1 引言

　　隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，太陽能已經(jīng)成為一種十分具有潛力的新能源，而光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的主要方式。光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)系統(tǒng)和獨(dú)立供電系統(tǒng)兩種。前者可以看作集中式或者分布式的太陽能電站；后者則不與電網(wǎng)相連，直接向負(fù)載提供電力。獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)屬于后一種。

　　獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)一般使用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，白天將太陽能電池輸出的電能儲(chǔ)存起來，夜間為照明負(fù)載供電。這樣的獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)、沙漠、邊疆哨所等電網(wǎng)仍未覆蓋的區(qū)域有很高的實(shí)用價(jià)值。

　　目前，國內(nèi)外在光伏照明領(lǐng)域的研究仍局限于組件配合和狀態(tài)控制等基本功能實(shí)現(xiàn)，而對(duì)光伏照明系統(tǒng)中的MPPT算法和蓄電池能量管理控制研究不夠深入；另外，現(xiàn)有光伏照明系統(tǒng)大都采用節(jié)能燈等作為光源，照度不能滿足交通照明等場合需求。因此，基于高強(qiáng)度氣體放電燈的光伏路燈照明系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　在獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中，主要的問題是如何提高太陽能電池工作效率，以及如何盡可能地延長蓄電池壽命。針對(duì)以上問題，本文提出了一種用于獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中的能量管理策略。該能量管理策略結(jié)合MPPT算法和分段式的蓄電池充電方法，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制，在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)，可以有效延長蓄電池的工作年限。在此獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中，為了配合高壓氣體放電燈的穩(wěn)定工作，設(shè)置了一個(gè)直流升壓電路和一個(gè)高頻逆變電路。配合鎮(zhèn)流、啟輝電路，250W高壓氣體放電燈能在高頻電源下穩(wěn)定工作，為照明提供了穩(wěn)定、高轉(zhuǎn)換效率的電光源，可以滿足道路交通照明等的要求。

　　2 獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的組成

　　與其它光伏照明系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)一個(gè)主要的特點(diǎn)是采用250W高壓鈉燈作為光源。高壓鈉燈是第3代綠色照明節(jié)能光源，它具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長以及透霧能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是太陽能照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能性照明的理想光源。系統(tǒng)還包括300pW太陽能電池，3塊串聯(lián)的100Ah全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池和系統(tǒng)控制器?？刂破饔沙潆娍刂坪透邏衡c燈供電電路組成。如圖1所示。

　　太陽能電池是光伏照明系統(tǒng)的輸入電源，為整個(gè)系統(tǒng)提供照明和控制所需電能。在白天光照條件下，太陽能電池將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，輸出端開路，蓄電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能輸出到照明負(fù)載。智能控制器的電源由蓄電池供給。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。太陽能電池是整個(gè)系統(tǒng)中最昂貴的部分，它的容量選取影響著整個(gè)系統(tǒng)的成本。

　　相比較而言，蓄電池價(jià)格較為低廉，因此可以選取較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽能電池所發(fā)出的功率。另外，在與照明負(fù)載配合時(shí)，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對(duì)系統(tǒng)容量留出一定裕度。

　　3 太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤

　　在太陽能發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域中盡可能地提高太陽能電池板的輸出功率一直是研究的熱點(diǎn)。太陽能電池輸出特性為非線性，而且受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響。如圖2所示，太陽能電池在任何時(shí)刻都存在一個(gè)最大功率輸出的工作點(diǎn)，而且隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化。為了能夠讓太陽能電池在供電系統(tǒng)中充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換能力，就需要實(shí)時(shí)控制太陽能電池的工作點(diǎn)以獲得最大的功率輸出。

　　快充階段，由于蓄電池的電流接受能力大于太陽能電池經(jīng)充電電路后的輸出能力。因此，可以只考慮如何實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出。在獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤。

　　先對(duì)太陽能電池的輸出電壓V和電流I進(jìn)行連續(xù)的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數(shù)據(jù)相乘折合成功率值P，然后減掉上一次采樣得到的功率值，即為功率差分值。當(dāng)功率達(dá)到最大值時(shí)滿足式：

