太陽能高壓氣體放電燈智能控制系統(tǒng)

　　摘 要：為了提高太陽能高壓氣體放電燈照明效率，延長照明時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能充放電控制、智能照明控制，提出一種新型太陽能高壓氣體放電燈照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)充電控制策略實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)和蓄電池三段式精確充電，照明控制策略采用變開關(guān)頻率控制和恒功率控制。硬件結(jié)構(gòu)采用單級式逆變結(jié)構(gòu)，減少了硬件成本開銷，提高了能量轉(zhuǎn)化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；該系統(tǒng)延長了蓄電池壽命及點(diǎn)燈時(shí)間，提高了電燈效率，效率達(dá)90％以上，使得太陽能高壓鈉燈照明系統(tǒng)智能、高效，穩(wěn)定的運(yùn)行。

　　關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；高壓氣體放電燈；照明；最大功率點(diǎn)跟蹤；充放電

　　太陽能以其無污染、穩(wěn)定可靠和取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，成為當(dāng)前新能源開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。采用高壓氣體放電燈實(shí)現(xiàn)太陽能光伏照明，是目前應(yīng)用最為廣泛的光伏照明技術(shù)之一。

　　本文提出新型的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件控制策略。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心進(jìn)行能量管理，通過采樣太陽能電池、蓄電池及燈具的電量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和智能控制運(yùn)行。控制策論包括：在充電環(huán)節(jié)中應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(maximum power point tracking，MPPT)最大限度地吸收太陽能功率，并采用三段式充電技術(shù)保證蓄電池的壽命和充電量。在放電環(huán)節(jié)中采用變頻輸出控制策略，達(dá)到高壓鈉燈電流可控的目的，實(shí)現(xiàn)高壓鈉燈照明的智能控制。硬件設(shè)計(jì)中采用全橋逆變(DC-AC)電路，配合燈具照明。

　　1 太陽能高壓鈉燈照明系統(tǒng)的組成

　　本文提出的太陽能高壓鈉燈照明系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由太陽能電池板(光伏陣列)、蓄電池、照明燈具和控制器組成。

　　1)太陽能電池作為整個(gè)系統(tǒng)的能量源，在白天，進(jìn)入充電狀態(tài)，充電過程采用PWM控制，控制系統(tǒng)不斷檢測光伏陣列和蓄電池的電量，在不同的充電策略中進(jìn)行控制和切換。天黑時(shí)，太陽能電池板電壓低于設(shè)定值時(shí)，退出充電環(huán)節(jié)。

　　2)蓄電池作為太陽能能量的儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，白天通過充電電路將太陽能儲(chǔ)存在蓄電池中，晚上蓄電池通過全橋DC—AC電路向高壓鈉燈提供電能，此外，所有的控制電路所需電能都由蓄電池提供。

　　3)照明燈具一般選擇壽命長、發(fā)光效率高的節(jié)能燈，本系統(tǒng)中采用高壓鈉燈。

　　4)控制系統(tǒng)由單片機(jī)及其外部電路構(gòu)成，通過對采樣結(jié)果的計(jì)算和判斷，控制整個(gè)系統(tǒng)的走向。

　　2 蓄電池充電策略

　　為提高充電效率、延長蓄電池壽命，在對蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，采用了本文提出了基于MPPT的三段式充電控制策略，較好的解決了上述問題。

　　2．1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

　　太陽能電池輸出特性具有非線性，且具有受光照熱流密度q和環(huán)境溫度影響嚴(yán)重的特點(diǎn)，輸出特性在不同光照強(qiáng)度下的曲線見圖2。

　　為達(dá)到太陽能最大利用率，則需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(MPPT)。MPPT技術(shù)是對太陽能功率曲線的一階差分跟蹤，控制目標(biāo)為，通過對功率曲線進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法，使輸出功率最大。具體算法為：對太陽能電池電壓和電流進(jìn)行采樣，求出輸出功率，并與上一周期計(jì)算得到的功率值進(jìn)行比較，求出差分值，如果滿足

　　那么可以認(rèn)為達(dá)到了最大功率點(diǎn)跟蹤。在最大功率點(diǎn)充電階段，當(dāng)蓄電池電壓高于蓄電池可接受的最大功率點(diǎn)充電電壓沒定值時(shí)，表明太陽能輸出能力超出蓄電池接受能力，則退出最大功率點(diǎn)充電階段。

　　2．2 蓄電池的三段式充電

　　蓄電池作為照明的直接電源，必須考慮到蓄電池容量和壽命衰減的問題，如何對蓄電池進(jìn)行合理充電，盡可能保持蓄電池容量，提高壽命，就顯得十分重要。采用本文下面提出的三段式充電策略，可以很好的解決問題。

　　1)快沖階段：快沖階段采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。當(dāng)電壓高于轉(zhuǎn)換門限時(shí)，退出快沖階段，進(jìn)入過沖階段。

