獨立光伏照明中的能量管理研究 - 全文

?????? 1 引言

　　目前，國內外在光伏照明領域的研究仍局限于組件配合和狀態(tài)控制等基本功能實現(xiàn)，而對光伏照明系統(tǒng)中的MPPT算法和蓄電池能量管理控制研究不夠深入；另外，現(xiàn)有光伏照明系統(tǒng)大都采用節(jié)能燈等作為光源，照度不能滿足交通照明等場合需求。因此，基于高強度氣體放電燈的光伏路燈照明系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。

　　在獨立光伏照明系統(tǒng)中，主要的問題是如何提高太陽能電池工作效率，以及如何盡可能地延長蓄電池壽命。針對以上問題，本文提出了一種用于獨立光伏照明系統(tǒng)中的能量管理策略。該能量管理策略結合MPPT算法和分段式的蓄電池充電方法，實現(xiàn)了獨立光伏照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制，在提高系統(tǒng)效率的同時，可以有效延長蓄電池的工作年限。在此獨立光伏照明系統(tǒng)中，為了配合高壓氣體放電燈的穩(wěn)定工作，設置了一個直流升壓電路和一個高頻逆變電路。配合鎮(zhèn)流、啟輝電路，250W高壓氣體放電燈能在高頻電源下穩(wěn)定工作，為照明提供了穩(wěn)定、高轉換效率的電光源，可以滿足道路交通照明等的要求。

　　2 獨立光伏照明系統(tǒng)的組成

　　與其它光伏照明系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)一個主要的特點是采用250W高壓鈉燈作為光源。高壓鈉燈是第3代綠色照明節(jié)能光源，它具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長以及透霧能力強等優(yōu)點，是太陽能照明系統(tǒng)實現(xiàn)功能性照明的理想光源。系統(tǒng)還包括300pW太陽能電池，3塊串聯(lián)的100Ah全封閉免維護鉛酸蓄電池和系統(tǒng)控制器。控制器由充電控制和高壓鈉燈供電電路組成。如圖1所示。

　　太陽能電池是光伏照明系統(tǒng)的輸入電源，為整個系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。在白天光照條件下，太陽能電池將所接收的光能轉換為電能，經(jīng)充電電路對蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，輸出端開路，蓄電池將儲存的化學能轉換成電能輸出到照明負載。智能控制器的電源由蓄電池供給。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。太陽能電池是整個系統(tǒng)中最昂貴的部分，它的容量選取影響著整個系統(tǒng)的成本。

　　相比較而言，蓄電池價格較為低廉，因此可以選取較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽能電池所發(fā)出的功率。另外，在與照明負載配合時，應該考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。

　　3 太陽能最大功率點跟蹤

　　在太陽能發(fā)電應用領域中盡可能地提高太陽能電池板的輸出功率一直是研究的熱點。太陽能電池輸出特性為非線性，而且受光照強度和環(huán)境溫度影響。如圖2所示，太陽能電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照強度和溫度的變化而變化。為了能夠讓太陽能電池在供電系統(tǒng)中充分發(fā)揮它的光電轉換能力，就需要實時控制太陽能電池的工作點以獲得最大的功率輸出。

　　快充階段，由于蓄電池的電流接受能力大于太陽能電池經(jīng)充電電路后的輸出能力。因此，可以只考慮如何實現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出。在獨立光伏照明系統(tǒng)中實現(xiàn)了太陽能電池最大功率點的跟蹤。

　　先對太陽能電池的輸出電壓V和電流I進行連續(xù)的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數(shù)據(jù)相乘折合成功率值P，然后減掉上一次采樣得到的功率值，即為功率差分值。當功率達到最大值時滿足式：

　　令DI =VI ，DV = -IV ，則當DV = DI時，即可近似認為達到最大功率點，這樣就構成了最大功率點跟蹤的一階差分算法。

　　如果：

　　說明太陽能電池陣列輸出功率為電壓增加方向；

　　如果：

　　說明太陽能電池陣列輸出功率為電壓減少的方向。

　　4 蓄電池充電策略

　　4.1 概述

　　蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，它們受充電方法影響很大。在獨立光伏照明系統(tǒng)中，由于太陽能電池本身的非線性以及其輸出受到光強和溫度的影響，傳統(tǒng)充電方法如恒流充電法不再適用。系統(tǒng)中不再僅僅關心蓄電池的充電速度；取而代之的是如何在充電的過程中既能最大限度地利用太陽能電池，又能合理地實現(xiàn)充電的最小損耗和蓄電池的最長壽命。在這套光伏系統(tǒng)中采用的策略就是以太陽能電池電壓、電流和蓄電池電壓、電流、容量同時作為變量和對象的綜合控制策略。

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　　蓄電池的使用，歸根結底是如何利用蓄電池的充放電特性。有效、科學地使用蓄電池，對提高蓄電池的使用效率、延長蓄電池的使用壽命，起著非常關鍵的作用。

??????4.2 蓄電池分段式充電方法

　　對于一個蓄電池而言，選擇適當?shù)某潆姺椒?，不只可以延長蓄電池的使用壽命，而且還可以提高充電效率。這就需要準確判斷蓄電池的充電狀態(tài)從而選取充電電路的工作狀態(tài)?？刂破魇褂玫某潆婋娐凡扇×丝斐洹⑦^充、浮充3個階段的充電方法：

　?。?）快充階段：在快充階段，充電電路的輸出等效于電流源。電流源的輸出電流根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)確定，為蓄電池最大可接受電流IMAX。充電過程中，電路檢測蓄電池端電壓。當蓄電池端電壓上升到轉換門限值后，充電電路轉到過充階段。

