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(xiàn)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(jù)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(jù)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(xiàn)。

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。