CN111684865A - 照明系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种照明系统具有多个LED灯具的集合，并且将太阳能面板功率和外部电网功率相结合。太阳能转换器将来自太阳能面板的输出转换为第一功率。每个灯具与驱动器相关联以将电流从外部电网供电源注入到LED照明单元。灯具的LED照明单元被共同连接至该太阳能转换器，并且因此共同由该第一功率同时驱动。这使得结构有所简化。

Description

照明系统和方法

技术领域

本发明涉及照明系统和方法，尤其是利用太阳能的照明系统和方法。

背景技术

功率转换系统被用来从太阳能板收集能量并且将该能量输送至负载或能量存储系统。对于照明应用而言，能量的存储使得照明能够在夜间使用在日间所收集的能量获得供电。然而，在日间也可能期望照明(特别是对于室内照明而言)，并且因此甚至在日间时段期间使用太阳能功率为照明供电时也具有节能效益。

功率转换针对由太阳能系统所输送的能量进行，以提供最为有效的能量收集和存储。通常，这利用到最大功率点跟踪(MPPT)系统，其控制太阳能系统的操作点(电流和电压)以实现最优的功率传输。

从太阳能系统所获得的能量通常需要被存储，以便在太阳能电池(在日间)被照射时以及它们(在夜间)并未被照射时都能够从系统获取到能量。例如，常规的太阳能系统利用MPPT充电控制器来从太阳能系统对电池充电。被充电的电池随后可以被用来为电气负载供电。这要求对电池进行附加投资。此外，电池充电和放电过程通常导致5-10％的往返效率损耗。

因此，需要一种解决方案来使得直接的太阳能功率能够在不使用电池的情况下被用于日间照明负载。并网逆变器(grid tie inverter)能够在不使用任何电池的情况下将太阳能功率直接馈送至AC电网。一种使得太阳能能够被直接用于基于LED的照明的方法是使用电网逆变器并且随后执行AC-DC转换。然而，这导致了两级(DC-AC和AC-DC)的转换过程，从而导致到达LED负载之前大约10-15％的效率损耗。

电网馈送设施还需要与公共事业公司的功率购买协议(PPA)。这样的PPA并不利于少量功率交易，从而电网逆变器在许多情况下并不适宜使用。

因此，需要一种解决方案以在不使用任何电池存储或并网逆变器的情况下针对LED照明(或其它DC负载)直接使用太阳能。其目的是在太阳能可用时就简单地对其加以利用而不是收集并存储能量，从而能够例如在不提供电池存储的情况下以低成本获得效率收益。

EP2023037A1公开了一种能够利用AC功率以及直接来自太阳能面板的DC功率的灯具。JP2013211248A公开了一种能够切换至太阳能和AC能量中的任一者的系统。US20130002142A1和US20120212050A1公开了类似的混合功率系统，其首先将太阳能和AC能量整合并且随后将该整合能量转换至负载。

发明内容

以上现有技术的缺陷在于，其仅提供了单一的灯具应用。对于室内应用而言，通常有大量的灯具。所期望的是如何以高效的方式将太阳能用于批量的灯具。本发明由权利要求所限定。

本发明实施例的构思是要提供一种对太阳能面板能量以及外部电网供电源加以利用的照明系统。太阳能转换器被用于太阳能，并且驱动器被用于电网供电源。存在多个灯具，并且它们的照明单元被连接在一起以便作为一个单元由太阳能转换器所驱动。因此，有限数量的太阳能转换器足以用于批量的灯具。这降低了硬件成本并且简化了整体系统。

根据依据本发明一个方面的示例，提供了一种照明系统，包括：

用于连接至外部电网供电源的电网输入；

包括多个灯具的集合的LED灯具系统，每个灯具包括LED照明单元以及驱动器，该驱动器连接至该电网输入以将电流从电网供电源注入到该LED照明单元；

太阳能输入，用于连接至太阳能面板；

太阳能转换器，连接至该太阳能输入以将来自该太阳能面板的输出转换为第一功率；和

连接单元，其用于将该多个灯具的集合的LED照明单元连接在一起，并且连接至该太阳能转换器，并且由此驱动该多个灯具的集合的LED照明单元被适配以共享该第一功率，其中从一个灯具的一个LED照明单元的角度来看，该一个灯具的驱动器和该太阳能转换器与该LED照明单元并联连接，并且该太阳能转换器和驱动器被适配以同时驱动LED照明单元。

该照明系统采用了多个灯具。它们与从外部AC或DC电网供电源(例如，AC市电)提供功率转换的常规驱动器相关联。该灯具均可以具有它们自己的驱动器，或者驱动器可以在它们之间共享。最重要的是，灯具的照明单元被额外的连接单元连接在一起——例如串联连接，并且它们由共享的太阳能转换器所控制/驱动，所述太阳能转换器从太阳能面板提供功率转换。当在太阳能在其被期望用于LED照明的同时被接收时，该单元避免了对电池存储的需求。这提供了更加有效的能量使用。从太阳能面板的角度来看，LED照明单元被连接在一起而作为单个单元进行控制提供了有所降低的硬件成本。例如，这使得诸如MPPT驱动器或者MPPT驱动器的MPPT控制器之类的驱动器组件能够共享。

