自適應太陽(yáng)能路燈控制器設計案例

　　基于改善季節性負載光伏太陽(yáng)能路燈運行可靠性的目的，采用新一代自適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設計的方法，通過(guò)功率調節，電量檢測和剩余電量計算、組網(wǎng)功能等對蓄電池的充、放電以及路燈的開(kāi)、關(guān)、最大功率跟蹤等智能控制，提高了太陽(yáng)能電池的轉換效率，延長(cháng)了蓄電池的使用壽命，降低產(chǎn)品造價(jià)。得到了自適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器是提高季節性負載光伏太陽(yáng)能路系統可靠性保證的結論。

　　大陽(yáng)能路燈以其無(wú)需鋪設電纜，不消耗常規能源等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛認可。然而太陽(yáng)能路燈還存在一些問(wèn)題造成其成本偏高，可靠性不穩定，、比如電池往往不到一年就需要更換，不僅提高了后期維護的費用，而且增加了客戶(hù)的消費成本，也造成了資源浪費。其次是太陽(yáng)能屬于不穩定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時(shí)間短，冬天有效光照時(shí)間短，但路燈使用時(shí)間長(cháng)，大大降低了運行的可靠性，其原因主要受到太陽(yáng)能路燈控制器性能的影響。太陽(yáng)能控制器是太陽(yáng)能光伏系統中的核心部分，主要完成對蓄電池的充、放電、調光和路燈的開(kāi)、美控制，以及在過(guò)充、過(guò)放電、過(guò)載等情況發(fā)生時(shí)對系統進(jìn)行及時(shí)和有效地保護，保證照明時(shí)間，確?？煽啃?，有效延長(cháng)電池壽命，降低成本。

　　1 太陽(yáng)能路燈控制器的主要設計要求和發(fā)展階段

　　太陽(yáng)能路燈控制器的技術(shù)和質(zhì)量的主要要求有：

　　1）供電系統，根據太陽(yáng)能路燈蓄電池板特性，要設計成恒流輸出：

　　2）過(guò)充，過(guò)放保護；

　　3）具有系統功率調節功能；

　　4）建立網(wǎng)絡(luò )控制系統；

　　5）根據市場(chǎng)要求，產(chǎn)品模塊化。

　　太陽(yáng)能路燈控制器的發(fā)展到日前為止已經(jīng)經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一代功能比較簡(jiǎn)陋，開(kāi)關(guān)燈控制需要外接光敏感應器，定時(shí)時(shí)間不可設置，沒(méi)有電池保護電路，系統壽命非常短暫，很快就被市場(chǎng)淘汰：第二代在第一代的基礎上，設置了電池保護電路，通過(guò)太陽(yáng)能路燈蓄電池組件搜集光敏數據，通過(guò)開(kāi)關(guān)或程序設置定時(shí)，技術(shù)上有了階躍式的發(fā)展，逐漸被市場(chǎng)接受：第三代路燈控制器在于多數商家采用了PWM充電控制功能，對蓄電池進(jìn)行涓流充電，有效延長(cháng)了電池壽命，降低了使用成本，從而進(jìn)一步擴大市場(chǎng)占有率。

　　一個(gè)好的控制器可以彌補甚至解決純太陽(yáng)能路燈的諸多問(wèn)題，提高其呵靠性。白適應太陽(yáng)能供電路燈需要開(kāi)發(fā)第四代控制器，它的特點(diǎn)是具有白適應燈的功率調節功能，電量檢測和剩余電量計算是必備的：同時(shí)具有組網(wǎng)功能，這樣可以保持整條街的路燈亮度一致，并可以進(jìn)行通訊。

　　2 自適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器的設計

　　日前各種現代控制理論，如白適應控制、自學(xué)習控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應用在光伏發(fā)電系統中。其中自適應控制太陽(yáng)能供電路燈控制器設計是值得推進(jìn)的技術(shù)。

　　2.1設計目標

　　白適應單純太陽(yáng)能供電路燈的設計目標：主要針對支路和供行人和非機動(dòng)車(chē)通行的居住區道路和人行道路燈，對于南風(fēng)能供電或風(fēng)光互補的路燈系統本設計同樣適合：由于太陽(yáng)能的不可靠性以及主干道的照明設計標準的嚴格性，單純太陽(yáng)能供電比市電供電的路燈控制器的設計更為復雜，如系統控制需要太陽(yáng)能和市電切換，則在本設計的基礎上進(jìn)行精簡(jiǎn)就好了。目標地點(diǎn)位于北京市內。

