張 波，汪義旺，鄔麗娜

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇省光伏發(fā)電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 蘇州 215104）

應(yīng)對能源危機(jī)有兩種方法：（1）尋求新能源和可再生能源的利用；（2）尋求新的節(jié)能技術(shù)。風(fēng)光互補(bǔ)是新能源綜合開發(fā)利用，LED路燈是新的節(jié)能技術(shù)，風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈是兩者結(jié)合的經(jīng)典之作。風(fēng)能和太陽能都是最普遍的儲量大且清潔的可再生能源，在時間上和季節(jié)上互補(bǔ)性很強(qiáng)：太陽能白天有晚上無，夏天強(qiáng)冬季弱，而風(fēng)能則冬季多夏季少，晚上往往多于白天。這種互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性[1]，使其優(yōu)于單一的風(fēng)電或光電。LED被認(rèn)為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長、安全環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點，目前已有廣泛的應(yīng)用。

1 光伏電池特性和實現(xiàn)MPPT的方法

光伏電池在不同光照和溫度下的P-V特性如圖1。光伏電池輸出功率在一定光照強(qiáng)度S和溫度T下輸出功率有且只有一個最大功率點，最大功率隨著光照強(qiáng)度S的增加而增加，隨著溫度T的上升而減少。光伏電池即非恒壓源也非恒流源。由電路原理知道負(fù)載阻抗和電源內(nèi)阻抗匹配時負(fù)載上功率最大。光伏電池實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)的方法就是在光伏電池和負(fù)載之間插入一DC/DC變換器，把直流變換器和實際負(fù)載一起看作太陽電池的負(fù)載，應(yīng)用相應(yīng)的控制方法調(diào)節(jié)直流變換器的占空比，使總的負(fù)載和太陽電池此時的內(nèi)阻相匹配，由于變換器本身功耗極少，實際負(fù)載上獲得最大功率。目前光伏最大功率點跟蹤方法有：恒電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、滯環(huán)比較法、模糊邏輯控制算法、遺傳算法等等。恒電壓法依據(jù)的是光伏電池工作在最大功率點時其輸出電壓基本上都在同一點，改變直流變換器的占空比使得光伏電池輸出電壓為其最佳工作電壓，就能實現(xiàn)MPPT，但其忽略了溫度的影響；擾動觀察法依據(jù)光伏電池輸出功率是其電壓的凸函數(shù)，記下當(dāng)前光伏電池功率，占空比改變一定量后再測其輸出功率并和前次功率相比較，若比前次大就相同的方向改變同樣占空比（前一次增加則繼續(xù)增加，前一次減少則繼續(xù)減少），反之就改變擾動方向，反方向改變占空比。這樣進(jìn)行下去穩(wěn)態(tài)時能工作在光伏電池最大功率點附近。其它的方法要么不成熟，要么控制太過復(fù)雜[1-2]。

2 風(fēng)力發(fā)電MPPT控制方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率大于其輸出電功率時，轉(zhuǎn)速將要增加；當(dāng)輸入的機(jī)械功率小于輸出的電功率時,轉(zhuǎn)速將要下降。風(fēng)力機(jī)特性曲線如圖2所示，風(fēng)速v1>v2>v3。風(fēng)力發(fā)電實現(xiàn)MPPT的基本原理和光伏發(fā)電是一樣的，都是在輸出和負(fù)載之間插入一DC/DC變換器來實現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電實現(xiàn)MPPT控制方法可以大致分為三類：葉尖速比控制、最大負(fù)載功率曲線控制和爬山搜索法[2-3]。葉尖速比用λ來表示，定義為風(fēng)力機(jī)葉尖旋轉(zhuǎn)的圓周速度與風(fēng)速之比，從圖2中可看出不管什么風(fēng)速只要保持λ為某一值就能最大限度地利用風(fēng)能，但風(fēng)機(jī)葉輪上的風(fēng)速很難精確測量，再加上這種算法要參照風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)特性很難移植，在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中很少用；最大負(fù)載功率曲線控制是將當(dāng)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實際負(fù)載功率和事先測得的最大負(fù)載功率對比來決定如何改變占空比來改變風(fēng)機(jī)負(fù)載，這種方法要事先測得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和最大負(fù)載功率之間的關(guān)系曲線，而這種曲線難以準(zhǔn)確測量，另也存在移植性差的缺點；爬山搜索法和光優(yōu)電池的擾動觀察法類似，不需測量風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上很適用。