从每个LED照明单元的角度来看，太阳能转换器(来自太阳能面板)和驱动器(电网驱动器)被有效地并联连接，其中可以从一个或另一功率源或者两个功率源接收功率。太阳能面板的太阳能转换器例如递送与其产生的一样多的能量，而其余要求则被相关联的驱动器所满足。该并联连接允许更为方便地控制去往LED照明单元的功率。

驱动器的功率比至少为太阳能面板的峰值输出功率比的至少10％，例如至少20％以及更优选地至少30％。因此，在太阳能面板由于太阳能面板上的辐射量而输送有所下降的功率输出时，该驱动器可以对功率减弱进行补偿。

然而，电网驱动器可以具有比峰值太阳能面板输出功率比更低的峰值功率输送，例如低于50％。目标是要在保持光输出稳定性的同时提供电网节能。

太阳能转换器与太阳能输入脱离耦合或者太阳能转换器处于驱动器的输入处，并且每个相关联的驱动器包括反馈控制系统，其依据从第一功率以及相关联的驱动器自身流向LED照明单元的电流来控制相关联的驱动器。

驱动器所实施的反馈控制因此被用来管控例如来自太阳能面板以及外部电网的总体电流流动。这提供了用于保持电流的反馈回路，从而防止/减少了闪烁。

太阳能转换器优选地被适配以改变该第一功率以便跟踪给定不同太阳能辐射条件下来自太阳能面板的最大输出功率，该驱动器被适配以提供对应于来自太阳能转换器的可变瞬时功率的可变瞬时功率，从而去往LED照明单元的总功率恒定于灯具的给定调光水平，并且该驱动器被适配以响应能力，以在最多一秒钟之内增大其输出以抵消太阳能面板的功率在同一秒钟内最多60％的功率下降。

因此，该驱动器被控制为保持针对灯具的所期望功率传输，并且还能够快速响应太阳能面板输出的变化。

该太阳能转换器可以被适配以根据针对该灯具集合中的至少一个灯具的调暗命令而减少去往该多个灯具的集合的功率，其中响应于该调暗命令：

与该至少一个灯具相关联的驱动器被适配以减少来自电网供电源的功率；并且

与该集合中的其它灯具相关联的驱动器被适配以增加来自电网供电源的功率从而保持去往其它灯具的功率。

为了调暗一个灯具，向该灯具的照明单元提供更少的电流。由于所有照明单元的连接，提供至其它灯具的照明单元的电流也更少。因此，向其它灯具提供额外的电网功率从而保持其它灯具的输出，原因在于它们并不用被调暗。

可能存在多个灯具的多个集合。因此可以甚至在多个灯具集合之间被共享太阳能转换器的一些硬件。每个灯具集合可以被认为包括一个集群。

当照明系统包括多个灯具的多个集合(即，如上文提到的多个集群)时，该太阳能转换器因此可以包括单个MPPT控制器以及多个灯具的每个集合内的相应DC-DC转换器。该多个DC-DC转换器共享太阳能面板的输出功率，并且实现由该单个MPPT控制器所控制的整体最大输出功率。

在调暗一个灯具集合中的至少一个灯具的情况下，与调暗命令所涉及的集合不同的其它集合相关联的DC-DC转换器因此可以被适配以增加来自太阳能面板的功率以便保持来自太阳能面板的最大功率输出。

以这种方式，一个灯具集合响应于调暗命令所导致的所汲取的太阳能功率的减少通过增加来自其它灯具集合的需求而得到补偿，从而可以保持最大功率点跟踪。进一步地，为了补偿去往其它集合的有所增加的太阳能功率，与其它集合相关联的驱动器例如因此被适配以减少来自电网供电源的功率(因为太阳能的贡献已经增加)从而保持去往其它集合的灯具的功率。

太阳能转换器因此可以使用共享MPPT控制器，并且这可以在有一个灯具集合时或者有多个灯具集合时适用。

该连接单元优选地被适配以将不同灯具的至少一些LED照明单元串联连接至该太阳能转换器。就此而言，每个集合——即灯具的集群——可以被定义为使得其照明单元串联连接至形成太阳能转换器的一部分的相应DC-DC转换器的群组。该太阳能转换器因此将电流输送至灯具的串联链。通过以电流源的方式实施DC-DC转换器，驱动LED单元的串联连接是相对容易的，因此该实施方式更加便利。

可替换地，连接单元/线路可以将不同灯具的LED单元并联连接至太阳能转换器。在这种情况下，可以使用电流分布电路来管控去往每个灯具的LED单元的电流。该太阳能转换器可以由电压源以及用于管控电流的多个线性开关所实施。该实施例的优势在于，在一个灯具的照明单元变为开路的情况下是鲁棒的，并且其它照明单元仍然能够由太阳能转换器驱动。

