獨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)控制等基本功能實現(xiàn)，而對光伏照明系統(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合需求。因此，基于高強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蓄電池壽命。針對以上問題，本文提出了一種用于獨立光伏照明系統(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，實現(xiàn)了獨立光伏照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制，在提高系統(tǒng)效率的同時，可以有效延長蓄電池的工作年限。在此獨立光伏照明系統(tǒng)中，為了配合高壓氣體放電燈的穩(wěn)定工作，設(shè)置了一個直流升壓電路和一個高頻逆變電路。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)一個主要的特點是采用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、壽命長以及透霧能力強等優(yōu)點，是太陽能照明系統(tǒng)實現(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，蓄電池將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能輸出到照明負載。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。太陽能電池是整個系統(tǒng)中最昂貴的部分，它的容量選取影響著整個系統(tǒng)的成本。

　　相比較而言，蓄電池價格較為低廉，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，在與照明負載配合時，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。

　　3 太陽能最大功率點跟蹤

　　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。太陽能電池輸出特性為非線性，而且受光照強度和環(huán)境溫度影響。如圖2所示，太陽能電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照強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，就需要實時控制太陽能電池的工作點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，可以只考慮如何實現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出。在獨立光伏照明系統(tǒng)中實現(xiàn)了太陽能電池最大功率點的跟蹤。

　　先對太陽能電池的輸出電壓V和電流I進行連續(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。當功率達到最大值時滿足式：

　　令DI =VI ，DV = -IV ，則當DV = DI時，即可近似認為達到最大功率點，這樣就構(gòu)成了最大功率點跟蹤的一階差分算法。

　　如果：