明及大型建筑照明等很多领域得到了广泛的应用。LED被称为第四代照明光源，具有节能、环保、寿命长、低压驱动、易于实现控制等特点，广泛地应用于指示、显示、照明等领域，如教室照明。将太阳能光伏发电系统与LED照明技术相结合，开发绿色照明系统，对节约能源、低碳发展、推广新型绿色节能照明等都具有重要意义。

太阳能光伏发电系统可分为独立发电(离网)和并网发电两种，楼宇照明系统常采用独立的光伏供电系统。而目前市场上常见太阳能光伏独立发电的离网系统均采用带逆变器的DC－AC转换系统，即将光伏发电的直流电能转换成通用的交流电能再供负载使用。同时，LED照明需用直流供电，对通用的交流供电系统要采用专门的驱动电源，进行AC－DC转换后再给LED照明供电。因此，对于大型的楼宇太阳能LED照明应用，如采用常规的交流供电系统，电能需经过两次转换，势必造成电能的转换损耗过大，系统整体效率降低和成本增加等问题。

为此，文章研究设计了一套新型的基于直流母线供电的LED教室照明系统。系统直接利用太阳能光伏发出的直流电源，无需二次转换，大大减少了电能转换损耗，降低了系统成本，提高了系统的效率和能源利用率，特别适合楼宇太阳能供电的照明系统应用，具有极大的推广价值。

1 系统组成及原理

常见的独立式光伏供电系统由太阳能电池阵列、充放电控制器、储能系统和AC/DC逆变器等组成，通过交流母线向负载供电，如图1所示。

图1 常见光伏供电系统组成框图

LED照明负载的应用要经过专用的驱动电源，常用两级式的LED驱动电源构成如图1中虚线框所示。

采用基于直流母线供电的LED教室照明系统如图2所示，系统主要由直流电源模块(屋顶光伏阵列、充放电控制器、蓄电池储能和市电互补)、直流母线、恒流变换器和LED光源模块组成。直流电源模块提供直流电能，在光伏供电系统采用铅酸蓄电池组储能，将屋顶光伏阵列光电转换的直流电能经充放电控制器给蓄电池进行充电蓄能，蓄电池的电能经直流母线供给照明负载。在太阳能光伏电能不足时，可通过市电互补给蓄电池补充电能，确保照明供电的连续可靠性。

图2 直流母线供电的照明系统组成图

采用直流母线直接供电的LED教室照明系统，只需简单的DC/DC恒流变换器就可以供LED负载应用。较之常规的交流系统既可以有效减少电能转换环节、降低系统成本、提高系统整体效率和电能利用率，又可以增强系统供电的可靠性。对于老的照明工程节能化改造项目工程，在系统设计布线时可以直接利用已有的交流布线，替换简单直接，适合太阳能直流供电的楼宇照明等工程的推广应用。

2 系统设计

直流母线供电的LED教室照明系统的原理组成如图3所示。每个教室采用独立的控制器，各控制器可以通过无线进行组网控制。

图3 直流母线供电的教室照明整体系统原理图

单个教室的系统组成如图4所示，主要分为驱动电源设计和控制系统开发两部分。驱动电源主要为直流母线到LED日光灯的DC/DC变换模块，根据LED日光灯的电特性，输出稳定的恒流驱动电源。控制系统主要实现对教室所有LED日光灯的控制以及通过无线联网组成教室远程智能节能控制系统，系统可以根据需要应用于多种工作模式下。

图4 直流母线供电的LED教室照明系统原理图

2．1 DC/DC恒流驱动设计

为达到理想的控制和恒流驱动效果，恒流驱动模块采用美国国家半导体公司(NSC)生产的降压型LED驱动芯片LM3402HV进行设计，其应用电路图如图5所示。输入电压为直流母线电压48 V，输出320 mA恒流，电压30～38 V，驱动1．2 m的LED日光灯管。驱动电路的控制端接控制器的IO控制输出信号，可以通过控制系统对其按需进行通断控制。此电路在需要调光的场合，可以通过DIM管脚输入PWM信号进行调光控制，使用灵活方便。

图5 恒流驱动电路原理图

2．2 控制器系统设计

控制器系统以Microchip的采用nanoWatt XLP技术的PIC16F1519［8］单片机为控制核心，控制器系统的原理组成框图如图6所示。

图6 控制器系统组成框图

控制器系统主要由主控制芯片PIC16F1519单片机模块、人机接口模块(按键输入/LED指示输出)、人体感应检测模块(LHI778+CS9803GP检测电路)、光照强度检测模块(光敏电阻检测电路)、输出反馈检测模块(恒流检测电路)、通信模块(远程通信电路)、RTC和存储模块(时钟/外部存储电路)，以及输出控制模块(通断控制信号输出)组成。其中，人机接口模块主要完成按键的输入，可以设定控制器系统的工作模式、控制器地址和控制方式等，LED指示输出用于显示设置参数和控制器的工作状态信息。人体感应检测模块和光照度检测模块主要是控制器系统工作在自动控制模式下，检测教室是否需要开启LED灯具照明，在光照度很强的情况下，所有灯具全部关闭。每两盏LED日光灯具间设置一套人机检测电路，当在夜晚检测到有人需要照明时，才打开相邻的两盏灯具，最大限度的节能。人体检测由 LHI778+CS9803GP电路组成，其电路原理如图7所示。系统在检测到灯具照明范围内连续10分钟(延时时间可设定更改)无人的情况下，关闭灯具。如检测到有人需要照明时，立即打开灯具。