该驱动器优选地并联连接至外部电网供电源。因此，存在电网驱动器之间的并联连接，但是与上文提到的共享太阳能转换器串联连接。该太阳能转换器通常被适配以提供作为第一功率的电流。

该照明系统可以包括用于一个或多个灯具集合内的每个灯具的相应驱动器。在该示例中，每个灯具具有其自己的驱动器。相反地，可能存在用于每个灯具集合的共享驱动器。该实施方式可以满足DC电网以及用于照明应用的集中驱动器的电流趋势。

在任一种情况下，例如存在AC-DC PFC级，其中每个灯具集合包括用于从该AC-DCPFC级接收功率的DC-DC级。在这种情况下，该AC-DC PFC级和一个DC-DC级共同充当相关联的驱动器。

在该示例中，存在用于集合中的灯具的驱动器或者更实际地用于多个集合中的灯具的驱动器的共享功率因数校正功率转换器。

例如，每个LED照明单元包括LED芯片的阵列。

本发明还提供了一种用于包括LED照明单元的灯具的驱动器单元，该驱动器单元包括：

连接至外部电网供电源的电网输入；和

驱动器，其连接至该电网输入以在驱动器输出处将电流从电网供电源注入到该灯具的LED照明单元中，

太阳能输入，其用于将该LED照明单元连接至所连接的前一灯具的LED照明单元或者连接至源自太阳能面板的第一功率；

其中该太阳能输入和第一输出定义了去往另一个灯具的接口，从而该LED照明单元连接至其它灯具的LED照明单元并且共享来自不同于该驱动器的太阳能转换器的第一功率，其中该太阳能输入和第一输出与去往该LED单元的驱动器输出并联连接，该驱动器被适配为与该第一功率同时地驱动该LED照明单元。

该驱动器单元可以在灯具中被用来实施上文所描述的系统，例如具有去往太阳能功率的混合串联连接以及去往电网功率的并联连接。该LED照明单元连接至前一和/或后一灯具的LED照明单元，从而可以形成所连接照明单元的集合。在该集合的端部可以(使用相同接口)形成与从太阳能转换器所接收的第一功率的连接。因此，该驱动器单元的设计使得这样的驱动器单元的集合能够与它们的LED照明单元串联连接并且使得该串联连接由太阳能转换器供电。

本发明还提供了一种灯具，包括：

LED照明单元；和

如上文所定义的驱动器单元。

这提供了如上文所定义的驱动器与LED照明单元的组合。

本发明还提供了一种用于包括多个灯具的集合的LED灯具系统的驱动方法，该方法包括：

从外部电网供电源接收能量；

使用与每个灯具相关联的驱动器将电流从该外部电网供电源注入到该灯具的LED照明单元中；

从太阳能面板接收能量；

将来自太阳能面板的能量转换为第一功率；

将该灯具的LED照明单元共同连接至该第一功率，而使得该多个灯具的集合中的LED照明单元共享该第一功率，其中从该LED照明单元的角度来看，将并联连接的驱动器和第一功率与该LED单元连接，并且该驱动器与第一功率同时地注入该电流，以对该LED照明单元供电。

本发明的这些和其它方面将参考下文描述的(多个)实施例进行阐述并且将因此而清楚明白。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1以简化示意图形式示出了用于从所获取的太阳能功率进行直接的LED驱动的无电池的、功率和控制方案的框图；

图2以示意图形式示出了共同形成灯具系统的多个灯具之间的一种可能互连方案；

图3示出了具有多个灯具的八个集合的系统的第一示例；

图4示出了具有多个灯具的八个集合的系统的第二示例；和

图5示出了具有多个灯具的八个集合的系统的第三示例。

具体实施方式

应当理解的是，虽然指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是详细描述和具体示例仅意在用于说明目的而并非意在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征、方面和优势将由于以下描述、所附权利要求和附图而更好地被理解。应当理解的是，附图仅是示意性的而并非依比例绘制。还应当理解的是，附图中始终使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

本发明提供了一种具有多个LED灯具的集合的照明系统，并且其将太阳能面板功率和外部电网功率进行组合。太阳能转换器将来自太阳能面板的输出转换成第一功率。每个灯具与驱动器(其可以是相应的驱动器或共享的驱动器)相关联以将电流从外部电网供电源注入到LED照明单元中。灯具的LED照明单元共同连接至太阳能转换器并且因此同时由第一功率同时驱动。这简化了从太阳能功率驱动多个灯具的结构。

