1 引言
目前,,國內(nèi)外在照明" title="光伏照明">光伏照明領(lǐng)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(yīng)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(jié)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(shè)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(zhuǎn)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,??刂破饔沙潆娍刂坪透邏衡c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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(zhuǎn)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(gòu)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(guān)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。
蓄電池的使用,,歸根結(jié)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(guān)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),。控制器使用的充電電路采取了快充,、過充,、浮充3個階段的充電方法:
(1)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(zhuǎn)換門限值后,,充電電路轉(zhuǎn)到過充階段,。
(2)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(zhuǎn)換門限值Ioct時,,認為蓄電池電量已充滿,,充電電路轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)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(shè)計
5.1 充電電路硬件設(shè)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(diào)整BUCK 電路的驅(qū)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(diào)整BUCK電路的驅(qū)動占空比,不同的是轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)出3000V以上高壓,,將燈啟輝。燈點燃后,,電流感應(yīng)器T2感應(yīng)高壓鈉燈電流,,產(chǎn)生電流檢測信號,關(guān)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(jié)果
對上述設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(jié)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(jié)果表明,,與現(xiàn)有光伏照明系統(tǒng)相比,,應(yīng)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。