　　2)過充階段：在快沖階段給蓄電池一個(gè)較高的充電電壓，當(dāng)充電電流小于轉(zhuǎn)換門限時(shí)，即蓄電池接近充滿時(shí)，退出過充階段，進(jìn)入浮充階段。

　　3)浮充階段：在浮充階段給蓄電池加一個(gè)適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/浮充電">浮充電壓，實(shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下，對于一般免維護(hù)蓄電池，穩(wěn)定工作壽命為6～lO a，若不加或者浮充電壓的偏差較大，都會(huì)使蓄電池壽命大大降低。

　　3 供電電路的設(shè)計(jì)

　　放電電路采用單級式全橋DC—AC變換電路加高頻變壓器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

　　供電電路以鉛酸蓄電池為電源，250 W高壓鈉燈為負(fù)載。蓄電池為直流源，3節(jié)串聯(lián)直流電壓范圍選在34～42 V之間供電。

　　輸入輸出電壓關(guān)系為

　　其中：q為占空比，n=N2/N1為變壓器變比，R為高壓鈉燈等效電阻，XL為鎮(zhèn)流器電抗，XL=2πfL。由式(3)可知通過改變輸出頻率，從而改變鎮(zhèn)流器電抗，盡而改變電燈分壓，達(dá)到輸出電壓、電流可控的目的。

　　由于高壓鈉燈工作在弧光放電狀態(tài)，伏安特性曲線為負(fù)斜率，因此電路中必須串聯(lián)一個(gè)具有正阻特性的電路元件來平衡這種負(fù)阻特性。同時(shí)，高壓納燈啟動(dòng)時(shí)，由于高壓鈉燈的啟動(dòng)特性，使得啟動(dòng)時(shí)高壓鈉燈內(nèi)阻很小，穩(wěn)態(tài)時(shí)電阻值又趨于穩(wěn)定。圖4為在不同逆變電壓下，高壓鈉燈的啟動(dòng)特性和所需補(bǔ)償電抗，其中pu表示標(biāo)幺值(下同)。

　　為解決上述問題，本文采用高頻電子鎮(zhèn)流器配合高壓鈉燈的工作方式。通過改變逆變器的開關(guān)頻率的策略，改變鎮(zhèn)流器電感，從而達(dá)到了控制高壓鈉燈的啟動(dòng)電流的目的，使高壓鈉燈啟動(dòng)穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由于蓄電池電壓的下降和高壓鈉燈的伏安特性，通過改變逆變器的開關(guān)頻率，達(dá)到控制高壓鈉燈分壓和電流的目的，使高壓鈉燈穩(wěn)定工作。

　　變開關(guān)頻率控制高壓鈉燈電流的具體實(shí)現(xiàn)方法為：不斷檢測鎮(zhèn)流器電流，通過AD采樣，反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過采樣值與額定設(shè)定值進(jìn)行比較，給出改變頻率的指令，同時(shí)給出頻率的改變量，當(dāng)蓄電池電壓下降或燈電流減小時(shí)，降低開關(guān)頻率，使鎮(zhèn)流器分壓降低，保證燈的恒定電流，實(shí)現(xiàn)了高壓鈉燈電流的閉環(huán)控制，實(shí)驗(yàn)表明，逆變器的輸出電流穩(wěn)定在高壓鈉燈額定輸出電流附近。

　　在硬件設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)采用了如圖3所示的單級式逆變結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)在于只通過一個(gè)能量變換環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)升壓、最大功率點(diǎn)跟蹤、逆變、電氣隔離等功能。與傳統(tǒng)雙級式逆變結(jié)構(gòu)相比，最大優(yōu)勢在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，低損耗，效率明顯提高。同時(shí)采用無工頻變壓器開關(guān)電源取代了體積笨重的工頻變壓器，實(shí)現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)換與隔離，具有體積小，重量輕，效率高等特點(diǎn)。

　　由于本系統(tǒng)高壓鈉燈工作頻率很高(30～70kHz)，而一般電流傳感器的頻率特性在20 kHz以下，因此檢測電流波動(dòng)范圍大?；诖吮疚奶岢隽硗庖环N智能控制方案，即通過控制蓄電池的功率輸出，間接控制高壓鈉燈功率?？刂葡到y(tǒng)通過采樣值蓄電池功率與設(shè)定值比較，不斷調(diào)整逆變頻率，達(dá)到輸出功率可控。

　　恒功率控制優(yōu)勢在于采樣信號(hào)直接來自直流側(cè)，電壓電流測量精度高，開關(guān)頻率改變量更加精確。實(shí)驗(yàn)表明，采用基于變頻率輸出的電流控制、恒功率控制策略，使得高壓鈉燈運(yùn)行更加穩(wěn)定。

　　4 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)行主要通過89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，包括能量管理控制，MPPT策略，采樣判斷，發(fā)PWM脈沖。

　　Buck電路的PWM脈沖由單片機(jī)直接給出，固定頻率33 kHz。由圖2給出的太陽能輸出特性曲線可知，通過調(diào)節(jié)占空比，改變太陽能電池端電壓，