P基于LCL諧振的光伏LED路燈系統(tǒng)研究

陳山秦 林國慶 桂千元

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P基于LCL諧振的光伏LED路燈系統(tǒng)研究

陳山秦 林國慶 桂千元

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

本文針對太陽能LED照明系統(tǒng)，研究了一種將Boost全橋變換器與LCL恒流諧振網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的光伏LED路燈系統(tǒng)及其控制策略，詳細(xì)分析了該變換器電路組成及工作原理，并提出通過PWM控制實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤及對蓄電池的三階段式充電，通過移相控制，實現(xiàn)對輸出電流的恒定控制。最后，研制了一臺基于LCL恒流諧振網(wǎng)絡(luò)的光伏LED路燈驅(qū)動電源實驗樣機(jī)，樣機(jī)實驗結(jié)果驗證了所提出方案是可行的。

Boost；LCL諧振；PWM；移相控制

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，開發(fā)以及利用新能源是保護(hù)環(huán)境和緩解能源危機(jī)最有效的途徑。在所有可再生能源中，太陽能因其安全可靠、綠色無污染等優(yōu)點而備受矚目，太陽能發(fā)電是開發(fā)“綠色能源”的一種重要形式[1-3]。LED光源相比于傳統(tǒng)的照明光源，具有體積小、高效節(jié)能、壽命長、重量輕及環(huán)保等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于路燈、隧道等大功率照明場合[4-7]。因此，研究太陽能LED綠色照明系統(tǒng)具有重要意義。

LED路燈驅(qū)動電源按照其驅(qū)動方式可以分成恒壓驅(qū)動、恒流驅(qū)動、恒流/恒壓驅(qū)動3種類型。為了避免LED電壓小范圍變化導(dǎo)致電流大幅度波動，進(jìn)而導(dǎo)致LED亮度變化很大，因此，在工程應(yīng)用上，對于LED負(fù)載的驅(qū)動方式一般都是采取恒流驅(qū) 動[8-10]。

目前，世界上一些發(fā)達(dá)國家，如美國、德國等國家都在致力于光伏LED路燈驅(qū)動電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面的研究。然而，就目前現(xiàn)有的研究成果來看，仍然存在比較多的問題，例如怎樣才能簡化光伏LED路燈驅(qū)動電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)硬件成本；如何提高驅(qū)動電源的效率和性能以及如何在惡劣的環(huán)境下保證其穩(wěn)定、可靠工作等，這些現(xiàn)存的問題依然需要廣大研究人員進(jìn)行更深入地探索與研究去解決[11-13]。

文獻(xiàn)[14]介紹的是一種傳統(tǒng)的太陽能LED路燈驅(qū)動電源電路拓?fù)洌鐖D1所示。此電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明確，控制方式簡單易行，而此驅(qū)動電源電路拓?fù)涞某浞烹姴糠质怯蓛蓚€不同的DC/DC變換器直接串接組合，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，最終導(dǎo)致路燈系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率變低。

圖1 傳統(tǒng)的太陽能LED路燈驅(qū)動系統(tǒng)

文獻(xiàn)[15]介紹了一個雙向Boost型LED路燈驅(qū)動電源電路拓?fù)洌鐖D2所示。該拓?fù)洳捎昧穗p向變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)一機(jī)雙用的功能；但是蓄電池充放電模式的切換需兩個專用控制開關(guān)來控制，從而加大控制難度。

圖2 雙向Boost型太陽能LED驅(qū)動拓?fù)?/p>

1 驅(qū)動電源電路拓?fù)浼霸矸治?/h2>

本文所提出的基于LCL諧振的boost全橋變換器如圖3所示。在該電路拓?fù)渲校瑢⑿铍姵氐某潆婋娐放c放電電路集成在同一個DC/DC變換器中，從而簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高電路轉(zhuǎn)換效率，且易于實現(xiàn)控制。同時，電路中具有LCL諧振網(wǎng)絡(luò)，與移相控制相結(jié)合，使該電路可以達(dá)到更寬電壓范圍的 輸出。

圖3 交錯并聯(lián)Boost全橋LCL諧振變換器

圖3中，D0為反向阻斷二極管；PV代表太陽能電池，bat代表蓄電池；開關(guān)管S1、S2、S3、S4與電感b1、b2和電容pv、bat組成雙向Buck-Boost變換器，實現(xiàn)太陽能電池對蓄電池的充電控制以及蓄電池對LED負(fù)載供電；開關(guān)管S1、S2、S3及S4，隔直電容b和電感r、k及諧振電容r組成全橋LCL諧振變換器，實現(xiàn)了能量從變壓器原邊向副邊的傳遞及對輸出電流的恒流控制。

