《電子技術(shù)應(yīng)用》
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自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要: 基于改善季節(jié)性負(fù)載光伏太陽(yáng)能路燈運(yùn)行可靠性的目的,采用新一代自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設(shè)計(jì)的方法,通過(guò)功率調(diào)節(jié),電量檢測(cè)和剩余電量計(jì)算、組網(wǎng)功能等對(duì)蓄電池的充、放電以及路燈的開(kāi)、關(guān)、最大功率跟蹤等智能控制,提高了太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率,延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命,降低產(chǎn)品造價(jià)。得到了自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器是提高季節(jié)性負(fù)載光伏太陽(yáng)能路系統(tǒng)可靠性保證的結(jié)論。
Abstract:
Key words :

  大陽(yáng)能路燈以其無(wú)需鋪設(shè)電纜,不消耗常規(guī)能源等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛認(rèn)可。然而太陽(yáng)能路燈還存在一些問(wèn)題造成其成本偏高,可靠性不穩(wěn)定,、比如電池往往不到一年就需要更換,不僅提高了后期維護(hù)的費(fèi)用,而且增加了客戶的消費(fèi)成本,也造成了資源浪費(fèi)。其次是太陽(yáng)能屬于不穩(wěn)定能源,而且能量分布不均,夏天能量充足,但路燈使用時(shí)間短,冬天有效光照時(shí)間短,但路燈使用時(shí)間長(zhǎng),大大降低了運(yùn)行的可靠性,其原因主要受到太陽(yáng)能路燈控制器性能的影響。太陽(yáng)能控制器是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中的核心部分,主要完成對(duì)蓄電池的充、放電、調(diào)光和路燈的開(kāi)、美控制,以及在過(guò)充、過(guò)放電、過(guò)載等情況發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)和有效地保護(hù),保證照明時(shí)間,確??煽啃裕行а娱L(zhǎng)電池壽命,降低成本。

 

  1 太陽(yáng)能路燈控制器的主要設(shè)計(jì)要求和發(fā)展階段

 

  太陽(yáng)能路燈控制器的技術(shù)和質(zhì)量的主要要求有:

  1)供電系統(tǒng),根據(jù)太陽(yáng)能路燈蓄電池板特性,要設(shè)計(jì)成恒流輸出:

  2)過(guò)充,過(guò)放保護(hù);

  3)具有系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)功能;

  4)建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);

  5)根據(jù)市場(chǎng)要求,產(chǎn)品模塊化。

  太陽(yáng)能路燈控制器的發(fā)展到日前為止已經(jīng)經(jīng)歷了3個(gè)階段:第一代功能比較簡(jiǎn)陋,開(kāi)關(guān)燈控制需要外接光敏感應(yīng)器,定時(shí)時(shí)間不可設(shè)置,沒(méi)有電池保護(hù)電路,系統(tǒng)壽命非常短暫,很快就被市場(chǎng)淘汰:第二代在第一代的基礎(chǔ)上,設(shè)置了電池保護(hù)電路,通過(guò)太陽(yáng)能路燈蓄電池組件搜集光敏數(shù)據(jù),通過(guò)開(kāi)關(guān)或程序設(shè)置定時(shí),技術(shù)上有了階躍式的發(fā)展,逐漸被市場(chǎng)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(duì)蓄電池進(jìn)行涓流充電,有效延長(zhǎng)了電池壽命,降低了使用成本,從而進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。

  一個(gè)好的控制器可以彌補(bǔ)甚至解決純太陽(yáng)能路燈的諸多問(wèn)題,提高其呵靠性。白適應(yīng)太陽(yáng)能供電路燈需要開(kāi)發(fā)第四代控制器,它的特點(diǎn)是具有白適應(yīng)燈的功率調(diào)節(jié)功能,電量檢測(cè)和剩余電量計(jì)算是必備的:同時(shí)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(jìn)行通訊。

 

  2 自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器的設(shè)計(jì)

 

  日前各種現(xiàn)代控制理論,如白適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。其中自適應(yīng)控制太陽(yáng)能供電路燈控制器設(shè)計(jì)是值得推進(jìn)的技術(shù)。

  2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

  白適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈的設(shè)計(jì)目標(biāo):主要針對(duì)支路和供行人和非機(jī)動(dòng)車通行的居住區(qū)道路和人行道路燈,對(duì)于南風(fēng)能供電或風(fēng)光互補(bǔ)的路燈系統(tǒng)本設(shè)計(jì)同樣適合:由于太陽(yáng)能的不可靠性以及主干道的照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性,單純太陽(yáng)能供電比市電供電的路燈控制器的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜,如系統(tǒng)控制需要太陽(yáng)能和市電切換,則在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡(jiǎn)就好了。目標(biāo)地點(diǎn)位于北京市內(nèi)。