图1以简化示意图形式示出了用于从所收获太阳能功率进行直接的LED驱动的无电池功率和控制方案的框图。

照明系统10包括用于连接至太阳能面板14的太阳能输入12，以及用于连接至诸如AC市电源的外部电网供电源18的电网输入16。

太阳能转换器20连接至太阳能输入12以将来自太阳能面板14的输出转换为第一功率，其在该示例中被示为输出电流I_LEDSL。

提供了LED灯具系统22，其包括多个灯具(并未在图1中个别示出)的集合，每个灯具包括LED照明单元(其通常包括串联LED布置)。每个LED灯具与驱动器24相关联，所述驱动器24连接至电网输入16以将电流从电网供电源注入到LED照明单元。该注入电流被示为I_LEDAC。

每个灯具被描述为与驱动器“相关联”，这是因为每个灯具内都可能有驱动器，或者可能存在如图1的简化示意图中所示的共享驱动器架构，或者可能存在部分共享的驱动器架构。这些不同的可能性在下文进一步讨论。

太阳能转换器20和驱动器24从灯具系统的角度来看被有效地并联连接，以便能够从两个电源中的一个或另一个或者二者接收到功率。

在灯具系统22内，存在有用于将多个灯具的LED照明单元共同直接连接至太阳能转换器20的连接单元，从而多个灯具的集合的LED照明单元同时被第一功率共同驱动。

存在有反馈系统，用于控制灯具系统或者更具体地该灯具系统内的个体灯具的驱动。图1示出了电流感应(CS)反馈信号LED_CS，其被用作驱动器的控制的一部分。因此，由驱动器响应于输入参考驱动电平LED_CSREF而实施主动控制。太阳能面板转换器20例如被用于输送与其产生的量一样多的能量，并且其余要求则被相关联驱动器24以动态受控的方式得到满足。

灯具系统22采用了多个灯具。共享的太阳能转换器从太阳能面板提供功率转换。当太阳能在其被期望用于LED照明的同时被接收时，这避免了对电池存储的需求。这提供了更加有效的能量使用。从太阳能面板的角度来看，LED照明单元被连接在一起而作为单个单元进行控制提供了有所降低的硬件成本。例如，这使得诸如MPPT驱动器或者MPPT驱动器的MPPT控制器之类的驱动器组件能够共享。

用来形成整体系统的个体单元可以是常规的。例如，该系统可以采用用于太阳能面板的已知的基于MPPT(最大功率点跟踪)的LED驱动器模块(其在本申请中被称作“转换器”)以及常规的电网供电的LED驱动器模块。基于MPPT的转换器20将通过从太阳能系统提取最大功率而尝试保持通过LED的电流。太阳辐射量将随着时间而改变，这导致了输出功率的变化，因此导致了输出功率的变化。LED电流的持续变化显然是无法接受的，因此常规的LED电网驱动器24充当LED电流平衡器和控制器以平滑LED电流。

以这种方式，总的LED电流将由MPPT转换器20和基于电网的LED转换器24提供的电流之和所形成。

典型的LED驱动器已经包括了电流控制器，并且该系统使得太阳能面板能够集成在一起，同时仍然使用相同的LED驱动器以及利用LED驱动器24所实施的电流控制。

图1将单一的灯具表示为由太阳能转换器20所驱动的单一模块。

本发明提出了由单一的太阳能转换器/太阳能面板驱动共同形成灯具系统的多个灯具。出于该目的，提供了多个灯具之间的互连方案。

图2以示意图形式示出了共同形成灯具系统22的多个灯具之间的一种可能互连方案。每个灯具包括各自的驱动器单元24a、24b、24c、24d以及相关联的照明单元30a、30b、30c、30d。因此，在该示例中，每个灯具具有其自己的常规电网驱动器单元24a-24d。这些电网驱动器单元24a-24d共同形成用于该灯具集合的整体驱动器24。

图2示出了针对第一驱动器单元24a的太阳能输入26，其用于将LED照明单元30a连接至所连接的前一灯具的LED照明单元或者连接至源自太阳能面板的第一功率。对于该第一驱动器单元24a而言，该太阳能输入26连接至转换器20，而对于其它驱动器单元24b-24d而言，该太阳能输入连接至前一灯具。

第一输出28用于将LED照明单元连接至所连接的后一灯具的LED单元或者该第一功率。对于第一驱动器单元24a而言，该第一输出28连接至下一个灯具，而对于该系列中最后的驱动器单元24d而言，该第一输出28则连接回转换器。

在每个驱动器之内，太阳能输入26还连接至LED照明单元的阳极，并且第一输出28还连接至LED照明单元的阴极。这由图2中的虚线连接线所表示。因此，照明单元30a-30d被串联连接至转换器20。电网输入29被提供用于将每个驱动器单元内的驱动器连接至外部电网供电源18。

以这种方式，太阳能输入26和第一输出28定义了去往另一个灯具的接口，从而LED照明单元30a-30d直接连接至其它灯具的LED照明单元，并且该接口还用于从太阳能转换器20接收第一功率。注意到，在驱动器单元24a至24d并未提供单独的太阳能输入和第一输出的情况下，接线也可以直接连接至LED照明单元的阳极和阴极。

