太陽(yáng)能高壓氣體放電燈智能控制系統(tǒng)

摘  要：為了提高太陽(yáng)能高壓氣體放電燈照明效率，延長(zhǎng)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(yáng)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(kāi)關(guān)頻率控制和恒功率控制。硬件結(jié)構(gòu)采用單級(jí)式逆變結(jié)構(gòu)，減少了硬件成本開(kāi)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(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能以其無(wú)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(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。采用高壓氣體放電燈實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(yáng)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(guò)采樣太陽(yáng)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�？刂撇哒摪�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(yáng)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(yáng)能高壓鈉燈照明系統(tǒng)的組成
    本文提出的太陽(yáng)能高壓鈉燈照明系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板(光伏陣列)、蓄電池、照明燈具和控制器組成。

    1)太陽(yáng)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(guò)程采用PWM控制，控制系統(tǒng)不斷檢測(cè)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(yáng)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(yáng)能能量的儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，白天通過(guò)充電電路將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中，晚上蓄電池通過(guò)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(zhǎng)、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(guò)對(duì)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(zhǎng)蓄電池壽命，在對(duì)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(wèn)題。

2．1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)
    太陽(yáng)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(jiàn)圖2。

    為達(dá)到太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)能功率曲線的一階差分跟蹤，控制目標(biāo)為，通過(guò)對(duì)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(duì)太陽(yáng)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(méi)定值時(shí)，表明太陽(yáng)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(wèn)題，如何對(duì)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(wèn)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。當(dāng)電壓高于轉(zhuǎn)換門(mén)限時(shí)，退出快沖階段，進(jìn)入過(guò)沖階段。
    2)過(guò)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(mén)限時(shí)，即蓄電池接近充滿時(shí)，退出過(guò)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)母〕潆妷海瑢?shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下，對(duì)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(jí)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