3 LED特性及驅(qū)動電路

3.1 LED特性、驅(qū)動要求及調(diào)光方式

LED 的理論光效為300 lm/W。目前實驗室水平達(dá)260 lm/W，市場化水平達(dá)120 lm/W 以上。圖3是LED相對光通量和其正向電流IF的關(guān)系圖。圖3中可以看出LED的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED若采用恒壓源驅(qū)動，較小的電壓變化會引起較大的電流變化，所以恒壓驅(qū)動只適用于要求不高的小功率的場合下。在要求高的場合或大功率的場合下LED都要采用恒流驅(qū)動[4]。改變電流有兩種方式，相應(yīng)的LED調(diào)光也有兩種方式。一種是連續(xù)調(diào)節(jié)LED中電流的大小來改變LED的亮度，這種方式稱之為模擬調(diào)光，通過LED中的電流是連續(xù)的；另一種是通過改變LED流過電流的時間與關(guān)斷的時間之比來改變LED的亮度，LED流過電流時電流是恒定的，關(guān)斷時流過LED的電流為零，這種方式稱為PWM 調(diào)光，它是通過人眼察覺不到的頻率快速地開關(guān)LED，開關(guān)頻應(yīng)不小于100 Hz。兩種調(diào)光方式當(dāng)流過LED中的平均電流相同時，其效果是一樣的。由于LED在某一大小特定的電流時會發(fā)出最純的白光，隨著電流偏離這個值，會有色偏[5]。另外，LED的響應(yīng)時間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關(guān)的場合，所以LED調(diào)光以PWM 調(diào)光方式較好，此外這種方式還有利于LED散熱[6]。

3.2 LED驅(qū)動電路

LED的驅(qū)動方式可分為電阻限流型，線性穩(wěn)壓電源型，電容電荷泵電路和電感開關(guān)變換電路[7]。電阻限流將電阻和LED串連，通過電阻的分壓限流驅(qū)動LED燈，這種方式控制精度不能保證，同時有大量電功率浪費(fèi)在電阻上，只在要求不高的低壓場合下使用。線性穩(wěn)壓電源精度比電阻限流型高一些，但同樣存在效率低的問題，實際中用的也不多。實際中用得多的是電荷泵電路和電感式開關(guān)變換電路。

電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應(yīng)儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關(guān)進(jìn)行切換，在時鐘周期的一部分時間內(nèi)讓電容儲能，在時鐘周期的剩余時間內(nèi)電容釋放能量。這種方式是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓。電感式開關(guān)變換電路又稱為開關(guān)電源，是通過控制功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時間關(guān)系來改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件，使輸出穩(wěn)定。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，但其使用的開關(guān)元件多，效率相對低些，輸出電壓在輸入電壓的1/3~3倍這個變化范圍，輸出功率較小，所以其多用在小功率場合下；而開關(guān)電源開關(guān)元件相對較少，效率高，可實現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。

4 系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)電路

LED風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中太陽電池板和風(fēng)力發(fā)電裝置尤其是太陽電池板成本很高，所以必須采取相應(yīng)的措施在相同的條件下達(dá)到相同目標(biāo)時用減少太陽電池板和風(fēng)力機(jī)的容量，這勢必要進(jìn)行最大功率點跟蹤控制。系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電實現(xiàn)MPPT各要一個DC/DC變換電路，LED驅(qū)動也要用一個DC/DC變換電路，系統(tǒng)共要三個DC/DC變換電路?？紤]到系統(tǒng)中光伏發(fā)電和LED照明不會同時進(jìn)行，兩者可共用一個DC/DC變換器，但光伏發(fā)電時和LED照明時蓄電池電流方向是相反的，這個DC/DC變換器必須是雙向的。故新穎的系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。電感L、開關(guān)管S1、二極管D1和電容C1構(gòu)成Boost電路，光伏電池是輸入電源，蓄電池是負(fù)載。Boost電路開關(guān)S1閉合時，二極管D1截止，光伏電池通過開關(guān)S1讓電感儲能，同時電容C1對蓄電池放電；開關(guān)S1斷開時D1導(dǎo)通，光伏電池和電感一起對蓄電池放電，輸出電壓高于輸入電壓，同時讓電容充電。只要開關(guān)管工作頻率足夠高，電容C1足夠大就能使輸出穩(wěn)定。濾波電容C1較小則有可能使蓄電池的充電電流波動較大，影響蓄電池的使用壽命[8]，電容C1可按下公式確定：