图2一方面示出了形成电网18和太阳能面板14之间的配电单元32的一部分的转换器20并且另一方面示出了灯具系统22。该配电单元包括在所有灯具之间共享的单一的转换器20。

电网(AC)功率通过该配电单元以常规的并联方式被提供至所有的个体驱动器单元24a-24d。然而，太阳能功率则被提供给作为串联的照明单元组的灯具。该串联连接有连接单元34所形成，特别是由灯具的照明单元之间的电气连接的集合所形成。

作为示例，如果每个照明单元的电压是40V DC并且四个这样的单元串联连接，则MPPT转换器输出将是160V DC。每个驱动器单元24a、24b、24c、24d的输出电流感应电阻器将感应流向该驱动器单元的LED单元的总电流，即包括来自太阳能转换器20以及来自电网的贡献。该驱动器具有被置于太阳能输入和第一输出之间并且与LED单元串联的感应电阻器。

以这种方式，额定照明单元电流将稍高于来自驱动器20的在最高太阳辐射量下的最大MPPT输出电流，以提供对太阳能功率的最佳利用。作为示例，已经通过实验发现，为了实现电网能量节约以及光输出稳定性，去往照明单元的大约80％的太阳能电流和20％的电网电流提供了所期望的作业点(operating point)。然而，为了更好的功率因数校正(PFC)和总谐波失真(THD)性能，将太阳能功率限制为总照明单元功率的最多70％是可取的，这等同于针对AC-DC LED驱动器单元24a、24b、24c、24d的30％调光。

为了使得照明单元能够如所解释的那样被连接在一起，该集合的每个灯具配备有两条额外接线。

升压类型的MPPT LED转换器20例如被用来将来自太阳能面板的电压(例如30V至37V)升高到160V从而对串联连接的LED串进行供电。该升压MPPT LED转换器20跟踪太阳能电压和电流，并且从太阳能面板提取最大功率且将该功率馈送至该LED串。

电网LED驱动器单元24a至24d的控制回路具有足够快的响应时间，以在并不产生可见光输出与所设置水平的任何偏差的情况下应对太阳辐射量的变化。因此，其可以通过调节自身对于LED的电流贡献而提供稳定的光输出。根据统计，太阳能面板输出可能由于辐射量变化而在一秒钟内下降60％(诸如在太阳被云层遮蔽时)。作为示例，驱动器单元被适配有响应能力，以在最多一秒钟内提高它们的输出从而抵消太阳能面板的功率在同一秒钟内的最多60％的下降。

通常，(电网)驱动器的功率比是太阳能面板的峰值输出功率比的至少10％。MPPT转换器改变来自太阳能面板的第一功率以便在给定的不同太阳能辐射状况下提供对来自太阳能面板的最大功率点的跟踪。该驱动器单元随后提供与来自转换器的可变瞬时功率相对应的可变瞬时功率，而使得去往LED照明单元的总功率恒定在灯具的给定调光水平。

为了降低接线成本和复杂度，多个太阳能面板可以根据功率水平、电流和电压的要求而被串联或并联连接，从而仅需要来自太阳能面板(或太阳能面板阵列)的两条接线。

图2示出了一个多灯具的集合。可能存在多个多灯具的集合，并且每个集合因此可以被认为是灯具系统的所有灯具集合内的灯具集群。每个集合具有由如上文所解释的单一MPPT转换器20所组合并控制的照明单元。

图3示出了显示有八个多灯具集合22a至22h的第一示例(22d至22g未示出)。每个集合被示为具有四个灯具(L#，其中#是灯具编号)，并且每个灯具具有其自己的电网驱动器单元(即，共同定义了驱动器24的驱动器单元24a-24d)。因此存在32个电网驱动器单元(4×8)，被示为“驱动器-1”至“驱动器-32”。它们均是相对应的灯具L1至L32的一部分。每个驱动器单元连接至电网源。

如所示出的，每个集合中的灯具的照明单元被串联连接。图3将每个灯具照明单元表示为单一的LED，但是每个灯具内将存在串联和/或并联连接的LED。在所示出的示例中，每个集合22a-22h具有相关联的DC-DC转换器36a至36h(36d至36g未示出)。具有一个共享的MPPT控制器38，其驱动所有的DC-DC转换器。

DC-DC转换器充当给出良好控制能力的功率调谐单元。每个集合中的灯具的照明单元被串联连接并且与一个DC-DC转换器相连接以便于安装(接线)。通常，DC-DC转换器为四至六个灯具供电。

该DC-DC转换器作为并联连接的MPPT转换器进行操作，但是共享MPPT控制器。MPPT控制器38感应太阳能电压V_sol和太阳能电流I_sol，并且生成共用于所有DC-DC转换器36a至36h的脉冲宽度调制信号，其目的是使得太阳能面板的输出功率——即V_sol*I_sol——最大化。可以使用已知的扰动观察方法。由于提供了相同的PWM信号，所以所有DC-DC转换器都意在以相同的功率水平进行操作。然而，由于灯具之间和不同灯具集合之间的LED正向电压差异，DC-DC转换器实际上将无法以相同的功率水平进行操作。