　　2.2 自適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設計特點(diǎn)及功能

　　白適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設計方案的宗旨：通過(guò)精確控制，達到降低成本，提高可靠性的日的。主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)及功能（以太陽(yáng)能路燈儲能器件為鉛酸電池為例）：

　　1）MPPT電路

　　根據太陽(yáng)能路燈蓄電池板的特性，如將太陽(yáng)能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個(gè)恒定電壓值附近，則太陽(yáng)電池在整個(gè)工作過(guò)程中近似日標在最大功率點(diǎn)處，太陽(yáng)能電池組件的能量轉換效率最高。利用PWM技術(shù)并通過(guò)對負載穩壓來(lái)實(shí)現對LED的恒流，從而保證了LED的可靠使用141.采用意法半導體公司的MPPT專(zhuān)用芯片SPV1020.跟蹤效率可達98%，能量轉換效率為95%.理論上，使用MPPT技術(shù)會(huì )比傳統方法效率提高50%，實(shí)際測試中，由于周?chē)h(huán)境影響與各神能量損失，最終的效率也可以提高20%-30%.

　　2）過(guò)充過(guò)放保護

　　采用充電限壓，電池溫升檢測策略，如蓄電池電36 V，充電截止電壓42.5-43 V，充電截止溫度80℃，充電截止溫升30℃。不過(guò)絕大部分時(shí)間蓄電池基本處于欠充狀態(tài)。同時(shí)通過(guò)對電池電壓的數據實(shí)時(shí)采集，利用軟件控制對電池采取限壓保護：通過(guò)實(shí)時(shí)計算電池電量進(jìn)行防過(guò)充過(guò)放保護，電量為100%時(shí)停止充電，電量為20%時(shí)停止放電，為延長(cháng)其壽命，做了第二道防線(xiàn)。圖1 為蓄電池過(guò)充保護流程圖。

　　3）智控開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)監測，預警功能

　　進(jìn)行太陽(yáng)能路燈電池板電流檢測，蓄電池電壓檢測，蓄電池電量監測，以及環(huán)境溫度的檢測，采用光開(kāi)時(shí)關(guān)，并實(shí)時(shí)上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數據，預警故障，保證系統的可靠性。圖2為太陽(yáng)能路燈的開(kāi)、關(guān)控制流程網(wǎng)。

　　圖2 路燈的開(kāi)、關(guān)控制流程圖

　　4）亮度的自適應調節

　　通常太陽(yáng)能路燈廠(chǎng)家為了保證連續陰雨天的正常工作，只一味地加大蓄電池容量，一般蓄電池的容量可達電池板容量的5倍，其實(shí)這樣做并不能解決問(wèn)題。因為陰雨天工作的可靠性并不取決于電池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根據當前地理位置，季節，時(shí)間，氣象條件，光的輻射量，浮塵濃度，工作環(huán)境以及剩余電量，自適應調節燈的亮度，合理分配能量。由于設計為純太陽(yáng)能供電，不考慮雙電源情況，所以要想提高系統可靠性，唯一的方案就是犧牲燈的亮度。

　　根據當天用電前的剩余電量和當天的充電量來(lái)進(jìn)行白適應調節，在保證正常照明的同時(shí)，使電池的工作點(diǎn)長(cháng)期保持在高電位，并且使充放電深度在30%以下，根據電池循環(huán)壽命曲線(xiàn)，可以延長(cháng)電池壽命4-5倍，有效降低太陽(yáng)能路燈的成本，提高可靠性。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過(guò)程。

　　2.2.1 電池電量檢測

　　1）電量檢測的算法

　　大量的實(shí)驗數據表明，電池老化時(shí)蓄電池的內阻與電荷之間有較高的相關(guān)性（0.88左右），蓄電池完全充電和完全放電時(shí)的內阻相差2-4倍，所以通過(guò)測量電池內阻可較準確地檢測電池電量。

　　2）建立內阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線(xiàn)

　　為了得到實(shí)時(shí)剩余電量值，要建立一個(gè)電量和內阻之間關(guān)系的數據庫。

　　以時(shí)間為標準，就可以建立起內阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線(xiàn)，然后通過(guò)Matlab的曲線(xiàn)擬合功能得出內阻，電量以及循環(huán)周期的關(guān)系式。蓄電池內阻與剩余電量關(guān)系曲線(xiàn)如

　　圖3所示，剩余電量隨著(zhù)內阻的增大而成指數趨勢減小。

　　3）在線(xiàn)檢測電量

　　在太陽(yáng)能路燈工作開(kāi)始之前檢測出剩余電量，采用交流壓降內阻測量法測得內阻值，通過(guò)查做好的數據表，并進(jìn)行數據校正，得到對應的電量值。

