自適應單純太陽能路燈控制器系統(tǒng)設計
1 太陽能路燈控制器的主要設計要求和發(fā)展階段
太陽能路燈控制器的技術和質量的主要要求有:
1)供電系統(tǒng),根據(jù)太陽能路燈蓄電池板特性,要設計成恒流輸出:
2)過充,過放保護;
3)具有系統(tǒng)功率調節(jié)功能;
4)建立網(wǎng)絡控制系統(tǒng);
5)根據(jù)市場要求,產品模塊化。
太陽能路燈控制器的發(fā)展到日前為止已經(jīng)經(jīng)歷了3個階段:第一代功能比較簡陋,開關燈控制需要外接光敏感應器,定時時間不可設置,沒有電池保護電路,系統(tǒng)壽命非常短暫,很快就被市場淘汰:第二代在第一代的基礎上,設置了電池保護電路,通過太陽能路燈蓄電池組件搜集光敏數(shù)據(jù),通過開關或程序設置定時,技術上有了階躍式的發(fā)展,逐漸被市場接受:第三代路燈控制器在于多數(shù)商家采用了PWM充電控制功能,對蓄電池進行涓流充電,有效延長了電池壽命,降低了使用成本,從而進一步擴大市場占有率。
一個好的控制器可以彌補甚至解決純太陽能路燈的諸多問題,提高其呵靠性。白適應太陽能供電路燈需要開發(fā)第四代控制器,它的特點是具有白適應燈的功率調節(jié)功能,電量檢測和剩余電量計算是必備的:同時具有組網(wǎng)功能,這樣可以保持整條街的路燈亮度一致,并可以進行通訊。
2 自適應單純太陽能供電路燈控制器的設計
日前各種現(xiàn)代控制理論,如白適應控制、自學習控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進控制理論和算法也大量應用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。其中自適應控制太陽能供電路燈控制器設計是值得推進的技術。
2.1設計目標
白適應單純太陽能供電路燈的設計目標:主要針對支路和供行人和非機動車通行的居住區(qū)道路和人行道路燈,對于南風能供電或風光互補的路燈系統(tǒng)本設計同樣適合:由于太陽能的不可靠性以及主干道的照明設計標準的嚴格性,單純太陽能供電比市電供電的路燈控制器的設計更為復雜,如系統(tǒng)控制需要太陽能和市電切換,則在本設計的基礎上進行精簡就好了。目標地點位于北京市內。
2.2 自適應單純太陽能供電路燈控制器設計特點及功能
白適應單純太陽能供電路燈控制器設計方案的宗旨:通過精確控制,達到降低成本,提高可靠性的日的。主要具有以下幾個特點及功能(以太陽能路燈儲能器件為鉛酸電池為例):
1)MPPT電路
根據(jù)太陽能路燈蓄電池板的特性,如將太陽能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個恒定電壓值附近,則太陽電池在整個工作過程中近似日標在最大功率點處,太陽能電池組件的能量轉換效率最高。利用PWM技術并通過對負載穩(wěn)壓來實現(xiàn)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技術會比傳統(tǒng)方法效率提高50%,實際測試中,由于周圍環(huán)境影響與各神能量損失,最終的效率也可以提高20%-30%.
2)過充過放保護
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℃。不過絕大部分時間蓄電池基本處于欠充狀態(tài)。同時通過對電池電壓的數(shù)據(jù)實時采集,利用軟件控制對電池采取限壓保護:通過實時計算電池電量進行防過充過放保護,電量為100%時停止充電,電量為20%時停止放電,為延長其壽命,做了第二道防線。圖1 為蓄電池過充保護流程圖。
圖1 蓄電池過充保護流程圖
3)智控開關,實時監(jiān)測,預警功能
進行太陽能路燈電池板電流檢測,蓄電池電壓檢測,蓄電池電量監(jiān)測,以及環(huán)境溫度的檢測,采用光開時關,并實時上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數(shù)據(jù),預警故障,保證系統(tǒng)的可靠性。圖2為太陽能路燈的開、關控制流程網(wǎng)。
圖2 路燈的開、關控制流程圖
4)亮度的自適應調節(jié)
通常太陽能路燈廠家為了保證連續(xù)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,其實這樣做并不能解決問題。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(jù)當前地理位置,季節(jié),時間,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(jié)燈的亮度,合理分配能量。由于設計為純太陽能供電,不考慮雙電源情況,所以要想提高系統(tǒng)可靠性,唯一的方案就是犧牲燈的亮度。
根據(jù)當天用電前的剩余電量和當天的充電量來進行白適應調節(jié),在保證正常照明的同時,使電池的工作點長期保持在高電位,并且使充放電深度在30%以下,根據(jù)電池循環(huán)壽命曲線,可以延長電池壽命4-5倍,有效降低太陽能路燈的成本,提高可靠性。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過程。
2.2.1 電池電量檢測
1)電量檢測的算法
大量的實驗數(shù)據(jù)表明,電池老化時蓄電池的內阻與電荷之間有較高的相關性(0.88左右),蓄電池完全充電和完全放電時的內阻相差2-4倍,所以通過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)周期的關系曲線
為了得到實時剩余電量值,要建立一個電量和內阻之間關系的數(shù)據(jù)庫。
以時間為標準,就可以建立起內阻一電量一循環(huán)周期的關系曲線,然后通過Matlab的曲線擬合功能得出內阻,電量以及循環(huán)周期的關系式。蓄電池內阻與剩余電量關系曲線如
圖3所示,剩余電量隨著內阻的增大而成指數(shù)趨勢減小。
圖3 蓄電池內阻與剩余電量關系曲線
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