为了防止任何灯具以大于灯具的额定功率水平的功率水平进行操作，每个DC-DC转换器以受限功率模式操作，由此在任何条件下都没有DC-DC转换器在超出灯具额定功率的情况下操作其相关联的灯具。

功率受限模式升压转换器可以使用市面有售的峰值电流控制MOSFET驱动器IC来实施。

一种可替换的选项是向每个个体DC-DC转换器提供不同的PWM信号，尤其是在DC-DC转换器具有不同额定值时。该选项对于匹配流过不同的并联灯具集合的电流而言是可以有用的。

为了实现太阳能面板的最大功率点操作，以及对所有DC-DC转换器进行恒定PWM控制，对(单一)PWM占空比进行调制直至最大功率点已经得以实现。然而，在高太阳辐射的时间，一些DC-DC转换器因此将以受限峰值功率进行操作，而其它转换器则将低于该受限峰值功率进行操作从而实现整体系统在最大功率点下操作的目标。例如，对于(如图3所示的)8个DC-DC转换器和32个灯具而言，所生成的总的太阳能功率可以是880W。当每个DC-DC转换器利用相同的PWM信号进行控制时，所生成的太阳能功率预期在8个DC-DC转换器之间等值划分，从而每个DC-DC转换器应当接收到110W的功率。由于LED串的电压差异，转换器36a、36b、36c可以被连接至具有比其余LED串更低的正向电压的LED串。如果每个灯具具有40W的额定功率并且其中最多70％要从太阳源来提供，则最大功率限制被设定为每个DC-DC转换器112W(0.7*160W)。由于相比而言低的LED串正向电压，转换器36a至36c可以另外以被限制为112W的功率进行操作。其它转换器36d至36h因此可以以低于112W限制值的功率进行操作，以例如保持相同的整体功率。例如，880W-112W*3＝544W因此在五个其余转换器间被共享，它们由此可以以108.8W进行操作。

以这种方式，每个DC-DC转换器将对其自己的功率加以限制，从而该系统作为整体仍然将以太阳能面板的最大功率点进行操作。

可能期望能够对个体灯具或者集合内的灯具子集或者一个集合中的所有灯具相比于其余(在有多个集合时)进行调光。然而，仍然期望能够以最大功率点操作太阳能面板。

例如，假设40W的灯具由来自电网的20W以及来自太阳能功率的20W进行供电。作为组合，集合中的四个灯具将以来自太阳能面板的80W功率以及来自电网的80W功率进行操作。对于日光获取操作，一个特定灯具可能想要调暗至50％，即20W功率。例如，与驱动器-1相关联的灯具L1可能想要调暗至20W。

为了实现该目标，同时保持太阳能面板的最大功率点操作，DC-DC转换器36a将操作以提供40W而不是80W的输出功率。集合22a的所有四个灯具将从太阳能被提供以10W的平均功率，即基于相同的占空比控制。

在此情况下，基于每个个体驱动器内实施的反馈控制，灯具L1将从AC电网接收到10W，而(处于非调光模式的)其它三个灯具L2、L3、L4则各自从AC电网接收到30W。

因此，太阳能面板通过转换器36a向集合中的每个灯具输送10W，其余则由电网驱动器输送。

来自转换器36a的功率供应有40W的减少。该额外的40W以所有转换器都将以高于之前的80W但低于太阳能功率限制值——假定为上文的112W——的功率水平进行操作的方式在其它转换器(36b至36h)间分配。因此，灯具L5至L32因此将接收到比AC功率份额(<50％)稍有增加的太阳能功率份额(>50％)。以这种方式，利用整体系统进行的一个或多个灯具的部分调光可以被实现，同时保持了系统层面的最大功率点跟踪操作。那些DC-DC转换器(36b至36h)将被指示以新的PWM占空比(例如更大的占空比)从而增加从太阳能面板得到的功率。

因此，通过该方法，如果一个转换器根据针对灯具集合中的至少一个灯具的调暗命令而被适配以减少去往其相关联灯具集合的功率，则与该至少一个灯具相关联的驱动器也被适配以减少来自电网供电源的功率。与集合中的其它灯具相关联的一个或多个驱动器被适配以增加来自电网供电源的功率，从而保持去往其它灯具的功率。

与其它灯具集合相关联的DC-DC转换器因此被适配以增加来自太阳能面板的功率，以便保持来自太阳能面板的最大功率输出。因此，针对一个灯具集合的太阳能功率需求的减少被其它集合增加的需求所补偿，从而保持了最大功率点跟踪。

如果集合中的所有灯具都期望被调暗，则太阳能MPPT控制器38可能需要低于最大功率点进行操作或者该系统可能寻求来自建筑管理系统的许可，以提供进一步调暗，即使该系统已经达到了最大功率节约模式。