  2.2 自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設(shè)計(jì)特點(diǎn)及功能

  白適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設(shè)計(jì)方案的宗旨:通過(guò)精確控制,達(dá)到降低成本,提高可靠性的日的。主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)及功能(以太陽(yáng)能路燈儲(chǔ)能器件為鉛酸電池為例):

  1)MPPT電路

  根據(jù)太陽(yáng)能路燈蓄電池板的特性,如將太陽(yáng)能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個(gè)恒定電壓值附近,則太陽(yáng)電池在整個(gè)工作過(guò)程中近似日標(biāo)在最大功率點(diǎn)處,太陽(yáng)能電池組件的能量轉(zhuǎn)換效率最高。利用PWM技術(shù)并通過(guò)對(duì)負(fù)載穩(wěn)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的恒流,從而保證了LED的可靠使用141.采用意法半導(dǎo)體公司的MPPT專用芯片SPV1020.跟蹤效率可達(dá)98%,能量轉(zhuǎn)換效率為95%.理論上,使用MPPT技術(shù)會(huì)比傳統(tǒng)方法效率提高50%,實(shí)際測(cè)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(guò)充過(guò)放保護(hù)

  采用充電限壓,電池溫升檢測(cè)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(guò)絕大部分時(shí)間蓄電池基本處于欠充狀態(tài)。同時(shí)通過(guò)對(duì)電池電壓的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集,利用軟件控制對(duì)電池采取限壓保護(hù):通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算電池電量進(jìn)行防過(guò)充過(guò)放保護(hù),電量為100%時(shí)停止充電,電量為20%時(shí)停止放電,為延長(zhǎng)其壽命,做了第二道防線。圖1 為蓄電池過(guò)充保護(hù)流程圖。

 

  圖1 蓄電池過(guò)充保護(hù)流程圖

  圖1 蓄電池過(guò)充保護(hù)流程圖

 

  3)智控開(kāi)關(guān),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),預(yù)警功能

  進(jìn)行太陽(yáng)能路燈電池板電流檢測(cè),蓄電池電壓檢測(cè),蓄電池電量監(jiān)測(cè),以及環(huán)境溫度的檢測(cè),采用光開(kāi)時(shí)關(guān),并實(shí)時(shí)上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數(shù)據(jù),預(yù)警故障,保證系統(tǒng)的可靠性。圖2為太陽(yáng)能路燈的開(kāi)、關(guān)控制流程網(wǎng)。

 

  圖2 路燈的開(kāi)、關(guān)控制流程圖

  圖2 路燈的開(kāi)、關(guān)控制流程圖

 

  4)亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)

  通常太陽(yáng)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(dá)電池板容量的5倍,其實(shí)這樣做并不能解決問(wèn)題。因?yàn)殛幱晏旃ぷ鞯目煽啃圆⒉蝗Q于電池的容量,而是由很多因素平衡而定的。根據(jù)當(dāng)前地理位置,季節(jié),時(shí)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(yīng)調(diào)節(jié)燈的亮度,合理分配能量。由于設(shè)計(jì)為純太陽(yáng)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(dāng)天用電前的剩余電量和當(dāng)天的充電量來(lái)進(jìn)行白適應(yīng)調(diào)節(jié),在保證正常照明的同時(shí),使電池的工作點(diǎn)長(zhǎng)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(zhǎng)電池壽命4-5倍,有效降低太陽(yáng)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(jì)算過(guò)程。

  2.2.1 電池電量檢測(cè)

  1)電量檢測(cè)的算法

  大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,電池老化時(shí)蓄電池的內(nèi)阻與電荷之間有較高的相關(guān)性(0.88左右),蓄電池完全充電和完全放電時(shí)的內(nèi)阻相差2-4倍,所以通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地檢測(cè)電池電量。

  2)建立內(nèi)阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線

  為了得到實(shí)時(shí)剩余電量值,要建立一個(gè)電量和內(nèi)阻之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)。

  以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),就可以建立起內(nèi)阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線,然后通過(guò)Matlab的曲線擬合功能得出內(nèi)阻,電量以及循環(huán)周期的關(guān)系式。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線如圖3所示,剩余電量隨著內(nèi)阻的增大而成指數(shù)趨勢(shì)減小。

 

  圖3 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線

  圖3 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線

 

  3)在線檢測(cè)電量

  在太陽(yáng)能路燈工作開(kāi)始之前檢測(cè)出剩余電量,采用交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法測(cè)得內(nèi)阻值,通過(guò)查做好的數(shù)據(jù)表,并進(jìn)行數(shù)據(jù)校正,得到對(duì)應(yīng)的電量值。

  給電池施加一個(gè)固定頻率和固定電流(日前一般使用l kHz頻率、50 mA小電沆),然后對(duì)其電壓進(jìn)行采樣,經(jīng)過(guò)整流、濾波等一系列處理后通過(guò)運(yùn)放電路計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。圖4為在線測(cè)量剩余電量硬件框圖。

 

  圖4 在線測(cè)量剩余電量硬件框圖

  圖4 在線測(cè)量剩余電量硬件框圖

 