1.1 蓄電池充電過程

太陽能電池對蓄電池充電時，開關(guān)管S1、S2、電感b1、電容bat和開關(guān)管S3、S4、電感b2、電容bat構(gòu)成雙Buck電路，通過調(diào)節(jié)S1、S3的占空比實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤和對蓄電池的三階段充電。穩(wěn)態(tài)時電路工作過程波形如圖4所示，其中開關(guān)管S1、S3為Buck變換器的主開關(guān)管，為同時通斷工作，開關(guān)管S2、S4的體內(nèi)二極管作為Buck變換器的續(xù)流二極管，整個工作過程與傳統(tǒng)的Buck變換器一樣，在此不詳細(xì)敘述。

圖4 充電模式主要工作波形圖

1.2 蓄電池供電過程

圖5所示為蓄電池供電模式等效電路圖，蓄電池通過交錯并聯(lián)Boost電路和全橋LCL諧振變換器為LED負(fù)載供電。

圖5 蓄電池供電模式等效電路

為便于分析，定義開關(guān)管S1和S3的驅(qū)動信號的相位差設(shè)為移相角（0≤≤p），并設(shè)定S1和S2所在的橋臂為超前橋臂，S3和S4所在的橋臂為滯后橋臂。

蓄電池工作在供電模式下，一個開關(guān)周期中變換器有10種開關(guān)模態(tài)。圖6給出了供電模式下電路的主要工作波形。各個開關(guān)模態(tài)工作情況描述如下。

圖6 供電模式下電路主要工作時序

1）模態(tài)0（0時刻之前）

此時開關(guān)管S1、S4處于導(dǎo)通狀態(tài)，S2、S3處于關(guān)斷狀態(tài)。整流二極管D1、D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，D2、D3處于截止?fàn)顟B(tài)

2）模態(tài)1（0—1）

0時刻，S4關(guān)斷，S3尚未導(dǎo)通。這一時段內(nèi)，Boost電感電流LB2和諧振電感電流Lr一起作用，使電容q3放電，給電容q4充電。電容q3電壓cq3從cpv開始下降，cq4也從0開始上升。

3）模態(tài)2（1—2）

1時刻，cq3下降到0，S3的體二極管開始導(dǎo)通。此時，cq4=cpv，開關(guān)管S4的漏源電壓被箝位在cpv。此時，電感電流Lb2大于Lr，此模態(tài)有電流從S3的體二極管流過，所以，在此時段的任一時刻開通S3可實現(xiàn)S3的ZVS軟開通。

4）模態(tài)3（2—3）

2時刻，此時段內(nèi)，諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓為0，在此時段，S3處于導(dǎo)通狀態(tài)，此模態(tài)下Lr繼續(xù)下降，到3時刻，S1關(guān)斷。

5）模態(tài)4（3—4）

3時刻，S1關(guān)斷，S2截止，這一時段內(nèi)，Boost電感電流Lb1和諧振電感電流Lr共同作用，使電容q2放電，給電容q1充電。電容q2電壓cq2從cpv開始下降，cq1也從0開始上升。

6）模態(tài)5（4—5）

4時刻，cq4下降到0，S2的體二極管開始導(dǎo)通。此時，cq1=cpv，開關(guān)管S1的漏源電壓被箝位在cpv。此時，電感電流Lb1小于Lr，此模態(tài)下有電流從S2的體二極管流過，到5時刻，電感電流Lb1等于Lr。所以，在此時段的任一時刻開通S2可以實現(xiàn)S2的ZVS軟開通。

此后，S2、S3處于導(dǎo)通狀態(tài)，S1、S4處于關(guān)斷狀態(tài)，工作到6時刻，接下來進(jìn)入后半周期的工作，由于交錯并聯(lián)Boost電路的對稱性，開關(guān)模態(tài)與前半個周期相類似，故在此不再詳述。

1.3 LCL恒流源理

采用基波分析法對基于LCL諧振的LED驅(qū)動電源電路進(jìn)行交流等效分析，根據(jù)LCL諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波特性可知，可以忽略除基波以外的諧波信號通過LCL諧振網(wǎng)絡(luò)后對副邊產(chǎn)生的影響，即可以假設(shè)諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓只有基波分量通過諧振網(wǎng)絡(luò)傳遞到變壓器原邊，并且假設(shè)變壓器的勵磁電感無窮大以及兩路輸出負(fù)載相等，其中，由于均流電容折算到變壓器原邊后對諧振網(wǎng)絡(luò)的工作特性影響較小，故亦可暫時忽略，從而可得如圖7所示的LCL諧振變換器交流等效電路。peak為全橋逆變輸出電壓的基波分量峰值，in為其有效值，ac為兩路LED等效直流負(fù)載折算到變壓器原邊的等效交流電阻，根據(jù)傅里葉級數(shù)展開以及以上分析有

