P基于LCL谐振的光伏LED路灯系统研究

陈山秦 林国庆 桂千元



P基于LCL谐振的光伏LED路灯系统研究

陈山秦 林国庆 桂千元

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

本文针对太阳能LED照明系统，研究了一种将Boost全桥变换器与LCL恒流谐振网络相结合的光伏LED路灯系统及其控制策略，详细分析了该变换器电路组成及工作原理，并提出通过PWM控制实现太阳能电池的最大功率跟踪及对蓄电池的三阶段式充电，通过移相控制，实现对输出电流的恒定控制。最后，研制了一台基于LCL恒流谐振网络的光伏LED路灯驱动电源实验样机，样机实验结果验证了所提出方案是可行的。

Boost；LCL谐振；PWM；移相控制

随着社会经济的快速发展，能源短缺与环境污染问题日益严重，开发以及利用新能源是保护环境和缓解能源危机最有效的途径。在所有可再生能源中，太阳能因其安全可靠、绿色无污染等优点而备受瞩目，太阳能发电是开发“绿色能源”的一种重要形式[1-3]。LED光源相比于传统的照明光源，具有体积小、高效节能、寿命长、重量轻及环保等优点，已广泛应用于路灯、隧道等大功率照明场合[4-7]。因此，研究太阳能LED绿色照明系统具有重要意义。

LED路灯驱动电源按照其驱动方式可以分成恒压驱动、恒流驱动、恒流/恒压驱动3种类型。为了避免LED电压小范围变化导致电流大幅度波动，进而导致LED亮度变化很大，因此，在工程应用上，对于LED负载的驱动方式一般都是采取恒流驱 动[8-10]。

目前，世界上一些发达国家，如美国、德国等国家都在致力于光伏LED路灯驱动电源的电路拓扑结构以及系统稳定性两方面的研究。然而，就目前现有的研究成果来看，仍然存在比较多的问题，例如怎样才能简化光伏LED路灯驱动电源的电路拓扑结构，降低系统硬件成本；如何提高驱动电源的效率和性能以及如何在恶劣的环境下保证其稳定、可靠工作等，这些现存的问题依然需要广大研究人员进行更深入地探索与研究去解决[11-13]。

文献[14]介绍的是一种传统的太阳能LED路灯驱动电源电路拓扑，如图1所示。此电路拓扑结构明确，控制方式简单易行，而此驱动电源电路拓扑的充放电部分是由两个不同的DC/DC变换器直接串接组合，从而导致系统的复杂程度增加，最终导致路灯系统转换效率变低。

图1 传统的太阳能LED路灯驱动系统

文献[15]介绍了一个双向Boost型LED路灯驱动电源电路拓扑，如图2所示。该拓扑采用了双向变换器，能够实现一机双用的功能；但是蓄电池充放电模式的切换需两个专用控制开关来控制，从而加大控制难度。

图2 双向Boost型太阳能LED驱动拓扑

1 驱动电源电路拓扑及原理分析

本文所提出的基于LCL谐振的boost全桥变换器如图3所示。在该电路拓扑中，将蓄电池的充电电路与放电电路集成在同一个DC/DC变换器中，从而简化了电路结构，提高电路转换效率，且易于实现控制。同时，电路中具有LCL谐振网络，与移相控制相结合，使该电路可以达到更宽电压范围的 输出。

图3 交错并联Boost全桥LCL谐振变换器

图3中，D0为反向阻断二极管；PV代表太阳能电池，bat代表蓄电池；开关管S1、S2、S3、S4与电感b1、b2和电容pv、bat组成双向Buck-Boost变换器，实现太阳能电池对蓄电池的充电控制以及蓄电池对LED负载供电；开关管S1、S2、S3及S4，隔直电容b和电感r、k及谐振电容r组成全桥LCL谐振变换器，实现了能量从变压器原边向副边的传递及对输出电流的恒流控制。

1.1 蓄电池充电过程

太阳能电池对蓄电池充电时，开关管S1、S2、电感b1、电容bat和开关管S3、S4、电感b2、电容bat构成双Buck电路，通过调节S1、S3的占空比实现光伏电池的最大功率跟踪和对蓄电池的三阶段充电。稳态时电路工作过程波形如图4所示，其中开关管S1、S3为Buck变换器的主开关管，为同时通断工作，开关管S2、S4的体内二极管作为Buck变换器的续流二极管，整个工作过程与传统的Buck变换器一样，在此不详细叙述。

