基于雙向變換器的光伏LED照明系統

本文章研究了基于Zeta／Sepic雙向變換器的光伏半導體發(fā)光二極管照明系統，提出了一種充電控制算法，其既能實(shí)現太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)又能滿(mǎn)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(dòng)電路。構建實(shí)驗系統，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(zhù)提升，LED驅動(dòng)電路恒流效果好。

1 引言

太陽(yáng)能是一種巨大、無(wú)盡、清潔的綠色能源，LED也是一種環(huán)保、節能、高效的固態(tài)電光源，將體照明，是最佳的節能、環(huán)保組合。獨立光伏LED照明系統主要由光伏電池陣列、蓄電池、LED照明設備、充電電路、LED驅動(dòng)電路和控制器組成。光伏電池板是整個(gè)系統最昂貴的部件，為有效利用太陽(yáng)能，需對系統進(jìn)行MPPT；蓄電池是系統最脆弱的部件，為延長(cháng)蓄電池使用壽命，需根據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動(dòng)電路才能保證LED照明設備可靠穩定地工作；以上所有控制功能均由控制器實(shí)現。

2 系統組成

常規的光伏LED照明系統DC／DC變換電路和LED恒流驅動(dòng)電路為兩個(gè)相對獨立的電路結構，系統存在結構復雜、可靠性差和效率低等缺點(diǎn)。這兩部分電路原理和結構十分相似，同時(shí)光伏LED照明系統充電和放電不會(huì )同時(shí)進(jìn)行，若將雙向變換器引入系統，可簡(jiǎn)化電路結構，改善系統性能，提高系統效率。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(mǎn)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，其結構如圖1所示。充放電電路采用雙向Zeta／Sepic變換器，通過(guò)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，系統將轉換開(kāi)關(guān)切換到光伏電池，電能通過(guò)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(kāi)關(guān)切換到LED照明負載，蓄電池電能通過(guò)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(dòng)。

Zeta／Sepic雙向變換器及其在光伏LED照明系統中的應用電路如圖2所示。在不增加電力電子器件的情況下，通過(guò)增加繼電器開(kāi)關(guān)S1，S2，使電路結構更適合于光伏LED照明系統。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(shí)，快速切斷蓄電池與主電路的連接，增加了系統的可靠性及靈活性。

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(jìn)入穩態(tài)，VQ1導通時(shí)，光伏電池經(jīng)VD1向L1儲能，同時(shí)通過(guò)C1，L2向蓄電池供電；VQ1關(guān)斷時(shí)，L1通過(guò)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(yáng)能電池滿(mǎn)足供電條件，DC／DC轉換電路開(kāi)始工作時(shí)，蓄電池總為非滿(mǎn)狀態(tài)，此時(shí)U小于蓄電池的最大電壓上限UM，即UUM，此時(shí)實(shí)施最大功率充電(MPPT)；當檢測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IIc，則轉換為浮充充電(VF)?？傊?，采用何種充電方式是由蓄電池的充電條件和當前狀態(tài)決定的，MPPT算法采用了電導增量法。

3.3 算法實(shí)現

3.3.1 MPPT充電實(shí)現

電導增量法是根據光伏陣列P-U曲線(xiàn)為一條一階連續可導的單峰曲線(xiàn)的特點(diǎn)，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(shí)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(mǎn)足的條件。該方法是通過(guò)比較輸出電導變化量和瞬時(shí)電導值的大小來(lái)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(shí)際使用中經(jīng)常用一個(gè)小的閾值來(lái)代替為零的條件。

3.3.2 恒壓、浮充實(shí)現

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)現方法有兩種：①若系統精度要求不高，則只要向Zeta電路提供一個(gè)固定的占空比即可；②若系統精度要求很高，則可采用反饋方式來(lái)實(shí)現。為降低系統的復雜度，提高可靠性，在此選擇第一種實(shí)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(guò)Sepic變換器向LED負載供電。電路工作于電流連續模式(CCM)下，VQ2導通時(shí)，蓄電池向L2儲能，C1，L1回路導通，C2向LED負載供電；VQ2關(guān)斷時(shí)，蓄電池經(jīng)L2，C1和VD2后向LED負載供電，同時(shí)L2，C1，L1回路導通。由于LED特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)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LED照明負載的恒流驅動(dòng)。采用高亮LED驅動(dòng)芯片HV9930作為控制芯片LED恒流驅動(dòng)電路。

5 實(shí)驗調試

5.1 系統容量

太陽(yáng)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(kāi)路電壓Uoc=21．6 V，短路電流Isc=5．81 A。光伏LED照明系統光源為36個(gè)高性?xún)r(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)行驅動(dòng)。LED照明系統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(cháng)，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，設計容量為當連續4天陰雨時(shí)仍可工作，選取適當參數進(jìn)行計算并留有一定裕量，蓄電池容量最終選擇250 Ah。

5.2 實(shí)驗數據

使用上述計算參數，選擇ATMEGA16作為系統控制核心，構建實(shí)驗系統，以光照較強的一整天為測試對象，實(shí)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(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驅動(dòng)電路電流波形。

對典型測試時(shí)刻，系統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(diǎn)時(shí)刻數據實(shí)為一段時(shí)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(yáng)能電池的利用率平均提高了15．85％。

光伏LED恒流驅動(dòng)電路設計目標是當U或環(huán)境溫度變化時(shí)