式中，cpv為全橋母線電壓幅值；為變壓器原副邊匝比；LED為每路LED等效直流負(fù)載。

圖7 LCL諧振變換器交流等效電路

根據(jù)諾頓定理將圖5方框內(nèi)的有源二端網(wǎng)絡(luò)等效成電流源in和等效內(nèi)阻eq并聯(lián)形式，如圖8 所示。

圖8 交流等效電路的諾頓等效圖

由諾頓定理可得

由圖8和式（5）可知，電感r與電容r、b發(fā)生并聯(lián)諧振時，其等效阻抗eq為無窮大此時Iac等于in，實現(xiàn)恒流輸出。

2 控制策略

本文中，Boost全橋LCL諧振變換器既要實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤和蓄電池的充電管理，又要為后級LED負(fù)載提供恒定電流，雖然本文中所提拓?fù)渚哂蠰CL諧振網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)輸出自動恒流，但無法適應(yīng)負(fù)載大幅變化時的寬電壓輸出，為此，在LCL諧振網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出了一種PWM和移相控制相結(jié)合的控制策略。系統(tǒng)控制框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)控制框圖

當(dāng)光伏電池給蓄電池充電時，采用PWM控制策略，充電初期，采樣光伏電池和蓄電池的電壓和電流，通過變步長的擾動觀察法找到最大功率點，實現(xiàn)蓄電池的MPPT充電；隨著充電的進(jìn)行，蓄電池的電壓不斷上升，當(dāng)升至電壓門限值時退出MPPT，進(jìn)入恒壓充電階段，在此階段通過PI調(diào)節(jié)對占空比進(jìn)行控制來實現(xiàn)蓄電池兩端電壓bat穩(wěn)定；當(dāng)蓄電池的充電電流下降至轉(zhuǎn)換門限值bat時，進(jìn)入浮充。當(dāng)蓄電池給副邊負(fù)載供電時，設(shè)定4個開關(guān)管占空比皆為0.5（上下橋臂留有一定死區(qū)）。通過采樣輸出電流o與參考電流oref進(jìn)行比較，將比較后的誤差送入PI調(diào)節(jié)器，通過PI調(diào)節(jié)器的輸出值對移相角進(jìn)行控制，并與LCL諧振網(wǎng)絡(luò)恒流原理相結(jié)合，實現(xiàn)對輸出電流的穩(wěn)定控制。

3 實驗結(jié)果

為驗證所提出方案的可行性，研制了一臺50W的實驗樣機(jī)，其主要參數(shù)如下，b1=b2=400mH，r= 45.8mH，k=21mH，r=242nF，s=50kHz，bat12～24V，pv40～80V，b=2mF，s=1mF，蓄電池組采用兩個型號為12V-7Ah的愛普遜蓄電池，將其串接起來，其標(biāo)稱總電壓為24V，容量為14A。

表1為光伏電池給蓄電池充電狀態(tài)下，蓄電池的充電電壓、電流的變化情況。實驗假設(shè)光伏輸入恒定，即MPPT點固定。由實驗數(shù)據(jù)可以看出，在充電初期，蓄電池以6.02A恒定電流充電，蓄電池電壓由24V上升至最大限制電壓29.3V后，進(jìn)入恒壓充電，而充電電流迅速下降，下降至最低電流0.03A，進(jìn)入浮充充電，電壓恒定在25.5V，電流恒定在0.03A，實現(xiàn)三段式充電。

表1 蓄電池充電電流電壓變化情況

表2為輸出電流隨移相角度變化情況，可見輸出電流隨著移相角值的減小而減小，因此可以通過改變移相角控制輸出電流，實現(xiàn)恒流輸出。

圖10為蓄電池對LED燈供電時主要工作波形圖，其中4個開關(guān)管占空比均為0.5。圖10（a）中，當(dāng)蓄電池電壓為12V和LED燈電壓為72V時，移相角為180°，兩路輸出電流分別為701.0mA和698.5mA，圖10（b）中，當(dāng)蓄電池電壓為24V和LED燈電壓為72V時，移相角為68°，兩路輸出電流分別為701.0mA和701.0mA，圖10（a）中，當(dāng)蓄電池電壓為12V和LED燈電壓為36V時，移相角為60°，兩路輸出電流分別為704.0mA和701.0mA，可見當(dāng)蓄電池電壓和LED燈電壓變化時，通過調(diào)節(jié)移相角度均可以實現(xiàn)恒流輸出。

表2 輸出電流隨移相角度變化情況

（a）蓄電池電壓12V、燈電壓72V時

（b）蓄電池電壓24V、燈電壓72V時

（c）蓄電池電壓12V、燈電壓36V

4 結(jié)論

本文研究了一種Boost全橋換器與LCL恒流諧振網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的光伏LED路燈系統(tǒng)，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高和輸出電壓范圍寬等優(yōu)點，并提出一種PWM與移相控制相結(jié)合的控制策略以實現(xiàn)蓄電池充放電控制，通過PWM控制實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤以及蓄電池的三階段充電，通過移相控制，實現(xiàn)對輸出電流的恒定控制。本文對電路拓?fù)浜涂刂撇呗赃M(jìn)行了分析，并結(jié)合實驗結(jié)果論證了該拓?fù)浜涂刂撇呗缘目尚行浴?/p>

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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

陳山秦（1991-），男，碩士研究生在讀，研究方向為電力電子變流技術(shù)的研究。