例如，对于特定的所期望氛围(场景设定)或者在会议室演示期间，用户可能想要调暗光源以关注于诸如演示屏幕等的对象。在这类应用中，即使达到了最大功率节约模式，用户也可能要刻意降低光输出。

在一些布置中，可能出于一些其它目的而需要额外的太阳能功率用于照明。

类似地，在集成有存在检测传感器的灯具的情况下(该传感器被要求在没有检测到存在时关闭)，相应的DC-DC转换器在这些情形期间可以被切换为零功率模式，从而功率能够被转移至其它DC-DC转换器以满足最大功率点操作。

在另一个示例中，当太阳能面板有比照明单元所需的过量生成功率时，DC-DC转换器可以以恒定功率模式进行操作，这将是比的最大功率操作点稍低的操作点。在这种情况下，去往照明单元的功率将完全由太阳能面板所提供。AC电网将被完全消除以防止驱动器在低功率因数或低的总谐波失真下操作。AC功率将仅在所生成的太阳能功率小于需求时才启用。

MPPT转换器可以配备以通信模块以与建筑管理系统进行通信。以这种方式，调光功能也可以通过MMP转换器连同电网驱动器一起进行控制。

照明单元在上文被描述为串联连接至转换器20，但是它们可以基于安装要求以及操作的最大电压和最大电流而被并联或串联连接。

图4示出了具有并联的灯具L1至L32的布置。每个灯具同样具有相关联的驱动器——驱动器-1至驱动器-32，但是还存在从相关联的DC-DC转换器36a至36h去往每个灯具的单独输出。简言之，在一个集合内，DC-DC转换器独立于另一个灯具的驱动而驱动一个灯具的LED照明单元。一个LED照明单元的故障/开路并不影响其它LED照明单元。更具体地，DC-DC转换器可以由电压源以及用于调节去往不同灯具的电流的多个线性开关来实施。这在LED照明单元具有相似的正向电压时是有用的。

图5示出了不同的灯具集合可以具有不同配置。该示例中的每个集合具有同样串联连接至相关联的DC-DC转换器的照明单元。

电网驱动器24包括具有功率因数校正的共享的AC-DC转换器40，以及与每个灯具集合相关联的DC-DC驱动器42a至42h的集合中的一个驱动器。

第一DC-DC驱动器42a并联连接至每个灯具L1至L4并且具有针对每个灯具的相应输出。第二DC-DC驱动器42b连接至针对整个集合仅具有一个输出的串联灯具集合并且将灯具的所有LED照明单元串联连接，类似于用于太阳能面板的DC-DC转换器。因此，电路配置的不同组合是可能的。DC-DC转换器42a可以由电压源和用于调节去往不同灯具的电流的多个线性开关来实施。这在LED照明单元具有相似的正向电压时是有用的。DC-DC驱动器42b可以由电流源所实施，并且其实施容易且便利而且接线简单。

在减载期间或者供电源切换(即，从电网供电源到DC供电源)期间，该照明系统可以由太阳能供电以避免黑暗时段。

本发明对于室内照明系统(特别是办公和商业建筑中的室内照明系统)而言是令人感兴趣的。

通过研习附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所请求保护的发明时可以理解并实施针对所公开实施例的其它变化形式。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一”(“a”或“an”)并不排除多个。某些措施在互相不同的从属权利要求中被记载的仅有事实并不表示这些措施的组合无法被加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被理解为对范围有所限制。

Claims (15)

1.一种照明系统(10)，包括：

电网输入(16)，用于连接至外部电网供电源(18)；

LED灯具系统(22)，包括多个灯具(L1-L32)的集合，每个灯具包括LED照明单元(30a-30d)以及驱动器(24；24a-24d)，所述驱动器(24；24a-24d)连接至所述电网输入，以将电流从所述电网供电源(18)注入到所述LED照明单元；

太阳能输入(12)，用于连接至太阳能面板(14)；

太阳能转换器(20)，连接至所述太阳能输入，以将来自所述太阳能面板的输出转换为第一功率；

连接单元(34)，其用于将所述多个灯具的集合中的所述LED照明单元连接在一起、并且连接至所述太阳能转换器(20)，并且由此所述多个灯具的集合中的所述LED照明单元被适配以共享所述第一功率，其中从一个灯具的一个LED照明单元的角度来看，所述一个灯具的所述驱动器和所述太阳能转换器与所述LED照明单元并联连接，并且所述太阳能转换器(20)和所述驱动器(24)被适配以同时驱动所述LED照明单元。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中每个相关联的驱动器与所述太阳能输入或者所述太阳能转换器在所述驱动器的输入处脱离耦合，并且包括反馈控制系统，所述反馈控制系统依据来自所述第一功率以及相关联的驱动器自身两者的流向所述LED照明单元的电流，来控制所述相关联的驱动器。

