太阳能高压气体放电灯智能控制系统

　　摘 要：为了提高太阳能高压气体放电灯照明效率，延长照明时间，实现智能充放电控制、智能照明控制，提出一种新型太阳能高压气体放电灯照明控制系统。系统充电控制策略实现了最大功率点跟踪技术和蓄电池三段式精确充电，照明控制策略采用变开关频率控制和恒功率控制。硬件结构采用单级式逆变结构，减少了硬件成本开销，提高了能量转化率。实验结果表明；该系统延长了蓄电池寿命及点灯时间，提高了电灯效率，效率达90％以上，使得太阳能高压钠灯照明系统智能、高效，稳定的运行。

　　关键词：太阳能发电；高压气体放电灯；照明；最大功率点跟踪；充放电

　　太阳能以其无污染、稳定可靠和取之不尽、用之不竭的特点，成为当前新能源开发的一个重点。采用高压气体放电灯实现太阳能光伏照明，是目前应用最为广泛的光伏照明技术之一。

　　本文提出新型的太阳能路灯智能控制系统的硬件设计和软件控制策略。系统采用单片机作为核心进行能量管理，通过采样太阳能电池、蓄电池及灯具的电量，实现系统的自动控制和智能控制运行。控制策论包括：在充电环节中应用最大功率点跟踪技术(maximum power point tracking，MPPT)最大限度地吸收太阳能功率，并采用三段式充电技术保证蓄电池的寿命和充电量。在放电环节中采用变频输出控制策略，达到高压钠灯电流可控的目的，实现高压钠灯照明的智能控制。硬件设计中采用全桥逆变(DC-AC)电路，配合灯具照明。

　　1 太阳能高压钠灯照明系统的组成

　　本文提出的太阳能高压钠灯照明系统如图1所示，系统由太阳能电池板(光伏阵列)、蓄电池、照明灯具和控制器组成。

　　1)太阳能电池作为整个系统的能量源，在白天，进入充电状态，充电过程采用PWM控制，控制系统不断检测光伏阵列和蓄电池的电量，在不同的充电策略中进行控制和切换。天黑时，太阳能电池板电压低于设定值时，退出充电环节。

　　2)蓄电池作为太阳能能量的储存环节，白天通过充电电路将太阳能储存在蓄电池中，晚上蓄电池通过全桥DC—AC电路向高压钠灯提供电能，此外，所有的控制电路所需电能都由蓄电池提供。

　　3)照明灯具一般选择寿命长、发光效率高的节能灯，本系统中采用高压钠灯。

　　4)控制系统由单片机及其外部电路构成，通过对采样结果的计算和判断，控制整个系统的走向。

　　2 蓄电池充电策略

　　为提高充电效率、延长蓄电池寿命，在对蓄电池进行充电时，采用了本文提出了基于MPPT的三段式充电控制策略，较好的解决了上述问题。

　　2．1 最大功率点跟踪技术

　　太阳能电池输出特性具有非线性，且具有受光照热流密度q和环境温度影响严重的特点，输出特性在不同光照强度下的曲线见图2。

　　为达到太阳能最大利用率，则需要采用最大功率点跟踪技术(MPPT)。MPPT技术是对太阳能功率曲线的一阶差分跟踪，控制目标为，通过对功率曲线进行最大功率点跟踪算法，使输出功率最大。具体算法为：对太阳能电池电压和电流进行采样，求出输出功率，并与上一周期计算得到的功率值进行比较，求出差分值，如果满足

　　那么可以认为达到了最大功率点跟踪。在最大功率点充电阶段，当蓄电池电压高于蓄电池可接受的最大功率点充电电压没定值时，表明太阳能输出能力超出蓄电池接受能力，则退出最大功率点充电阶段。

　　2．2 蓄电池的三段式充电

　　蓄电池作为照明的直接电源，必须考虑到蓄电池容量和寿命衰减的问题，如何对蓄电池进行合理充电，尽可能保持蓄电池容量，提高寿命，就显得十分重要。采用本文下面提出的三段式充电策略，可以很好的解决问题。

　　1)快冲阶段：快冲阶段采用最大功率点跟踪技术，最大限度地将太阳能转化为化学能。当电压高于转换门限时，退出快冲阶段，进入过冲阶段。

　　2)过充阶段：在快冲阶段给蓄电池一个较高的充电电压，当充电电流小于转换门限时，即蓄电池接近充满时，退出过充阶段，进入浮充阶段。

　　3)浮充阶段：在浮充阶段给蓄电池加一个适当的浮充电压，实验表明，在适当的浮充状态下，对于一般免维护蓄电池，稳定工作寿命为6～lO a，若不加或者浮充电压的偏差较大，都会使蓄电池寿命大大降低。

　　3 供电电路的设计

　　放电电路采用单级式全桥DC—AC变换电路加高频变压器结构的设计，设计原理如图3所示。

　　供电电路以铅酸蓄电池为电源，250 W高压钠灯为负载。蓄电池为直流源，3节串联直流电压范围选在34～42 V之间供电。

　　输入输出电压关系为

　　其中：q为占空比，n=N2/N1为变压器变比，R为高压钠灯等效电阻，XL为镇流器电抗，XL=2πfL。由式(3)可知通过改变输出频率，从而改变镇流器电抗，尽而改变电灯分压，达到输出电压、电流可控的目的。

