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為了提高太陽能高壓氣體放電燈照明效率，延長照明時間，實現智能充放電控制、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。系統充電控制策略實現了最大功率點跟蹤技術和蓄電池三段式精確充電，照明控制策略采用變開關頻率控制和恒功率控制。硬件結構采用單級式逆變結構，減少了硬件成本開銷，提高了能量轉化率。實驗結果表明；該系統延長了蓄電池壽命及點燈時間，提高了電燈效率，效率達90％以上，使得太陽能高壓鈉燈照明系統智能、高效，穩定的運行。 太陽能以其無污染、穩定可靠和取之不盡、用之不竭的特點，成為當前新能源開發的一個重點。采用高壓氣體放電燈實現太陽能光伏照明，是目前應用最為廣泛的光伏照明技術之一。 本文提出新型的太陽能路燈智能控制系統的硬件設計和軟件控制策略。系統采用單片機作為核心進行能量管理，通過采樣太陽能電池、蓄電池及燈具的電量，實現系統的自動控制和智能控制運行。控制策論包括：在充電環節中應用最大功率點跟蹤技術(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保證蓄電池的壽命和充電量。在放電環節中采用變頻輸出控制策略，達到高壓鈉燈電流可控的目的，實現高壓鈉燈照明的智能控制。硬件設計中采用全橋逆變(DC-AC)電路，配合燈具照明。 1 太陽能高壓鈉燈照明系統的組成 本文提出的太陽能高壓鈉燈照明系統如圖1所示，系統由太陽能電池板(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系統的能量源，在白天，進入充電狀態，充電過程采用PWM控制，控制系統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行控制和切換。天黑時，太陽能電池板電壓低于設定值時，退出充電環節。 2)蓄電池作為太陽能能量的儲存環節，白天通過充電電路將太陽能儲存在蓄電池中，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、發光效率高的節能燈，本系統中采用高壓鈉燈。 4)控制系統由單片機及其外部電路構成，通過對采樣結果的計算和判斷，控制整個系統的走向。 2 蓄電池充電策略 為提高充電效率、延長蓄電池壽命，在對蓄電池進行充電時，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 最大功率點跟蹤技術 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和環境溫度影響嚴重的特點，輸出特性在不同光照強度下的曲線見圖2。 為達到太陽能最大利用率，則需要采用最大功率點跟蹤技術(MPPT)。MPPT技術是對太陽能功率曲線的一階差分跟蹤，控制目標為，通過對功率曲線進行最大功率點跟蹤算法，使輸出功率最大。具體算法為：對太陽能電池電壓和電流進行采樣，求出輸出功率，并與上一周期計算得到的功率值進行比較，求出差分值，如果滿足 那么可以認為達到了最大功率點跟蹤。在最大功率點充電階段，當蓄電池電壓高于蓄電池可接受的最大功率點充電電壓沒定值時，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跟蹤技術，最大限度地將太陽能轉化為化學能。當電壓高于轉換門限時，退出快沖階段，進入過沖階段。 2)過充階段：在快沖階段給蓄電池一個較高的充電電壓，當充電電流小于轉換門限時，即蓄電池接近充滿時，退出過充階段，進入浮充階段。 3)浮充階段：在浮充階段給蓄電池加一個適當的浮充電壓，實驗表明，在適當的浮充狀態下，對于一般免維護蓄電池，穩定工作壽命為6～lO a，若不加或者浮充電壓的偏差較大，都會使蓄電池壽命大大降低。 3 供電電路的設計 放電電路采用單級式全橋DC—AC變換電路加高頻變壓器結構的設計，設計原理如圖3所示。 供電電路以鉛酸蓄電池為電源，250 W高壓鈉燈為負載。蓄電池為直流源，3節串聯直流電壓范圍選在34～42 V之間供電。 輸入輸出電壓關系為 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為鎮流器電抗，XL=2πfL。由式(3)可知通過改變輸出頻率，從而改變鎮流器電抗，盡而改變電燈分壓，達到輸出電壓、電流可控的目的。 