自適應單純太陽能供電路燈控制器設計與實現

　　大陽能路燈以其無需鋪設電纜，不消耗常規(guī)能源等優(yōu)點得到了廣泛認可。然而太陽能路燈還存在一些問題造成其成本偏高，可靠性不穩(wěn)定，、比如電池往往不到一年就需要更換，不僅提高了后期維護的費用，而且增加了客戶的消費成本，也造成了資源浪費。其次是太陽能屬于不穩(wěn)定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時間短，冬天有效光照時間短，但路燈使用時間長，大大降低了運行的可靠性，其原因主要受到太陽能路燈控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分，主要完成對蓄電池的充、放電、調光和路燈的開、美控制，以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進行及時和有效地保護，保證照明時間，確?？煽啃?，有效延長電池壽命，降低成本。

　　1 太陽能路燈控制器的主要設計要求和發(fā)展階段

　　太陽能路燈控制器的技術和質量的主要要求有：

　　1）供電系統(tǒng)，根據太陽能路燈蓄電池板特性，要設計成恒流輸出：

　　2）過充，過放保護；

　　3）具有系統(tǒng)功率調節(jié)功能；

　　4）建立網絡控制系統(tǒng)；

　　5）根據市場要求，產品模塊化。

　　太陽能路燈控制器的發(fā)展到日前為止已經經歷了3個階段：第一代功能比較簡陋，開關燈控制需要外接光敏感應器，定時時間不可設置，沒有電池保護電路，系統(tǒng)壽命非常短暫，很快就被市場淘汰：第二代在第一代的基礎上，設置了電池保護電路，通過太陽能路燈蓄電池組件搜集光敏數據，通過開關或程序設置定時，技術上有了階躍式的發(fā)展，逐漸被市場接受：第三代路燈控制器在于多數商家采用了PWM充電控制功能，對蓄電池進行涓流充電，有效延長了電池壽命，降低了使用成本，從而進一步擴大市場占有率。

　　一個好的控制器可以彌補甚至解決純太陽能路燈的諸多問題，提高其呵靠性。白適應太陽能供電路燈需要開發(fā)第四代控制器，它的特點是具有白適應燈的功率調節(jié)功能，電量檢測和剩余電量計算是必備的：同時具有組網功能，這樣可以保持整條街的路燈亮度一致，并可以進行通訊。

　　2 自適應單純太陽能供電路燈控制器的設計

　　日前各種現代控制理論，如白適應控制、自學習控制、模糊邏輯控制、神經網絡控制等先進控制理論和算法也大量應用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。其中自適應控制太陽能供電路燈控制器設計是值得推進的技術。

　　2.1設計目標

　　白適應單純太陽能供電路燈的設計目標：主要針對支路和供行人和非機動車通行的居住區(qū)道路和人行道路燈，對于南風能供電或風光互補的路燈系統(tǒng)本設計同樣適合：由于太陽能的不可靠性以及主干道的照明設計標準的嚴格性，單純太陽能供電比市電供電的路燈控制器的設計更為復雜，如系統(tǒng)控制需要太陽能和市電切換，則在本設計的基礎上進行精簡就好了。目標地點位于北京市內。

　　2.2 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計特點及功能

　　白適應單純太陽能供電路燈控制器設計方案的宗旨：通過精確控制，達到降低成本，提高可靠性的日的。主要具有以下幾個特點及功能（以太陽能路燈儲能器件為鉛酸電池為例）：

　　1）MPPT電路

　　根據太陽能路燈蓄電池板的特性，如將太陽能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個恒定電壓值附近，則太陽電池在整個工作過程中近似日標在最大功率點處，太陽能電池組件的能量轉換效率最高。利用PWM技術并通過對負載穩(wěn)壓來實現對LED的恒流，從而保證了LED的可靠使用141.采用意法半導體公司的MPPT專用芯片SPV1020.跟蹤效率可達98%，能量轉換效率為95%.理論上，使用MPPT技術會比傳統(tǒng)方法效率提高50%，實際測試中，由于周圍環(huán)境影響與各神能量損失，最終的效率也可以提高20%-30%.

　　2）過充過放保護

　　采用充電限壓，電池溫升檢測策略，如蓄電池電36 V，充電截止電壓42.5-43 V，充電截止溫度80℃，充電截止溫升30℃。不過絕大部分時間蓄電池基本處于欠充狀態(tài)。同時通過對電池電壓的數據實時采集，利用軟件控制對電池采取限壓保護：通過實時計算電池電量進行防過充過放保護，電量為100%時停止充電，電量為20%時停止放電，為延長其壽命，做了第二道防線。圖1 為蓄電池過充保護流程圖。

　　圖1 蓄電池過充保護流程圖

　　3）智控開關，實時監(jiān)測，預警功能

　　進行太陽能路燈電池板電流檢測，蓄電池電壓檢測，蓄電池電量監(jiān)測，以及環(huán)境溫度的檢測，采用光開時關，并實時上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數據，預警故障，保證系統(tǒng)的可靠性。圖2為太陽能路燈的開、關控制流程網。

　　圖2 路燈的開、關控制流程圖

　　4）亮度的自適應調節(jié)

　　通常太陽能路燈廠家為了保證連續(xù)陰雨天的正常工作，只一味地加大蓄電池容量，一般蓄電池的容量可達電池板容量的5倍，其實這樣做并不能解決問題。因為陰雨天工作的可靠性并不取決于電池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根據當前地理位置，季節(jié)，時間，氣象條件，光的輻射量，浮塵濃度，工作環(huán)境以及剩余電量，自適應調節(jié)燈的亮度，合理分配能量。由于設計為純太陽能供電，不考慮雙電源情況，所以要想提高系統(tǒng)可靠性，唯一的方案就是犧牲燈的亮度。

　　根據當天用電前的剩余電量和當天的充電量來進行白適應調節(jié)，在保證正常照明的同時，使電池的工作點長期保持在高電位，并且使充放電深度在30%以下，根據電池循環(huán)壽命曲線，可以延長電池壽命4-5倍，有效降低太陽能路燈的成本，提高可靠性。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過程。

　　2.2.1 電池電量檢測

　　1）電量檢測的算法

　　大量的實驗數據表明，電池老化時蓄電池的內阻與電荷之間有較高的相關性（0.88左右），蓄電池完全充電和完全放電時的內阻相差2-4倍，所以通過測量電池內阻可較準確地檢測電池電量。

　　2）建立內阻一電量一循環(huán)周期的關系曲線

　　為了得到實時剩余電量值，要建立一個電量和內阻之間關系的數據庫。

　　以時間為標準，就可以建立起內阻一電量一循環(huán)周期的關系曲線，然后通過Matlab的曲線擬合功能得出內阻，電量以及循環(huán)周期的關系式。蓄電池內阻與剩余電量關系曲線如圖3所示，剩余電量隨著內阻的增大而成指數趨勢減小。

　　圖3 蓄電池內阻與剩余電量關系曲線

　　3）在線檢測電量

　　在太陽能路燈工作開始之前檢測出剩余電量，采用交流壓降內阻測量法測得內阻值，通過查做好的數據表，并進行數據校正，得到對應的電量值。

　　給電池施加一個固定頻率和固定電流（日前一般使用l kHz頻率、50 mA小電沆），然后對其電壓進行采樣，經過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路計算出該電池的內阻值。圖4為在線測量剩余電量硬件框圖。

　　圖4 在線測量剩余電量硬件框圖

　　2.2.2充電量計算

　　充電量是通過太陽能電池板接收輻射強度和電池板面積計算得到的。太陽能電池