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。