由于高壓鈉燈工作在弧光放電狀態，伏安特性曲線為負斜率，因此電路中必須串聯一個具有正阻特性的電路元件來平衡這種負阻特性。同時，高壓納燈啟動時，由于高壓鈉燈的啟動特性，使得啟動時高壓鈉燈內阻很小，穩態時電阻值又趨于穩定。圖4為在不同逆變電壓下，高壓鈉燈的啟動特性和所需補償電抗，其中pu表示標幺值(下同)。 為解決上述問題，本文采用高頻電子鎮流器配合高壓鈉燈的工作方式。通過改變逆變器的開關頻率的策略，改變鎮流器電感，從而達到了控制高壓鈉燈的啟動電流的目的，使高壓鈉燈啟動穩定。在穩態工作時，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頻率，達到控制高壓鈉燈分壓和電流的目的，使高壓鈉燈穩定工作。 變開關頻率控制高壓鈉燈電流的具體實現方法為：不斷檢測鎮流器電流，通過AD采樣，反饋給單片機，單片機通過采樣值與額定設定值進行比較，給出改變頻率的指令，同時給出頻率的改變量，當蓄電池電壓下降或燈電流減小時，降低開關頻率，使鎮流器分壓降低，保證燈的恒定電流，實現了高壓鈉燈電流的閉環控制，實驗表明，逆變器的輸出電流穩定在高壓鈉燈額定輸出電流附近。 在硬件設計中，本系統采用了如圖3所示的單級式逆變結構，其結構最大特點在于只通過一個能量變換環節實現升壓、最大功率點跟蹤、逆變、電氣隔離等功能。與傳統雙級式逆變結構相比，最大優勢在于拓撲結構簡單，低損耗，效率明顯提高。同時采用無工頻變壓器開關電源取代了體積笨重的工頻變壓器，實現了電壓轉換與隔離，具有體積小，重量輕，效率高等特點。 由于本系統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，因此檢測電流波動范圍大。基于此本文提出另外一種智能控制方案，即通過控制蓄電池的功率輸出，間接控制高壓鈉燈功率。控制系統通過采樣值蓄電池功率與設定值比較，不斷調整逆變頻率，達到輸出功率可控。 恒功率控制優勢在于采樣信號直接來自直流側，電壓電流測量精度高，開關頻率改變量更加精確。實驗表明，采用基于變頻率輸出的電流控制、恒功率控制策略，使得高壓鈉燈運行更加穩定。 4 系統軟件控制設計 本系統平臺的運行主要通過89C51單片機進行控制，包括能量管理控制，MPPT策略，采樣判斷，發PWM脈沖。 Buck電路的PWM脈沖由單片機直接給出，固定頻率33 kHz。由圖2給出的太陽能輸出特性曲線可知，通過調節占空比，改變太陽能電池端電壓， 同時不斷檢測太陽能電池的最大功率點，保證太陽能電池輸出電壓為輸出特性曲線上對應的電壓。 全橋逆變電路由于要改變逆變開關頻率，因此，一般單片機的PWM功能都不能勝任。在本系統中，采用單片機通過I/O口直接輸出可變頻脈沖方波的形式。為精確控制脈沖時間和死區時間，通過定時器中斷程序實現發脈沖過程，這樣做的好處是可以方便的通過調整定時器的定時頻率從而改變方波信號的頻率。 除了充放電的智能控制外，系統還加入了對系統運行中的特殊情況的處理，例如太陽能電池板短時間被遮擋或天氣驟然變化造成的充電電壓跌落；高壓鈉燈由于故障無法正常照明造成啟輝器反復啟輝等，實現了照明系統的智能控制。 5 實驗結果 在如圖1所示的太陽能照明系統上，進行實驗。系統包括：4塊75W太陽能電池板串聯，最大功率點輸出電壓68 V，3塊100 Ah免維護鉛酸蓄電池串聯，充電電路為buck斬波電路，全橋逆變電路采用功率MOSFET開關管，輸出側接250 W高壓鈉燈。 在實驗中，對蓄電池的充電過程進行了記錄，表l為一天中記錄的充電階段蓄電池充電電流和端電壓實驗數據。 供電系統的全橋逆變輸出電壓波形如圖5所示，其中pu為標么值。通過鎮流器電感，高壓鈉燈兩端的電流波形如圖6所示，根據變壓器的變比和輸入輸出電壓計算，符合本文理論，驗證了本文理論的正確性。實驗中測得：蓄電池端電壓38．O V，蓄 電池輸出電流6．1 A，則蓄電池輸出功率為231．8W，測得逆變輸出側功率為210 W，則系統的效率為91．0％。實驗結果表明，系統無論是充電狀態還是逆變狀態都具有很高的效率。 6 結 論 本文提出了一種新型太陽能高壓氣體放電燈照明的智能控制系統，通過實驗，結果表明：采用最大功率點及三段式充電策略，有效提高充電效率和蓄電池的使用壽命。采用變開關頻率控制輸出功率，實現了高壓納燈的正常啟輝和穩定、長時間照明，配合單級式全橋逆電路，有效提高了能量轉換率，效率達到90％以上。應該說，具有智能控制系統的太陽能式高壓鈉燈照明系統有著非常廣闊的發展應用前景。 |
