太陽能高壓氣體放電燈智能控制系統(tǒng)
摘 要:為了提高太陽能高壓氣體放電燈照明效率,延長照明時間,實現(xiàn)智能充放電控制、智能照明控制,提出一種新型太陽能高壓氣體放電燈照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)充電控制策略實現(xiàn)了最大功率點跟蹤技術(shù)和蓄電池三段式精確充電,照明控制策略采用變開關(guān)頻率控制和恒功率控制。硬件結(jié)構(gòu)采用單級式逆變結(jié)構(gòu),減少了硬件成本開銷,提高了能量轉(zhuǎn)化率。實驗結(jié)果表明;該系統(tǒng)延長了蓄電池壽命及點燈時間,提高了電燈效率,效率達(dá)90%以上,使得太陽能高壓鈉燈照明系統(tǒng)智能、高效,穩(wěn)定的運行。
關(guān)鍵詞:太陽能發(fā)電;高壓氣體放電燈;照明;最大功率點跟蹤;充放電
太陽能以其無污染、穩(wěn)定可靠和取之不盡、用之不竭的特點,成為當(dāng)前新能源開發(fā)的一個重點。采用高壓氣體放電燈實現(xiàn)太陽能光伏照明,是目前應(yīng)用最為廣泛的光伏照明技術(shù)之一。
本文提出新型的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件控制策略。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心進(jìn)行能量管理,通過采樣太陽能電池、蓄電池及燈具的電量,實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制和智能控制運行??刂撇哒摪ǎ涸诔潆姯h(huán)節(jié)中應(yīng)用最大功率點跟蹤技術(shù)(maximum power point tracking,MPPT)最大限度地吸收太陽能功率,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(jié)中采用變頻輸出控制策略,達(dá)到高壓鈉燈電流可控的目的,實現(xiàn)高壓鈉燈照明的智能控制。硬件設(shè)計中采用全橋逆變(DC-AC)電路,配合燈具照明。
1 太陽能高壓鈉燈照明系統(tǒng)的組成
本文提出的太陽能高壓鈉燈照明系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)由太陽能電池板(光伏陣列)、蓄電池、照明燈具和控制器組成。
1)太陽能電池作為整個系統(tǒng)的能量源,在白天,進(jìn)入充電狀態(tài),充電過程采用PWM控制,控制系統(tǒng)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,太陽能電池板電壓低于設(shè)定值時,退出充電環(huán)節(jié)。
2)蓄電池作為太陽能能量的儲存環(huán)節(jié),白天通過充電電路將太陽能儲存在蓄電池中,晚上蓄電池通過全橋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、發(fā)光效率高的節(jié)能燈,本系統(tǒng)中采用高壓鈉燈。
4)控制系統(tǒng)由單片機(jī)及其外部電路構(gòu)成,通過對采樣結(jié)果的計算和判斷,控制整個系統(tǒng)的走向。
2 蓄電池充電策略
為提高充電效率、延長蓄電池壽命,在對蓄電池進(jìn)行充電時,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題。
2.1 最大功率點跟蹤技術(shù)
太陽能電池輸出特性具有非線性,且具有受光照熱流密度q和環(huán)境溫度影響嚴(yán)重的特點,輸出特性在不同光照強(qiáng)度下的曲線見圖2。
為達(dá)到太陽能最大利用率,則需要采用最大功率點跟蹤技術(shù)(MPPT)。MPPT技術(shù)是對太陽能功率曲線的一階差分跟蹤,控制目標(biāo)為,通過對功率曲線進(jìn)行最大功率點跟蹤算法,使輸出功率最大。具體算法為:對太陽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,如果滿足
那么可以認(rèn)為達(dá)到了最大功率點跟蹤。在最大功率點充電階段,當(dāng)蓄電池電壓高于蓄電池可接受的最大功率點充電電壓沒定值時,表明太陽能輸出能力超出蓄電池接受能力,則退出最大功率點充電階段。
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,可以很好的解決問題。
1)快沖階段:快沖階段采用最大功率點跟蹤技術(shù),最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。當(dāng)電壓高于轉(zhuǎn)換門限時,退出快沖階段,進(jìn)入過沖階段。
