獨(dú)立光伏照明中的能量管理研究

1 引言

　　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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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：