输出反馈模块主要用于检测恒流输出值，作为系统的反馈信号。远程通信模块，主要实现控制器系统与上位机系统的远程通信功能，实现信息的收发。RTC和存储模块，主要提供控制器系统的时钟信息和保存事件记录数据。输出控制模块，主要根据控制器的综合算法，发出对应的通断控制信号，实现对各灯具的实时控制。

图7 人体检测电路原理图

2．3 控制器系统软件开发

控制器系统的控制功能均由软件算法实现，控制器系统软件采用C语言在MPLAB IDE环境下进行编写。软件采用模块化设计思想，主要控制软件模块包括MCU配置和各模块初始化、人机接口处理子程序、工作模式选择单元、外部中断处理单元、通信模块、时钟/存储读取模块、数据采集处理模块和通断控制信号输出模块等。其软件主程序流程如图8所示，系统可分为手动控制、单机控制和远程联网控制三种工作模式，每种工作模式对应不同的控制算法。远程控制模式，可与监控中心进行远程调度并实时在线控制。

图8 程序流程图

3 系统测试实验结果

对所设计的基于直流母线供电的LED教室照明系统进行实验测试验证，实验母线电压为DC48V，实验灯具为1．2 m的12 W LED日光灯具24盏，对2间教室，分别进行了人工控制实验、单机(单间教室自动)控制实验和远程连接实验等。单机教室自动控制实验的LED灯具自动控制和输出电流波形记录如图9所示，从实验波形可以看出控制器工作正常可靠，能根据实时环境变化，按设定的工作要求进行控制，达到了设计指标要求。

图9 单机自动控制模式下的实验波形

为进一步验证所设计的直流供电系统工作效率，将所设计的系统与同样功率和相同负载的DC－ACAC－DC的两级变换LED教室照明系统进行对比实验。实验过程中开启不同的灯具负载，测量系统的输入功率和灯具的耗电功率，并计算不同的效率。记录不同负载功率下的效率对比如表1所示。

表1 系统效率实验对比数据表

从系统实验对比数据可知，采用直流母线的供电方式，在不同负载下平均可以提高10%左右的系统整体效率，进一步验证了直流供电系统在太阳能光伏发电LED照明系统应用中的优越性。在同等功率容量的情况下，采用直流供电系统，可以减少太阳能电池组件和储能系统的容量，降低了系统的成本，提高了系统的利用率，更加节能高效。

4 小结

文章设计了一种基于直流母线供电的LED教室照明系统。系统针对太阳能光伏发电和LED照明结合的应用，采用直接的直流母线供电方式，省去采用交流供电方式的DC－AC和AC－DC两级供电环节，改用单级的DC－DC供电方式，并结合智能控制器系统，进一步提高了系统的整体效率，降低了设计成本。对系统的组成和关键设备进行了详细的设计，并通过实验验证了所设计系统的正确性和优越性，为建筑节能照明，特别是校园教室照明系统的开发，提供了一种很好的思路和解决方案，该系统具有极高的工程应用和市场推广价值。

［1］ 王玉，赵建光．太阳能光伏发电在商场照明系统中的应用［J］．商场现代化，2009，20:192

［2］ 郭凤仪，周坤，姜丽丽，等．太阳能LED照明控制系统的设计与实现［J］．电工电能新技术，2012，31(3):86～89

［3］ 黄欢，韩学林，章道波．LED在教室照明中的应用［J］．照明工程学报，2011，22(6):69 ～73

［4］ 蔡晓峰，张鸿博，黄伟，等．独立光伏系统蓄电池优化三段式充电策略研究［J］．自动化仪表，2012，33(5):67～69

［5］ 马向华，赵付田，叶银忠，等．基于共直流母线供电的自动扶梯节能传动系统设计［J］．电气传动，2012，42(3):20～26

［6］ 沙占友．LED照明驱动电源优化设计［M］．北京:中国电力出版社，2011

［7］ 姜薇艳，盛卫锋．基于LM3402的LED调光电路设计［J］．电子设计工程，2011，19(1):183～185

［8］ www．microchip．com

［9］ 王志斌，谷越．基于LT3476水冷散热人体感应式LED照明系统的设计［J］．照明工程学报，2010，21(5):89～94