图4 充电模式主要工作波形图

1.2 蓄电池供电过程

图5所示为蓄电池供电模式等效电路图，蓄电池通过交错并联Boost电路和全桥LCL谐振变换器为LED负载供电。

图5 蓄电池供电模式等效电路

为便于分析，定义开关管S1和S3的驱动信号的相位差设为移相角（0≤≤p），并设定S1和S2所在的桥臂为超前桥臂，S3和S4所在的桥臂为滞后桥臂。

蓄电池工作在供电模式下，一个开关周期中变换器有10种开关模态。图6给出了供电模式下电路的主要工作波形。各个开关模态工作情况描述如下。

图6 供电模式下电路主要工作时序

1）模态0（0时刻之前）

此时开关管S1、S4处于导通状态，S2、S3处于关断状态。整流二极管D1、D4处于导通状态，D2、D3处于截止状态

2）模态1（0—1）

0时刻，S4关断，S3尚未导通。这一时段内，Boost电感电流LB2和谐振电感电流Lr一起作用，使电容q3放电，给电容q4充电。电容q3电压cq3从cpv开始下降，cq4也从0开始上升。

3）模态2（1—2）

1时刻，cq3下降到0，S3的体二极管开始导通。此时，cq4=cpv，开关管S4的漏源电压被箝位在cpv。此时，电感电流Lb2大于Lr，此模态有电流从S3的体二极管流过，所以，在此时段的任一时刻开通S3可实现S3的ZVS软开通。

4）模态3（2—3）

2时刻，此时段内，谐振网络输入电压为0，在此时段，S3处于导通状态，此模态下Lr继续下降，到3时刻，S1关断。

5）模态4（3—4）

3时刻，S1关断，S2截止，这一时段内，Boost电感电流Lb1和谐振电感电流Lr共同作用，使电容q2放电，给电容q1充电。电容q2电压cq2从cpv开始下降，cq1也从0开始上升。

6）模态5（4—5）

4时刻，cq4下降到0，S2的体二极管开始导通。此时，cq1=cpv，开关管S1的漏源电压被箝位在cpv。此时，电感电流Lb1小于Lr，此模态下有电流从S2的体二极管流过，到5时刻，电感电流Lb1等于Lr。所以，在此时段的任一时刻开通S2可以实现S2的ZVS软开通。

此后，S2、S3处于导通状态，S1、S4处于关断状态，工作到6时刻，接下来进入后半周期的工作，由于交错并联Boost电路的对称性，开关模态与前半个周期相类似，故在此不再详述。

1.3 LCL恒流源理

采用基波分析法对基于LCL谐振的LED驱动电源电路进行交流等效分析，根据LCL谐振网络的滤波特性可知，可以忽略除基波以外的谐波信号通过LCL谐振网络后对副边产生的影响，即可以假设谐振网络的输入电压只有基波分量通过谐振网络传递到变压器原边，并且假设变压器的励磁电感无穷大以及两路输出负载相等，其中，由于均流电容折算到变压器原边后对谐振网络的工作特性影响较小，故亦可暂时忽略，从而可得如图7所示的LCL谐振变换器交流等效电路。peak为全桥逆变输出电压的基波分量峰值，in为其有效值，ac为两路LED等效直流负载折算到变压器原边的等效交流电阻，根据傅里叶级数展开以及以上分析有

式中，cpv为全桥母线电压幅值；为变压器原副边匝比；LED为每路LED等效直流负载。

图7 LCL谐振变换器交流等效电路

根据诺顿定理将图5方框内的有源二端网络等效成电流源in和等效内阻eq并联形式，如图8 所示。

图8 交流等效电路的诺顿等效图

由诺顿定理可得

由图8和式（5）可知，电感r与电容r、b发生并联谐振时，其等效阻抗eq为无穷大此时Iac等于in，实现恒流输出。

2 控制策略

本文中，Boost全桥LCL谐振变换器既要实现光伏电池的最大功率跟踪和蓄电池的充电管理，又要为后级LED负载提供恒定电流，虽然本文中所提拓扑具有LCL谐振网络，可以实现输出自动恒流，但无法适应负载大幅变化时的宽电压输出，为此，在LCL谐振网络基础上，提出了一种PWM和移相控制相结合的控制策略。系统控制框图如图9所示。

图9 系统控制框图

当光伏电池给蓄电池充电时，采用PWM控制策略，充电初期，采样光伏电池和蓄电池的电压和电流，通过变步长的扰动观察法找到最大功率点，实现蓄电池的MPPT充电；随着充电的进行，蓄电池的电压不断上升，当升至电压门限值时退出MPPT，进入恒压充电阶段，在此阶段通过PI调节对占空比进行控制来实现蓄电池两端电压bat稳定；当蓄电池的充电电流下降至转换门限值bat时，进入浮充。当蓄电池给副边负载供电时，设定4个开关管占空比皆为0.5（上下桥臂留有一定死区）。通过采样输出电流o与参考电流oref进行比较，将比较后的误差送入PI调节器，通过PI调节器的输出值对移相角进行控制，并与LCL谐振网络恒流原理相结合，实现对输出电流的稳定控制。

3 实验结果

为验证所提出方案的可行性，研制了一台50W的实验样机，其主要参数如下，b1=b2=400mH，r= 45.8mH，k=21mH，r=242nF，s=50kHz，bat12～24V，pv40～80V，b=2mF，s=1mF，蓄电池组采用两个型号为12V-7Ah的爱普逊蓄电池，将其串接起来，其标称总电压为24V，容量为14A。

