风光互补LED路灯系统的研究与设计

2012-07-05汪义旺邬丽娜

电源技术 2012年11期

张波，汪义旺，邬丽娜

（1.苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104；2.江苏省光伏发电工程技术研究开发中心，江苏苏州 215104）

应对能源危机有两种方法：（1）寻求新能源和可再生能源的利用；（2）寻求新的节能技术。风光互补是新能源综合开发利用，LED路灯是新的节能技术，风光互补LED路灯是两者结合的经典之作。风能和太阳能都是最普遍的储量大且清洁的可再生能源，在时间上和季节上互补性很强：太阳能白天有晚上无，夏天强冬季弱，而风能则冬季多夏季少，晚上往往多于白天。这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性[1]，使其优于单一的风电或光电。LED被认为是绿色的第四代光源，是一种固体冷光源，具有高效、寿命长、安全环保、体积小、响应速度快等诸多优点，目前已有广泛的应用。

1 光伏电池特性和实现MPPT的方法

光伏电池在不同光照和温度下的P-V特性如图1。光伏电池输出功率在一定光照强度S和温度T下输出功率有且只有一个最大功率点，最大功率随着光照强度S的增加而增加，随着温度T的上升而减少。光伏电池即非恒压源也非恒流源。由电路原理知道负载阻抗和电源内阻抗匹配时负载上功率最大。光伏电池实现最大功率点跟踪(MPPT)的方法就是在光伏电池和负载之间插入一DC/DC变换器，把直流变换器和实际负载一起看作太阳电池的负载，应用相应的控制方法调节直流变换器的占空比，使总的负载和太阳电池此时的内阻相匹配，由于变换器本身功耗极少，实际负载上获得最大功率。目前光伏最大功率点跟踪方法有：恒电压法、扰动观察法、电导增量法、滞环比较法、模糊逻辑控制算法、遗传算法等等。恒电压法依据的是光伏电池工作在最大功率点时其输出电压基本上都在同一点，改变直流变换器的占空比使得光伏电池输出电压为其最佳工作电压，就能实现MPPT，但其忽略了温度的影响；扰动观察法依据光伏电池输出功率是其电压的凸函数，记下当前光伏电池功率，占空比改变一定量后再测其输出功率并和前次功率相比较，若比前次大就相同的方向改变同样占空比（前一次增加则继续增加，前一次减少则继续减少），反之就改变扰动方向，反方向改变占空比。这样进行下去稳态时能工作在光伏电池最大功率点附近。其它的方法要么不成熟，要么控制太过复杂[1-2]。

2 风力发电MPPT控制方法

风力发电机的机械功率大于其输出电功率时，转速将要增加；当输入的机械功率小于输出的电功率时,转速将要下降。风力机特性曲线如图2所示，风速v1>v2>v3。风力发电实现MPPT的基本原理和光伏发电是一样的，都是在输出和负载之间插入一DC/DC变换器来实现。风力发电实现MPPT控制方法可以大致分为三类：叶尖速比控制、最大负载功率曲线控制和爬山搜索法[2-3]。叶尖速比用λ来表示，定义为风力机叶尖旋转的圆周速度与风速之比，从图2中可看出不管什么风速只要保持λ为某一值就能最大限度地利用风能，但风机叶轮上的风速很难精确测量，再加上这种算法要参照风机和发电机特性很难移植，在小型风力发电机中很少用；最大负载功率曲线控制是将当前风机转速的实际负载功率和事先测得的最大负载功率对比来决定如何改变占空比来改变风机负载，这种方法要事先测得风机转速和最大负载功率之间的关系曲线，而这种曲线难以准确测量，另也存在移植性差的缺点；爬山搜索法和光优电池的扰动观察法类似，不需测量风速和风机转速，在小型风力发电机上很适用。

3 LED特性及驱动电路

3.1 LED特性、驱动要求及调光方式

LED 的理论光效为300 lm/W。目前实验室水平达260 lm/W，市场化水平达120 lm/W 以上。图3是LED相对光通量和其正向电流IF的关系图。图3中可以看出LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。LED若采用恒压源驱动，较小的电压变化会引起较大的电流变化，所以恒压驱动只适用于要求不高的小功率的场合下。在要求高的场合或大功率的场合下LED都要采用恒流驱动[4]。改变电流有两种方式，相应的LED调光也有两种方式。一种是连续调节LED中电流的大小来改变LED的亮度，这种方式称之为模拟调光，通过LED中的电流是连续的；另一种是通过改变LED流过电流的时间与关断的时间之比来改变LED的亮度，LED流过电流时电流是恒定的，关断时流过LED的电流为零，这种方式称为PWM 调光，它是通过人眼察觉不到的频率快速地开关LED，开关频应不小于100 Hz。两种调光方式当流过LED中的平均电流相同时，其效果是一样的。由于LED在某一大小特定的电流时会发出最纯的白光，随着电流偏离这个值，会有色偏[5]。另外，LED的响应时间只有几纳秒到几十纳秒，很适合频繁开关的场合，所以LED调光以PWM 调光方式较好，此外这种方式还有利于LED散热[6]。

