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，延長照明時間，實現(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)充電控制策略實現(xiàn)了最大功率點跟蹤技術(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。實驗結(jié)果表明；該系統(tǒng)延長了蓄電池壽命及點燈時間，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，成為當(dāng)前新能源開發(fā)的一個重點。采用高壓氣體放電燈實現(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)計和軟件控制策略。系統(tǒng)采用單片機作為核心進(jìn)行能量管理，通過采樣太陽能電池、蓄電池及燈具的電量，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制和智能控制運行。控制策論包括：在充電環(huán)節(jié)中應(yīng)用最大功率點跟蹤技術(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，實現(xiàn)高壓鈉燈照明的智能控制。硬件設(shè)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(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，太陽能電池板電壓低于設(shè)定值時，退出充電環(huán)節(jié)。
    2)蓄電池作為太陽能能量的儲存環(huán)節(jié)，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(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)由單片機及其外部電路構(gòu)成，通過對采樣結(jié)果的計算和判斷，控制整個系統(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，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(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，輸出特性在不同光照強度下的曲線見圖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)到了最大功率點跟蹤。在最大功率點充電階段，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(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，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較高的充電電壓，當(dāng)充電電流小于轉(zhuǎn)換門限時，即蓄電池接近充滿時，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適當(dāng)?shù)母〕潆妷�，實驗表明，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，都會使蓄電池壽命大大降低。

3 供電電路的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)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(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