式中:Iom，f,△Uo分別指可能的最大充電電流，開關(guān)管工作頻率和電容C1上的電壓波動。風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)同樣的Boost電路對蓄電池充電，其中C1為兩Boost電路共用。Boost電路輸入電流連續(xù)，開關(guān)管接地易驅(qū)動，在輸入電壓較小時也能對蓄電池充電等優(yōu)點，所以這里都選用Boost電路實現(xiàn)MPPT。

許多單向直流變換器都可通過將其中無源開關(guān)反并一個有源開關(guān)，而將原來的有源開關(guān)反并一個無源開關(guān)而成為雙向DC/DC變器。在光伏電池的Boost電路中的開關(guān)管S1的兩端反并聯(lián)一二極管D2，而二極管D1反關(guān)聯(lián)一功率開關(guān)管S2，原來的Boost電路就變成了Bi Boost-buck雙向直流變換器。能量從左到右傳遞，開關(guān)管S2和二極管D2一直處于斷開狀態(tài)，電路相當(dāng)相Boost電路；能量從右到左傳遞，即蓄電池給LED燈供電時，電路相當(dāng)于Buck電路。Buck電路由開關(guān)管S2、二極管D2電感L和電容C2構(gòu)成。雙向直流變換器是典型的一機(jī)兩用設(shè)備。它能減少電路的元件數(shù)量，使控制集中，減小電路的體積。光伏電池供電和LED燈照明不會同時進(jìn)行，所以這里雙向直流變換器是非常適宜的。

開關(guān)管S3在光照好時即光伏電池供電時斷開，光線差時閉合。對開關(guān)管進(jìn)行PWM控制，可實現(xiàn)LED路燈的PWM調(diào)光。LED路燈在光線不是特別差和深夜行人少時調(diào)光控制可實現(xiàn)節(jié)能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)白天可以和光伏電池一起對蓄電池充電，而夜晚風(fēng)大時直接對LED燈供電，剩余的電能對蓄電池充電；風(fēng)小時風(fēng)力發(fā)電機(jī)和蓄電池一起對LED燈供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多為交流的，圖4中未畫出風(fēng)力發(fā)電機(jī)和Boost電路之間的不可控整流部分，圖4中也未畫出相應(yīng)泄荷保護(hù)部分。

5 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

合理的系統(tǒng)設(shè)置能大幅減少系統(tǒng)的成本。首先根據(jù)照明需求確定LED燈的功率，再根據(jù)最差的天氣條件下系統(tǒng)能持續(xù)工作天數(shù)確定蓄電池容量，最后根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速和白天平均日照強(qiáng)度確定風(fēng)力發(fā)電部分和光伏電池的容量。就目前來說光伏發(fā)電成本要比風(fēng)力發(fā)電成本高出許多，所以要恰當(dāng)多地考慮風(fēng)電；同時相比風(fēng)電來說，光電穩(wěn)定性好，所以它是風(fēng)電的必要的和有益的補(bǔ)充。本案配置如下：LED燈72 W,3 W 的LED先串后并；兩個12 V120 Ah鉛酸蓄電池串聯(lián)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)400 W；光伏電池150 W,工作電壓17.6 V；無風(fēng)的陰雨天至少連續(xù)工作5天。

6 總結(jié)

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈前景廣闊。本文用一個常規(guī)的Boost變換器和一個Bi Boost-Buck變換器實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的MPPT，實現(xiàn)了LED燈的恒流驅(qū)動與PWM 調(diào)光，設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)簡單、所用的元件相對較少、控制統(tǒng)一，性能優(yōu)良，在風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈中有很高的推廣價值。

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