2)過充階段:在快沖階段給蓄電池一個較高的充電電壓,當(dāng)充電電流小于轉(zhuǎn)換門限時,即蓄電池接近充滿時,退出過充階段,進(jìn)入浮充階段。
3)浮充階段:在浮充階段給蓄電池加一個適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/浮充電">浮充電壓,實驗表明,在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下,對于一般免維護(hù)蓄電池,穩(wěn)定工作壽命為6~lO a,若不加或者浮充電壓的偏差較大,都會使蓄電池壽命大大降低。
3 供電電路的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計,設(shè)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(fù)載。蓄電池為直流源,3節(jié)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(zhèn)流器電抗,XL=2πfL。由式(3)可知通過改變輸出頻率,從而改變鎮(zhèn)流器電抗,盡而改變電燈分壓,達(dá)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),伏安特性曲線為負(fù)斜率,因此電路中必須串聯(lián)一個具有正阻特性的電路元件來平衡這種負(fù)阻特性。同時,高壓納燈啟動時,由于高壓鈉燈的啟動特性,使得啟動時高壓鈉燈內(nèi)阻很小,穩(wěn)態(tài)時電阻值又趨于穩(wěn)定。圖4為在不同逆變電壓下,高壓鈉燈的啟動特性和所需補(bǔ)償電抗,其中pu表示標(biāo)幺值(下同)。
為解決上述問題,本文采用高頻電子鎮(zhèn)流器配合高壓鈉燈的工作方式。通過改變逆變器的開關(guān)頻率的策略,改變鎮(zhèn)流器電感,從而達(dá)到了控制高壓鈉燈的啟動電流的目的,使高壓鈉燈啟動穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)工作時,由于蓄電池電壓的下降和高壓鈉燈的伏安特性,通過改變逆變器的開關(guān)頻率,達(dá)到控制高壓鈉燈分壓和電流的目的,使高壓鈉燈穩(wěn)定工作。
變開關(guān)頻率控制高壓鈉燈電流的具體實現(xiàn)方法為:不斷檢測鎮(zhèn)流器電流,通過AD采樣,反饋給單片機(jī),單片機(jī)通過采樣值與額定設(shè)定值進(jìn)行比較,給出改變頻率的指令,同時給出頻率的改變量,當(dāng)蓄電池電壓下降或燈電流減小時,降低開關(guān)頻率,使鎮(zhèn)流器分壓降低,保證燈的恒定電流,實現(xiàn)了高壓鈉燈電流的閉環(huán)控制,實驗表明,逆變器的輸出電流穩(wěn)定在高壓鈉燈額定輸出電流附近。
在硬件設(shè)計中,本系統(tǒng)采用了如圖3所示的單級式逆變結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)最大特點在于只通過一個能量變換環(huán)節(jié)實現(xiàn)升壓、最大功率點跟蹤、逆變、電氣隔離等功能。與傳統(tǒng)雙級式逆變結(jié)構(gòu)相比,最大優(yōu)勢在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,低損耗,效率明顯提高。同時采用無工頻變壓器開關(guān)電源取代了體積笨重的工頻變壓器,實現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)換與隔離,具有體積小,重量輕,效率高等特點。
由于本系統(tǒng)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,因此檢測電流波動范圍大?;诖吮疚奶岢隽硗庖环N智能控制方案,即通過控制蓄電池的功率輸出,間接控制高壓鈉燈功率。控制系統(tǒng)通過采樣值蓄電池功率與設(shè)定值比較,不斷調(diào)整逆變頻率,達(dá)到輸出功率可控。
恒功率控制優(yōu)勢在于采樣信號直接來自直流側(cè),電壓電流測量精度高,開關(guān)頻率改變量更加精確。實驗表明,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(wěn)定。
4 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計
本系統(tǒng)平臺的運行主要通過89C51單片機(jī)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(jī)直接給出,固定頻率33 kHz。由圖2給出的太陽能輸出特性曲線可知,通過調(diào)節(jié)占空比,改變太陽能電池端電壓,
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