太陽(yáng)能高壓氣體放電燈智能控制系統

　　摘 要：為了提高太陽(yáng)能高壓氣體放電燈照明效率，延長(cháng)照明時(shí)間，實(shí)現智能充放電控制、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。系統充電控制策略實(shí)現了最大功率點(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。硬件結構采用單級式逆變結構，減少了硬件成本開(kāi)銷(xiāo)，提高了能量轉化率。實(shí)驗結果表明；該系統延長(cháng)了蓄電池壽命及點(diǎn)燈時(shí)間，提高了電燈效率，效率達90％以上，使得太陽(yáng)能高壓鈉燈照明系統智能、高效，穩定的運行。

　　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、穩定可靠和取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，成為當前新能源開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。采用高壓氣體放電燈實(shí)現太陽(yáng)能光伏照明，是目前應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的硬件設計和軟件控制策略。系統采用單片機作為核心進(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)現系統的自動(dòng)控制和智能控制運行?？刂撇哒摪ǎ涸诔潆姯h(huán)節中應用最大功率點(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(shí)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(yáng)能高壓鈉燈照明系統的組成

　　本文提出的太陽(yáng)能高壓鈉燈照明系統如圖1所示，系統由太陽(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(shí)，太陽(yáng)能電池板電壓低于設定值時(shí)，退出充電環(huán)節。

　　2)蓄電池作為太陽(yáng)能能量的儲存環(huán)節，白天通過(guò)充電電路將太陽(yáng)能儲存在蓄電池中，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(cháng)、發(fā)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(guò)對采樣結果的計算和判斷，控制整個(gè)系統的走向。

　　2 蓄電池充電策略

　　為提高充電效率、延長(cháng)蓄電池壽命，在對蓄電池進(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(xiàn)性，且具有受光照熱流密度q和環(huán)境溫度影響嚴重的特點(diǎn)，輸出特性在不同光照強度下的曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

　　為達到太陽(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)是對太陽(yáng)能功率曲線(xiàn)的一階差分跟蹤，控制目標為，通過(guò)對功率曲線(xiàn)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，并與上一周期計算得到的功率值進(jìn)行比較，求出差分值，如果滿(mǎn)足

　　那么可以認為達到了最大功率點(diǎn)跟蹤。在最大功率點(diǎn)充電階段，當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)能轉化為化學(xué)能。當電壓高于轉換門(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，當充電電流小于轉換門(mén)限時(shí)，即蓄電池接近充滿(mǎn)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)適當的浮充電壓，實(shí)驗表明，在適當的浮充狀態(tài)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(huì )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(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

　　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(guò)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(tài)，伏安特性曲線(xiàn)為負斜率，因此電路中必須串聯(lián)一個(gè)具有正阻特性的電路元件來(lái)平衡這種負阻特性。同時(shí)，高壓納燈啟動(dòng)時(shí)，由于高壓鈉燈的啟動(dòng)特性，使得啟動(dòng)時(shí)高壓鈉燈內阻很小，穩態(tài)時(shí)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(dòng)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(wèn)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(guò)改變逆變器的開(kāi)關(guān)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(dòng)電流的目的，使高壓鈉燈啟動(dòng)穩定。在穩態(tài)工作時(shí)，由于蓄電池電壓的下降和高壓鈉燈的伏安特性，通過(guò)改變逆變器的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率控制高壓鈉燈電流的具體實(shí)現方法為：不斷檢測鎮流器電流，通過(guò)AD采樣，反饋給單片機，單片機通過(guò)采樣值與額定設定值進(jìn)行比較，給出改變頻率的指令，同時(shí)給出頻率的改變量，當蓄電池電壓下降或燈電流減小時(shí)，降低開(kāi)關(guān)頻率，使鎮流器分壓降低，保證燈的恒定電流，實(shí)現了高壓鈉燈電流的閉環(huán)控制，實(shí)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(diǎn)在于只通過(guò)一個(gè)能量變換環(huán)節實(shí)現升壓、最大功率點(diǎn)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(yōu)勢在于拓撲結構簡(jiǎn)單，低損耗，效率明顯提高。同時(shí)采用無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源取代了體積笨重的工頻變壓器，實(shí)現了電壓轉換與隔離，具有體積小，重量輕，效率高等特點(diǎn)。

　　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(dòng)范圍大?；诖吮疚奶岢隽硗庖环N智能控制方案，即通過(guò)控制蓄電池的功率輸出，間接控制高壓鈉燈功率?？刂葡到y通過(guò)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(yōu)勢在于采樣信號直接來(lái)自直流側，電壓電流測量精度高，開(kāi)關(guān)頻率改變量更加精確。實(shí)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(guò)89C51單片機進(jìn)行控制，包括能量管理控制，MPPT策略，采樣判斷，發(fā)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(yáng)能輸出特性曲線(xiàn)可知，通過(guò)調節占空比，改變太陽(yáng)能電池端電壓，