　?。?）過充階段：在過充階段，充電電路對蓄電池提供一個較高電壓Voc，同時檢測充電電流。當充電電流降到低于轉換門限值Ioct時，認為蓄電池電量已充滿，充電電路轉到浮充階段。

　?。?）浮充階段：在浮充階段，充電電流給蓄電池提供一個精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓VF。

　　4.3 浮充電壓溫度補償

　　蓄電池在充滿電后，保持電量的最好方法就是加一個恒定電壓到蓄電池上。這對充電電路提出了提供合適浮充電壓的要求。浮充電壓值既要足夠大，能補償蓄電池的自放電電流；又不能太大，以免導致蓄電池內部因過充而發(fā)生化學成分的分解。在適當?shù)母〕錉顟B(tài)下，全封閉免維護鉛酸蓄電池能夠穩(wěn)定工作6~10年。而浮充電壓即使只有5%的偏差，也會使蓄電池的壽命減半。

　　必須考慮的是，鉛酸蓄電池的電壓特性具有明顯的負溫度系數(shù)，2V的電池約為-4.0mV/℃。也就是說，一個在25℃能夠正常工作的充電器，在0℃時就不能提供和保持足夠的電量；而在50℃時這個充電器會導致嚴重的過充。合理考慮溫度變化范圍，充電器應該根據(jù)蓄電池的溫度系數(shù)給予某種形式的補償。實際中利用式（2）來確定浮充電壓VF。其中VF0和T0分別為基準點的電壓和溫度值，C為電壓溫度系數(shù)：

　　控制器中，由單片機和檢測電路組成的充電控制電路有效地滿足了以上要求。它同時檢測充電電壓、充電電流和蓄電池溫度，根據(jù)蓄電池狀態(tài)可以提供3種充電狀態(tài)還包括有充電狀態(tài)下的過流、過充保護，浮充狀態(tài)下的溫度補償?shù)裙δ?。可以使蓄電池的壽命得到最大限度的延長。

　　5 控制器硬件拓撲設計

　　5.1 充電電路硬件設計

　　為實現(xiàn)上述充電控制策略，充電電路的硬件拓撲采用了BUCK電路，拓撲與控制示意圖如圖3所示。在快充階段，充電電路連接太陽能電池與鉛酸蓄電池，通過調整BUCK 電路的驅動占空比，達到控制太陽能電池輸出電流的目的，最終實現(xiàn)太陽能最大功率點跟蹤；在過充和浮充階段，充電電路仍然調整BUCK電路的驅動占空比，不同的是轉為控制蓄電池的充電電流，使之不超過蓄電池的最大可接受電流。

　　5.2 供電電路硬件設計

　　光伏照明系統(tǒng)采用高壓鈉燈作為照明光源。根據(jù)高壓鈉燈的負載特性，系統(tǒng)中實現(xiàn)了一個高頻逆變電源以及與之配合的高頻電子鎮(zhèn)流器，不僅消除了工頻噪音、提高了照明效率，還有效地減小了控制器的體積和重量。

　　圖4是系統(tǒng)實現(xiàn)的高壓鈉燈照明供電電路結構框圖。其中高頻電子鎮(zhèn)流器的原理示意圖如圖5所示。通過在鎮(zhèn)流電感T1耦合的線圈N2上加上固定時間間隔的直流脈沖，在N1繞組上感應出3000V以上高壓，將燈啟輝。燈點燃后，電流感應器T2感應高壓鈉燈電流，產生電流檢測信號，關斷啟輝放電電路。鎮(zhèn)流電感采用高頻磁芯繞制。提高頻率的同時也大大減小了所需鎮(zhèn)流器的電感量，從而減小了它的體積和損耗。試驗證明，整個高頻電子鎮(zhèn)流器電路能夠穩(wěn)定、高效工作。

　　6 試驗結果

　　對上述設計的獨立光伏照明系統(tǒng)進行照明試驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，蓄電池輸出功率P=274W，燈的功率PLAMP=252W，效率h?92.0%。與使用普通鎮(zhèn)流器相比，整體效率可提高約4%。

　　高頻電子鎮(zhèn)流器工作的試驗波形如圖6所示。其中（a）為啟輝脈沖電壓波形；（b）為正常工作時高壓鈉燈的電流波形。由圖可以看出，高頻電子鎮(zhèn)流器在啟輝時可輸出3000V，1ms寬的高壓脈沖，從而可以將燈可靠啟動；高壓鈉燈啟動后，其電流頻率為50kHz，超出音頻范圍，從而消除了音頻噪音。

　　試驗還記錄了7h的充電中，充電電路在快充、過充、浮充3個階段中轉換過程中的電流、電壓波形，如圖7所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了本文所述的能量管理控制。應用此能量管理策略的獨立光伏照明系統(tǒng)已經(jīng)在北京同方廣場連續(xù)穩(wěn)定工作12個月，驗證了該能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　7 結論

　　本文研究一種新型獨立光伏照明能量管理系統(tǒng)。試驗和運行結果表明，與現(xiàn)有光伏照明系統(tǒng)相比，應用此控制器的獨立光伏照明系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①通過充電狀態(tài)的太陽能電池MPPT控制，提高了系統(tǒng)充電效率；②采用高效、無噪音、無頻閃的高頻高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流電路，實現(xiàn)了功能性照明；③通過檢測外部環(huán)境狀態(tài)和蓄電池能量，選擇系統(tǒng)工作狀態(tài)，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的自動、穩(wěn)定運行。