　　由于高压钠灯工作在弧光放电状态，伏安特性曲线为负斜率，因此电路中必须串联一个具有正阻特性的电路元件来平衡这种负阻特性。同时，高压纳灯启动时，由于高压钠灯的启动特性，使得启动时高压钠灯内阻很小，稳态时电阻值又趋于稳定。图4为在不同逆变电压下，高压钠灯的启动特性和所需补偿电抗，其中pu表示标幺值(下同)。

　　为解决上述问题，本文采用高频电子镇流器配合高压钠灯的工作方式。通过改变逆变器的开关频率的策略，改变镇流器电感，从而达到了控制高压钠灯的启动电流的目的，使高压钠灯启动稳定。在稳态工作时，由于蓄电池电压的下降和高压钠灯的伏安特性，通过改变逆变器的开关频率，达到控制高压钠灯分压和电流的目的，使高压钠灯稳定工作。

　　变开关频率控制高压钠灯电流的具体实现方法为：不断检测镇流器电流，通过AD采样，反馈给单片机，单片机通过采样值与额定设定值进行比较，给出改变频率的指令，同时给出频率的改变量，当蓄电池电压下降或灯电流减小时，降低开关频率，使镇流器分压降低，保证灯的恒定电流，实现了高压钠灯电流的闭环控制，实验表明，逆变器的输出电流稳定在高压钠灯额定输出电流附近。

　　在硬件设计中，本系统采用了如图3所示的单级式逆变结构，其结构最大特点在于只通过一个能量变换环节实现升压、最大功率点跟踪、逆变、电气隔离等功能。与传统双级式逆变结构相比，最大优势在于拓扑结构简单，低损耗，效率明显提高。同时采用无工频变压器开关电源取代了体积笨重的工频变压器，实现了电压转换与隔离，具有体积小，重量轻，效率高等特点。

　　由于本系统高压钠灯工作频率很高(30～70kHz)，而一般电流传感器的频率特性在20 kHz以下，因此检测电流波动范围大。基于此本文提出另外一种智能控制方案，即通过控制蓄电池的功率输出，间接控制高压钠灯功率。控制系统通过采样值蓄电池功率与设定值比较，不断调整逆变频率，达到输出功率可控。

　　恒功率控制优势在于采样信号直接来自直流侧，电压电流测量精度高，开关频率改变量更加精确。实验表明，采用基于变频率输出的电流控制、恒功率控制策略，使得高压钠灯运行更加稳定。

　　4 系统软件控制设计

　　本系统平台的运行主要通过89C51单片机进行控制，包括能量管理控制，MPPT策略，采样判断，发PWM脉冲。

　　Buck电路的PWM脉冲由单片机直接给出，固定频率33 kHz。由图2给出的太阳能输出特性曲线可知，通过调节占空比，改变太阳能电池端电压，同时不断检测太阳能电池的最大功率点，保证太阳能电池输出电压为输出特性曲线上对应的电压。

　　全桥逆变电路由于要改变逆变开关频率，因此，一般单片机的PWM功能都不能胜任。在本系统中，采用单片机通过I/O口直接输出可变频脉冲方波的形式。为精确控制脉冲时间和死区时间，通过定时器中断程序实现发脉冲过程，这样做的好处是可以方便的通过调整定时器的定时频率从而改变方波信号的频率。

　　除了充放电的智能控制外，系统还加入了对系统运行中的特殊情况的处理，例如太阳能电池板短时间被遮挡或天气骤然变化造成的充电电压跌落；高压钠灯由于故障无法正常照明造成启辉器反复启辉等，实现了照明系统的智能控制。

　　5 实验结果

　　在如图1所示的太阳能照明系统上，进行实验。系统包括：4块75W太阳能电池板串联，最大功率点输出电压68 V，3块100 Ah免维护铅酸蓄电池串联，充电电路为buck斩波电路，全桥逆变电路采用功率MOSFET开关管，输出侧接250 W高压钠灯。

　　在实验中，对蓄电池的充电过程进行了记录，表l为一天中记录的充电阶段蓄电池充电电流和端电压实验数据。

　　供电系统的全桥逆变输出电压波形如图5所示，其中pu为标么值。通过镇流器电感，高压钠灯两端的电流波形如图6所示，根据变压器的变比和输入输出电压计算，符合本文理论，验证了本文理论的正确性。实验中测得：蓄电池端电压38．O V，蓄

　　电池输出电流6．1 A，则蓄电池输出功率为231．8W，测得逆变输出侧功率为210 W，则系统的效率为91．0％。实验结果表明，系统无论是充电状态还是逆变状态都具有很高的效率。

　　6 结 论

　　本文提出了一种新型太阳能高压气体放电灯照明的智能控制系统，通过实验，结果表明：采用最大功率点及三段式充电策略，有效提高充电效率和蓄电池的使用寿命。采用变开关频率控制输出功率，实现了高压纳灯的正常启辉和稳定、长时间照明，配合单级式全桥逆电路，有效提高了能量转换率，效率达到90％以上。应该说，具有智能控制系统的太阳能式高压钠灯照明系统有着非常广阔的发展应用前景。