　　令DI =VI ，DV = -IV ，則當(dāng)DV = DI時(shí)，即可近似認(rèn)為達(dá)到最大功率點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了最大功率點(diǎn)跟蹤的一階差分算法。

　　如果：

　　說明太陽能電池陣列輸出功率為電壓增加方向；

　　如果：

　　說明太陽能電池陣列輸出功率為電壓減少的方向。

　4 蓄電池充電策略

　　4.1 概述

　　蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，它們受充電方法影響很大。在獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中，由于太陽能電池本身的非線性以及其輸出受到光強(qiáng)和溫度的影響，傳統(tǒng)充電方法如恒流充電法不再適用。系統(tǒng)中不再僅僅關(guān)心蓄電池的充電速度；取而代之的是如何在充電的過程中既能最大限度地利用太陽能電池，又能合理地實(shí)現(xiàn)充電的最小損耗和蓄電池的最長壽命。在這套光伏系統(tǒng)中采用的策略就是以太陽能電池電壓、電流和蓄電池電壓、電流、容量同時(shí)作為變量和對(duì)象的綜合控制策略。

　　4.2 蓄電池分段式充電方法

　　蓄電池的使用，歸根結(jié)底是如何利用蓄電池的充放電特性。有效、科學(xué)地使用蓄電池，對(duì)提高蓄電池的使用效率、延長蓄電池的使用壽命，起著非常關(guān)鍵的作用。

　　對(duì)于一個(gè)蓄電池而言，選擇適當(dāng)?shù)某潆姺椒?，不只可以延長蓄電池的使用壽命，而且還可以提高充電效率。這就需要準(zhǔn)確判斷蓄電池的充電狀態(tài)從而選取充電電路的工作狀態(tài)。控制器使用的充電電路采取了快充、過充、浮充3個(gè)階段的充電方法：

　　（1）快充階段：在快充階段，充電電路的輸出等效于電流源。電流源的輸出電流根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)確定，為蓄電池最大可接受電流IMAX。充電過程中，電路檢測蓄電池端電壓。當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限值后，充電電路轉(zhuǎn)到過充階段。

　　（2）過充階段：在過充階段，充電電路對(duì)蓄電池提供一個(gè)較高電壓Voc，同時(shí)檢測充電電流。當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值Ioct時(shí)，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。

　?。?）浮充階段：在浮充階段，充電電流給蓄電池提供一個(gè)精確的、具有溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓VF。

　　4.3 浮充電壓溫度補(bǔ)償

　　蓄電池在充滿電后，保持電量的最好方法就是加一個(gè)恒定電壓到蓄電池上。這對(duì)充電電路提出了提供合適浮充電壓的要求。浮充電壓值既要足夠大，能補(bǔ)償蓄電池的自放電電流；又不能太大，以免導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部因過充而發(fā)生化學(xué)成分的分解。在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下，全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池能夠穩(wěn)定工作6~10年。而浮充電壓即使只有5%的偏差，也會(huì)使蓄電池的壽命減半。

　　必須考慮的是，鉛酸蓄電池的電壓特性具有明顯的負(fù)溫度系數(shù)，2V的電池約為-4.0mV/℃。也就是說，一個(gè)在25℃能夠正常工作的充電器，在0℃時(shí)就不能提供和保持足夠的電量；而在50℃時(shí)這個(gè)充電器會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的過充。合理考慮溫度變化范圍，充電器應(yīng)該根據(jù)蓄電池的溫度系數(shù)給予某種形式的補(bǔ)償。實(shí)際中利用式（2）來確定浮充電壓VF。其中VF0和T0分別為基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓和溫度值，C為電壓溫度系數(shù)：