表1为光伏电池给蓄电池充电状态下，蓄电池的充电电压、电流的变化情况。实验假设光伏输入恒定，即MPPT点固定。由实验数据可以看出，在充电初期，蓄电池以6.02A恒定电流充电，蓄电池电压由24V上升至最大限制电压29.3V后，进入恒压充电，而充电电流迅速下降，下降至最低电流0.03A，进入浮充充电，电压恒定在25.5V，电流恒定在0.03A，实现三段式充电。

表1 蓄电池充电电流电压变化情况

表2为输出电流随移相角度变化情况，可见输出电流随着移相角值的减小而减小，因此可以通过改变移相角控制输出电流，实现恒流输出。

图10为蓄电池对LED灯供电时主要工作波形图，其中4个开关管占空比均为0.5。图10（a）中，当蓄电池电压为12V和LED灯电压为72V时，移相角为180°，两路输出电流分别为701.0mA和698.5mA，图10（b）中，当蓄电池电压为24V和LED灯电压为72V时，移相角为68°，两路输出电流分别为701.0mA和701.0mA，图10（a）中，当蓄电池电压为12V和LED灯电压为36V时，移相角为60°，两路输出电流分别为704.0mA和701.0mA，可见当蓄电池电压和LED灯电压变化时，通过调节移相角度均可以实现恒流输出。

表2 输出电流随移相角度变化情况

（a）蓄电池电压12V、灯电压72V时

（b）蓄电池电压24V、灯电压72V时

（c）蓄电池电压12V、灯电压36V

4 结论

本文研究了一种Boost全桥换器与LCL恒流谐振网络相结合的光伏LED路灯系统，该电路具有结构简单、转换效率高和输出电压范围宽等优点，并提出一种PWM与移相控制相结合的控制策略以实现蓄电池充放电控制，通过PWM控制实现太阳能电池的最大功率跟踪以及蓄电池的三阶段充电，通过移相控制，实现对输出电流的恒定控制。本文对电路拓扑和控制策略进行了分析，并结合实验结果论证了该拓扑和控制策略的可行性。

[1] 樊东黎. 世界能源现状和未来[J]. 金属热处理, 2011(10): 119-131.

[2] 郭金瑞, 许华明. 世界一次能源消费分析[J]. 资源与产业, 2010(1): 28-32.

[3] 王长贵. 新能源和可再生能源的现状和展望, 太阳能光伏产业发展论坛论文集[C]//2003: 4-17.

[4] Krames M R, shchekin O B, Mueller-Mach R. Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting[J]. Display Technology, 2007, 3(2): 160-175.

[5] Cook, B. New developments and future trends in high-efficiency lighting[J]. IEEE engineering Science and Education Journal, 2000(9): 207-217.

[6] 马振, 刘志军. 关于LED发展趋势的探讨[J]. 科技资讯, 2010(11): 132.

[7] 陈海明. 国外白光LED技术与产业现状及发展趋势[J]. 半导体技术, 2010(7): 621.

[8] Liu Yu. The topologies of white LED lamps' power drivers[J]. International Conference on Power Elec- tronics Systems and Applications, 2009: 1-6.

[9] Heinz Van der Broeck, Georg Sauerlander, Wendt Matthias. Power driver topologies and control schemes for LEDs[J]. Applied Power Electronics Conference, 2007: 1319-1325.

[10] 周志敏, 纪爱华. LED照明技术与工程应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[11] 华坤, 李彦. 太阳能LED路灯控制器的设计[J]. 单片机开发与应用, 2009, 25(12): 105-107.

[12] 鞠振河. 太阳能路灯系统的优化设计[J]. 可再生能源, 2007(5): 79-84.

[13] Chiu H J, Lo Y K, Chen Junting, et al. A high- efficiency dimmable LED driver for low-power lighting applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(2): 735-743.

[14] 聂晓华, 赵忠凯. 独立光伏LED照明系统主电路设计与实现[J]. 南昌大学学报(工科版), 2012(4): 378-381.

[15] 张超, 赵德安, 何湘宁. 用于太阳能LED路灯系统的新型双向变换器[J]. 电力电子技术, 2007, 41(10): 10-12.

Research on photovoltaic LED street lamp system based on LCL resonance

Chen Shanqin Lin Guoqing Gui Qianyuan

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

This article focuses on solar LED lighting systems, researched an boost full-bridge converter combine with LCL constant-current resonant network photovoltaic LED street lamps and its control strategy. Detailed analysis of the circuit composition and working principle of the converter, and proposed to realize the maximum power tracking of solar cells and the three-phase charging of the battery through PWM control. Through phase shift control, achieve constant control of the output current. At last, developed an experimental prototype of photovoltaic LED street lamp driving power supply based on LCL constant current resonant network, and prototype experiment results verify that the proposed scheme is feasible.

Boost; LCL resonant; PWM; phase-shifting control

2018-05-15

陈山秦（1991-），男，硕士研究生在读，研究方向为电力电子变流技术的研究。