3.2 LED驱动电路

LED的驱动方式可分为电阻限流型，线性稳压电源型，电容电荷泵电路和电感开关变换电路[7]。电阻限流将电阻和LED串连，通过电阻的分压限流驱动LED灯，这种方式控制精度不能保证，同时有大量电功率浪费在电阻上，只在要求不高的低压场合下使用。线性稳压电源精度比电阻限流型高一些，但同样存在效率低的问题，实际中用的也不多。实际中用得多的是电荷泵电路和电感式开关变换电路。

电荷泵电路利用电容对电荷的累积效应储存电能，把电容作用能量耦合元件，通过控制电力电子器件高频的开关进行切换，在时钟周期的一部分时间内让电容储能，在时钟周期的剩余时间内电容释放能量。这种方式是通过电容的充电和放电时的不同连接方式得到不同的输出电压。电感式开关变换电路又称为开关电源，是通过控制功率开关管导通与关断的时间关系来改变输出电压的，电感和电容一般作为滤波元件，使输出稳定。相比较而言电荷泵型使用元件少，成本低，体积小，但其使用的开关元件多，效率相对低些，输出电压在输入电压的1/3~3倍这个变化范围，输出功率较小，所以其多用在小功率场合下；而开关电源开关元件相对较少，效率高，可实现大范围的电压输出，且输出电压连续可调，输出功率大，因此适用范围更广，特别在中大功率场合下是首选。

4 系统统设计与实现电路

LED风光互补系统中太阳电池板和风力发电装置尤其是太阳电池板成本很高，所以必须采取相应的措施在相同的条件下达到相同目标时用减少太阳电池板和风力机的容量，这势必要进行最大功率点跟踪控制。系统中风力发电和光伏发电实现MPPT各要一个DC/DC变换电路，LED驱动也要用一个DC/DC变换电路，系统共要三个DC/DC变换电路。考虑到系统中光伏发电和LED照明不会同时进行，两者可共用一个DC/DC变换器，但光伏发电时和LED照明时蓄电池电流方向是相反的，这个DC/DC变换器必须是双向的。故新颖的系统设计如图4所示。电感L、开关管S1、二极管D1和电容C1构成Boost电路，光伏电池是输入电源，蓄电池是负载。Boost电路开关S1闭合时，二极管D1截止，光伏电池通过开关S1让电感储能，同时电容C1对蓄电池放电；开关S1断开时D1导通，光伏电池和电感一起对蓄电池放电，输出电压高于输入电压，同时让电容充电。只要开关管工作频率足够高，电容C1足够大就能使输出稳定。滤波电容C1较小则有可能使蓄电池的充电电流波动较大，影响蓄电池的使用寿命[8]，电容C1可按下公式确定：

式中:Iom，f,△Uo分别指可能的最大充电电流，开关管工作频率和电容C1上的电压波动。风力发电机经同样的Boost电路对蓄电池充电，其中C1为两Boost电路共用。Boost电路输入电流连续，开关管接地易驱动，在输入电压较小时也能对蓄电池充电等优点，所以这里都选用Boost电路实现MPPT。

许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关反并一个有源开关，而将原来的有源开关反并一个无源开关而成为双向DC/DC变器。在光伏电池的Boost电路中的开关管S1的两端反并联一二极管D2，而二极管D1反关联一功率开关管S2，原来的Boost电路就变成了Bi Boost-buck双向直流变换器。能量从左到右传递，开关管S2和二极管D2一直处于断开状态，电路相当相Boost电路；能量从右到左传递，即蓄电池给LED灯供电时，电路相当于Buck电路。Buck电路由开关管S2、二极管D2电感L和电容C2构成。双向直流变换器是典型的一机两用设备。它能减少电路的元件数量，使控制集中，减小电路的体积。光伏电池供电和LED灯照明不会同时进行，所以这里双向直流变换器是非常适宜的。

开关管S3在光照好时即光伏电池供电时断开，光线差时闭合。对开关管进行PWM控制，可实现LED路灯的PWM调光。LED路灯在光线不是特别差和深夜行人少时调光控制可实现节能。风力发电机白天可以和光伏电池一起对蓄电池充电，而夜晚风大时直接对LED灯供电，剩余的电能对蓄电池充电；风小时风力发电机和蓄电池一起对LED灯供电。风力发电机大多为交流的，图4中未画出风力发电机和Boost电路之间的不可控整流部分，图4中也未画出相应泄荷保护部分。

5 系统参数设置

合理的系统设置能大幅减少系统的成本。首先根据照明需求确定LED灯的功率，再根据最差的天气条件下系统能持续工作天数确定蓄电池容量，最后根据当地平均风速和白天平均日照强度确定风力发电部分和光伏电池的容量。就目前来说光伏发电成本要比风力发电成本高出许多，所以要恰当多地考虑风电；同时相比风电来说，光电稳定性好，所以它是风电的必要的和有益的补充。本案配置如下：LED灯72 W,3 W 的LED先串后并；两个12 V120 Ah铅酸蓄电池串联；风力发电机400 W；光伏电池150 W,工作电压17.6 V；无风的阴雨天至少连续工作5天。