　　控制器中，由單片機(jī)和檢測電路組成的充電控制電路有效地滿足了以上要求。它同時(shí)檢測充電電壓、充電電流和蓄電池溫度，根據(jù)蓄電池狀態(tài)可以提供3種充電狀態(tài)還包括有充電狀態(tài)下的過流、過充保護(hù)，浮充狀態(tài)下的溫度補(bǔ)償?shù)裙δ??？梢允剐铍姵氐膲勖玫阶畲笙薅鹊难娱L。

　　5 控制器硬件拓?fù)湓O(shè)計(jì)

　　5.1 充電電路硬件設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)上述充電控制策略，充電電路的硬件拓?fù)洳捎昧薆UCK電路，拓?fù)渑c控制示意圖如圖3所示。在快充階段，充電電路連接太陽能電池與鉛酸蓄電池，通過調(diào)整BUCK 電路的驅(qū)動(dòng)占空比，達(dá)到控制太陽能電池輸出電流的目的，最終實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤；在過充和浮充階段，充電電路仍然調(diào)整BUCK電路的驅(qū)動(dòng)占空比，不同的是轉(zhuǎn)為控制蓄電池的充電電流，使之不超過蓄電池的最大可接受電流。

　　5.2 供電電路硬件設(shè)計(jì)

　　光伏照明系統(tǒng)采用高壓鈉燈作為照明光源。根據(jù)高壓鈉燈的負(fù)載特性，系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高頻逆變電源以及與之配合的高頻電子鎮(zhèn)流器，不僅消除了工頻噪音、提高了照明效率，還有效地減小了控制器的體積和重量。

　　圖4是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的高壓鈉燈照明供電電路結(jié)構(gòu)框圖。其中高頻電子鎮(zhèn)流器的原理示意圖如圖5所示。通過在鎮(zhèn)流電感T1耦合的線圈N2上加上固定時(shí)間間隔的直流脈沖，在N1繞組上感應(yīng)出3000V以上高壓，將燈啟輝。燈點(diǎn)燃后，電流感應(yīng)器T2感應(yīng)高壓鈉燈電流，產(chǎn)生電流檢測信號(hào)，關(guān)斷啟輝放電電路。鎮(zhèn)流電感采用高頻磁芯繞制。提高頻率的同時(shí)也大大減小了所需鎮(zhèn)流器的電感量，從而減小了它的體積和損耗。試驗(yàn)證明，整個(gè)高頻電子鎮(zhèn)流器電路能夠穩(wěn)定、高效工作。

　　6 試驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)上述設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)進(jìn)行照明試驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，蓄電池輸出功率P=274W，燈的功率PLAMP=252W，效率h？92.0%。與使用普通鎮(zhèn)流器相比，整體效率可提高約4%。

　　高頻電子鎮(zhèn)流器工作的試驗(yàn)波形如圖6所示。其中（a）為啟輝脈沖電壓波形；（b）為正常工作時(shí)高壓鈉燈的電流波形。由圖可以看出，高頻電子鎮(zhèn)流器在啟輝時(shí)可輸出3000V，1ms寬的高壓脈沖，從而可以將燈可靠啟動(dòng)；高壓鈉燈啟動(dòng)后，其電流頻率為50kHz，超出音頻范圍，從而消除了音頻噪音。

　　試驗(yàn)還記錄了7h的充電中，充電電路在快充、過充、浮充3個(gè)階段中轉(zhuǎn)換過程中的電流、電壓波形，如圖7所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了本文所述的能量管理控制。應(yīng)用此能量管理策略的獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)已經(jīng)在北京同方廣場連續(xù)穩(wěn)定工作12個(gè)月，驗(yàn)證了該能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　7 結(jié)論

　　本文研究一種新型獨(dú)立光伏照明能量管理系統(tǒng)。試驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果表明，與現(xiàn)有光伏照明系統(tǒng)相比，應(yīng)用此控制器的獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①通過充電狀態(tài)的太陽能電池MPPT控制，提高了系統(tǒng)充電效率；②采用高效、無噪音、無頻閃的高頻高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流電路，實(shí)現(xiàn)了功能性照明；③通過檢測外部環(huán)境狀態(tài)和蓄電池能量，選擇系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行。