  2.2.2充電量計(jì)算

  充電量是通過(guò)太陽(yáng)能電池板接收輻射強(qiáng)度和電池板面積計(jì)算得到的。太陽(yáng)能電池板接收輻射強(qiáng)度為單日輻射強(qiáng)度與sin a的乘積,其中a為正午太陽(yáng)輻射與電池板的平均夾角。電池板面積可參考配置計(jì)算部分的內(nèi)容,并且經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到的。

  2.2.3剩余電量計(jì)算

  通過(guò)計(jì)算電流在時(shí)域上的積分,可得出電量變化值,在路燈工作前檢測(cè)到的電池電量作為初始電量,則剩余電量為初始電量減去電量變化值。同時(shí)通過(guò)對(duì)MPPT電路的輸出電流做積分,作為電量變化的校正值,從而得到較準(zhǔn)確的剩余電量值。圖5為剩余電量計(jì)算流程圖。

 

  圖5 剩余電量計(jì)算流程圖

  圖5 剩余電量計(jì)算流程圖

 

  1)Zighee無(wú)線通訊系統(tǒng)連網(wǎng)

  保證整條路的路燈的開(kāi),關(guān)時(shí)間一致,馬路亮度均勻,保證駕駛安全,避免駕駛員視覺(jué)疲勞;實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù),進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制:在線軟件升級(jí),降低維護(hù)及調(diào)試成本:待機(jī)睡眠,降低系統(tǒng)功耗。將Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于蓄電池牛產(chǎn)過(guò)程中的充放電參數(shù)檢測(cè)中,將極大地提高產(chǎn)品測(cè)試的靈活性和可靠性,對(duì)提高蓄電池牛產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義問(wèn)。

  2)模塊化可擴(kuò)展性

  設(shè)計(jì)的控制器的供電系統(tǒng)可以是模塊化的,設(shè)計(jì)采用恒流充電方式,所以電池板可擴(kuò)展,LED模組可根據(jù)系統(tǒng)功率進(jìn)行并聯(lián)擴(kuò)展。

  根據(jù)如上計(jì)算,具體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示,為太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)硬件框架。圖7為太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖。

 

  圖6 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)硬件框架

  圖6 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)硬件框架

 

  圖7 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖

  圖7 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖

 

  3 自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器設(shè)計(jì)方案模擬

 

  開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間根據(jù)天安門升降旗時(shí)間而定,如表1所示,全年最長(zhǎng)點(diǎn)燈時(shí)長(zhǎng)茌12月為14.52小時(shí),最短為9.13小時(shí)。照明時(shí)間分為3個(gè)時(shí)段,第一個(gè)時(shí)段從當(dāng)天天安門降旗時(shí)刻開(kāi)始,為5個(gè)小時(shí),第二個(gè)時(shí)段到早上5點(diǎn),第三個(gè)時(shí)段從5點(diǎn)到滅安門升旗時(shí)刻,燈光亮度各時(shí)段權(quán)重比為5:2:3,如果以100 W光源為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),則光源功耗最大為1.068 5 kW-h。

 

  表1 照明策略基準(zhǔn)參數(shù)

  表1 照明策略基準(zhǔn)參數(shù)

 

  圖8顯示根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得m的各月太陽(yáng)能電池板面積排列柱形罔,從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點(diǎn)處2月的畫(huà)積值,太陽(yáng)電池板面積為2.2 IT12.蓄電池為115 Ah.這樣選擇的原因是這樣可以保證全年85%的照明時(shí)間,剩下的15%為過(guò)放,不過(guò)要給白適應(yīng)調(diào)節(jié)留下一個(gè)調(diào)節(jié)余量,所以選擇以2月數(shù)據(jù)計(jì)算fn的太陽(yáng)能面積的值,即2.216 2 m2,過(guò)放的情況為3個(gè)月,過(guò)放比率為25%,從而有100/e的調(diào)節(jié)空間。

 

  圖8 各月太陽(yáng)能電池板對(duì)應(yīng)面積排列柱形圖

  圖8 各月太陽(yáng)能電池板對(duì)應(yīng)面積排列柱形圖

 

  4結(jié) 論

 

  白適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈控制器的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了以MPPT電路為控制核心的智能太陽(yáng)能路燈控制器,具有外圍電路簡(jiǎn)單,可靠性高的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤,采用了合理的蓄電池充放電策略,實(shí)現(xiàn)算法簡(jiǎn)單,既提高了太陽(yáng)能電池板的使用效率,又延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命,對(duì)于個(gè)別過(guò)分欠充、過(guò)充燈根據(jù)問(wèn)題加大、減小電池板面積,更換電池或燈珠,根據(jù)每盞路燈的實(shí)際情況靈活調(diào)整其配置,可使每盞燈都工作在最佳狀態(tài),不但保證了正常照明,而且避免了資源浪費(fèi),也降低了產(chǎn)品造價(jià),具有一定的參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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