自適應(yīng)太陽能路燈控制器設(shè)計案例

　　基于改善季節(jié)性負(fù)載光伏太陽能路燈運行可靠性的目的，采用新一代自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計的方法，通過功率調(diào)節(jié)，電量檢測和剩余電量計算、組網(wǎng)功能等對蓄電池的充、放電以及路燈的開、關(guān)、最大功率跟蹤等智能控制，提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，延長了蓄電池的使用壽命，降低產(chǎn)品造價。得到了自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器是提高季節(jié)性負(fù)載光伏太陽能路系統(tǒng)可靠性保證的結(jié)論。

　　大陽能路燈以其無需鋪設(shè)電纜，不消耗常規(guī)能源等優(yōu)點得到了廣泛認(rèn)可。然而太陽能路燈還存在一些問題造成其成本偏高，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)的費用，而且增加了客戶的消費成本，也造成了資源浪費。其次是太陽能屬于不穩(wěn)定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時間短，冬天有效光照時間短，但路燈使用時間長，大大降低了運行的可靠性，其原因主要受到太陽能路燈控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分，主要完成對蓄電池的充、放電、調(diào)光和路燈的開、美控制，以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進(jìn)行及時和有效地保護(hù)，保證照明時間，確保可靠性，有效延長電池壽命，降低成本。

　　1 太陽能路燈控制器的主要設(shè)計要求和發(fā)展階段

　　太陽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)太陽能路燈蓄電池板特性，要設(shè)計成恒流輸出：

　　2）過充，過放保護(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)市場要求，產(chǎn)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(guān)燈控制需要外接光敏感應(yīng)器，定時時間不可設(shè)置，沒有電池保護(hù)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(chǔ)上，設(shè)置了電池保護(hù)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(guān)或程序設(shè)置定時，技術(shù)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(jìn)行涓流充電，有效延長了電池壽命，降低了使用成本，從而進(jìn)一步擴(kuò)大市場占有率。

　　一個好的控制器可以彌補(bǔ)甚至解決純太陽能路燈的諸多問題，提高其呵靠性。白適應(yīng)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(yīng)燈的功率調(diào)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(jìn)行通訊。

　　2 自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器的設(shè)計

　　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)控制太陽能供電路燈控制器設(shè)計是值得推進(jìn)的技術(shù)。

　　2.1設(shè)計目標(biāo)

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

　　2.2 自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計特點及功能

　　白適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計方案的宗旨：通過精確控制，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(biāo)在最大功率點處，太陽能電池組件的能量轉(zhuǎn)換效率最高。利用PWM技術(shù)并通過對負(fù)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(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(hù)

　　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(hù)：通過實時計算電池電量進(jìn)行防過充過放保護(hù)，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(hù)流程圖。

　　3）智控開關(guān)，實時監(jiān)測，預(yù)警功能

　　進(jìn)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(guān)，并實時上傳工作環(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為太陽能路燈的開、關(guān)控制流程網(wǎng)。

　　圖2 路燈的開、關(guān)控制流程圖

　　4）亮度的自適應(yīng)調(diào)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(dá)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(dāng)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(yīng)調(diào)節(jié)燈的亮度，合理分配能量。由于設(shè)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(dāng)天用電前的剩余電量和當(dāng)天的充電量來進(jìn)行白適應(yīng)調(diào)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(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的內(nèi)阻相差2-4倍，所以通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地檢測電池電量。

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

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

　　以時間為標(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)趨勢減小。

　　3）在線檢測電量

　　在太陽能路燈工作開始之前檢測出剩余電量，采用交流壓降內(nèi)阻測量法測得內(nèi)阻值，通過查做好的數(shù)據(jù)表，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，得到對應(yīng)的電量值。

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

　　2.2.2充電量計算

　　充電量是通過太陽能電池板接收輻射強(qiáng)度和電池板面積計算得到的。太陽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為正午太陽輻射與電池板的平均夾角。電池板面積可參考配置計算部分的內(nèi)容，并且經(jīng)過優(yōu)化得到的。

　　2.2.3剩余電量計算

　　通過計算電流在時域上的積分，可得出電量變化值，在路燈工作前檢測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。同時通過對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為剩余電量計算流程圖。

　　1）Zighee無線通訊系統(tǒng)連網(wǎng)

　　保證整條路的路燈的開，關(guān)時間一致，馬路亮度均勻，保證駕駛安全，避免駕駛員視覺疲勞；實時傳送數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制：在線軟件升級，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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于蓄電池牛產(chǎn)過程中的充放電參數(shù)檢測中，將極大地提高產(chǎn)品測試的靈活性和可靠性，對提高蓄電池牛產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義問。

　　2）模塊化可擴(kuò)展性

　　設(shè)計的控制器的供電系統(tǒng)可以是模塊化的，設(shè)計采用恒流充電方式，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)如上計算，具體設(shè)計框圖如圖6所示，為太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架。圖7為太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖。

　　圖6 太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架

　　圖7 太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖

　　3 自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計方案模擬

　　開關(guān)燈的時間根據(jù)天安門升降旗時間而定，如表1所示，全年最長點燈時長茌12月為14.52小時，最短為9.13小時。照明時間分為3個時段，第一個時段從當(dāng)天天安門降旗時刻開始，為5個小時，第二個時段到早上5點，第三個時段從5點到滅安門升旗時刻，燈光亮度各時段權(quán)重比為5：2：3，如果以100 W光源為設(shè)計標(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)

　　圖8顯示根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得m的各月太陽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處2月的畫積值，太陽電池板面積為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%的照明時間，剩下的15%為過放，不過要給白適應(yīng)調(diào)節(jié)留下一個調(diào)節(jié)余量，所以選擇以2月數(shù)據(jù)計算fn的太陽能面積的值，即2.216 2 m2，過放的情況為3個月，過放比率為25%，從而有100/e的調(diào)節(jié)空間。

　　圖8 各月太陽能電池板對應(yīng)面積排列柱形圖

　　4 結(jié) 論

　　白適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器的設(shè)計，實現(xiàn)了以MPPT電路為控制核心的智能太陽能路燈控制器，具有外圍電路簡單，可靠性高的特點，實現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略，實現(xiàn)算法簡單，既提高了太陽能電池板的使用效率，又延長了蓄電池的使用壽命，對于個別過分欠充、過充燈根據(jù)問題加大、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，也降低了產(chǎn)品造價，具有一定的參考和推廣應(yīng)用價值。