　　給電池施加一個(gè)固定頻率和固定電流（日前一般使用l kHz頻率、50 mA小電沆），然后對其電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)整流、濾波等一系列處理后通過(guò)運放電路計算出該電池的內阻值。圖4為在線(xiàn)測量剩余電量硬件框圖。

　　2.2.2充電量計算

　　充電量是通過(guò)太陽(yáng)能電池板接收輻射強度和電池板面積計算得到的。太陽(yáng)能電池板接收輻射強度為單日輻射強度與sin a的乘積，其中a為正午太陽(yáng)輻射與電池板的平均夾角。電池板面積可參考配置計算部分的內容，并且經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到的。

　　2.2.3剩余電量計算

　　通過(guò)計算電流在時(shí)域上的積分，可得出電量變化值，在路燈工作前檢測到的電池電量作為初始電量，則剩余電量為初始電量減去電量變化值。同時(shí)通過(guò)對MPPT電路的輸出電流做積分，作為電量變化的校正值，從而得到較準確的剩余電量值。圖5為剩余電量計算流程圖。

　　1）Zighee無(wú)線(xiàn)通訊系統連網(wǎng)

　　保證整條路的路燈的開(kāi)，關(guān)時(shí)間一致，馬路亮度均勻，保證駕駛安全，避免駕駛員視覺(jué)疲勞；實(shí)時(shí)傳送數據，進(jìn)行遠程監測和控制：在線(xiàn)軟件升級，降低維護及調試成本：待機睡眠，降低系統功耗。將Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于蓄電池牛產(chǎn)過(guò)程中的充放電參數檢測中，將極大地提高產(chǎn)品測試的靈活性和可靠性，對提高蓄電池牛產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義問(wèn)。

　　2）模塊化可擴展性

　　設計的控制器的供電系統可以是模塊化的，設計采用恒流充電方式，所以電池板可擴展，LED模組可根據系統功率進(jìn)行并聯(lián)擴展。

　　根據如上計算，具體設計框圖如圖6所示，為太陽(yáng)能路燈控制系統硬件框架。圖7為太陽(yáng)能路燈控制系統電路原理圖。

　　圖6 太陽(yáng)能路燈控制系統硬件框架

　　圖7 太陽(yáng)能路燈控制系統電路原理圖

　　3 自適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設計方案模擬

　　開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間根據天安門(mén)升降旗時(shí)間而定，如表1所示，全年最長(cháng)點(diǎn)燈時(shí)長(cháng)茌12月為14.52小時(shí)，最短為9.13小時(shí)。照明時(shí)間分為3個(gè)時(shí)段，第一個(gè)時(shí)段從當天天安門(mén)降旗時(shí)刻開(kāi)始，為5個(gè)小時(shí)，第二個(gè)時(shí)段到早上5點(diǎn)，第三個(gè)時(shí)段從5點(diǎn)到滅安門(mén)升旗時(shí)刻，燈光亮度各時(shí)段權重比為5：2：3，如果以100 W光源為設計標準，則光源功耗最大為1.068 5 kW-h。

　　表1 照明策略基準參數

　　圖8顯示根據表1中的數據得m的各月太陽(yáng)能電池板面積排列柱形罔，從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點(diǎn)處2月的畫(huà)積值，太陽(yáng)電池板面積為2.2 IT12.蓄電池為115 Ah.這樣選擇的原因是這樣可以保證全年85%的照明時(shí)間，剩下的15%為過(guò)放，不過(guò)要給白適應調節留下一個(gè)調節余量，所以選擇以2月數據計算fn的太陽(yáng)能面積的值，即2.216 2 m2，過(guò)放的情況為3個(gè)月，過(guò)放比率為25%，從而有100/e的調節空間。

　　圖8 各月太陽(yáng)能電池板對應面積排列柱形圖

　　4 結 論

　　白適應單純太陽(yáng)能供電路燈控制器的設計，實(shí)現了以MPPT電路為控制核心的智能太陽(yáng)能路燈控制器，具有外圍電路簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現了太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略，實(shí)現算法簡(jiǎn)單，既提高了太陽(yáng)能電池板的使用效率，又延長(cháng)了蓄電池的使用壽命，對于個(gè)別過(guò)分欠充、過(guò)充燈根據問(wèn)題加大、減小電池板面積，更換電池或燈珠，根據每盞路燈的實(shí)際情況靈活調整其配置，可使每盞燈都工作在最佳狀態(tài)，不但保證了正常照明，而且避免了資源浪費，也降低了產(chǎn)品造價(jià)，具有一定的參考和推廣應用價(jià)值。