3.根据权利要求1或2所述的照明系统，包括多个灯具的多个集合(22a-22h)。

4.根据权利要求2或3所述的照明系统，其中：

所述太阳能转换器(20)被适配以改变所述第一功率，以便在给定不同太阳辐射状况下跟踪来自所述太阳能面板(14)的最大输出功率；

所述驱动器(24a-24d)被适配以提供与来自所述太阳能转换器的可变瞬时功率相对应的可变瞬时功率，使得去往所述LED照明单元(30a-30d)的总功率在所述灯具的给定调光水平处是恒定的；并且

所述驱动器被适配以响应能力，以在最多一秒钟之内增大其输出，以抵消所述太阳能面板的功率在同一秒钟内至少60％的功率下降。

5.根据权利要求4所述的照明系统，其中：

所述太阳能转换器(20)被适配以根据针对所述灯具集合中的至少一个灯具的调暗命令而减少去往所述灯具集合的功率，其中响应于所述调暗命令：

与所述至少一个灯具相关联的所述驱动器(24a-24d)被适配以减少来自所述电网供电源的功率；并且

与所述集合中的其它灯具相关联的所述驱动器被适配以增加来自所述电网供电源的功率，从而保持去往所述其它灯具的功率。

6.根据权利要求5所述的照明系统，包括多个灯具的多个集合(22a-22h)，其中所述太阳能转换器(20)包括单个MPPT控制器(38)、以及在多个灯具的每个集合(22a-22h)内的相应DC-DC转换器(36a-36h)，其中与所述调暗命令所涉及集合不同的其它集合相关联的所述DC-DC转换器被适配，以增加来自所述太阳能面板(14)的功率，以便保持来自所述太阳能面板的最大功率输出。

7.根据权利要求6所述的照明系统，其中与所述其它集合相关联的驱动器被适配以减少来自所述电网供电源(18)的功率，从而保持去往所述其它集合的所述灯具的功率。

8.根据任一前述权利要求所述的照明系统，其中所述连接单元(24)被适配以：

将不同灯具的至少一些所述LED照明单元(30a-30d)串联连接至所述太阳能转换器(20)；或者

将不同灯具的至少一些所述LED照明单元(30a-30d)并联连接至所述太阳能转换器(20)。

9.根据任一前述权利要求所述的照明系统，其中所述驱动器(24a-24h)被并联连接至所述外部电网供电源。

10.根据任一前述权利要求所述的照明系统，包括用于所述多个灯具的集合内的每个灯具的相应驱动器、或者用于所述多个灯具的集合的共享驱动器。

11.根据任一前述权利要求所述的照明系统，包括多个灯具的多个集合(22a-22h)，并且进一步包括AC-DC PFC级(40)，其中灯具的每个集合包括用于从所述AC-DC PFC级(40)接收功率的DC-DC级(42a-42h)，所述AC-DC PFC级(40)和一个DC-DC级(42a-42h)共同充当所述相关联的驱动器。

12.根据任一前述权利要求所述的照明系统，其中每个所述LED照明单元包括LED芯片的阵列。

13.一种用于灯具的驱动器单元(24a-24d)，所述灯具包括LED照明单元(30a-30d)，所述驱动器单元包括：

用于连接至外部电网供电源的电网输入；和

驱动器，其连接至所述电网输入，以在驱动器输出处将电流从所述电网供电源注入到所述灯具的所述LED照明单元中，

太阳能输入，其用于将所述LED照明单元连接至所连接的前一灯具的LED照明单元、或者连接至源自太阳能面板的第一功率；

第一输出，其用于将所述LED照明单元连接至所连接的后一灯具的LED照明单元或者所述第一功率；

其中所述太阳能输入和第一输出定义了去往另一灯具的接口，使得所述LED照明单元被共同地连接至所述另一灯具的所述LED照明单元，并且共享来自不同于所述驱动器的太阳能转换器的所述第一功率，其中所述太阳能输入和所述第一输出与去往所述LED单元的所述驱动器输出并联连接，所述驱动器(24)被适配以与所述第一功率同时地驱动所述LED照明单元。

14.一种灯具，包括：

LED照明单元；和

根据权利要求13所述的驱动器单元。

15.一种用于LED灯具系统的驱动方法，所述LED灯具系统包括多个灯具的集合，所述方法包括：

从外部电网供电源接收能量；

使用与每个灯具相关联的驱动器将电流从所述外部电网供电源注入到所述灯具的LED照明单元中；

从太阳能面板接收能量；

将来自所述太阳能面板的能量转换为第一功率；

将所述灯具的所述LED照明单元共同连接至所述第一功率，使得所述多个灯具的集合中的所述LED照明单元共享所述第一功率，其中从所述LED照明单元的角度来看，将并联连接的所述驱动器与所述第一功率与所述LED单元连接，并且所述驱动器与所述第一功率同时地注入所述电流，以对所述LED照明单元供电。

Images