太阳能高压气体放电灯智能控制系统

摘 要：为了提高太阳能高压气体放电灯照明效率，延长照明时间，实现智能充放电控制、智能照明控制，提出一种新型太阳能高压气体放电灯照明控制系统。系统充电控制策略实现了最大功率点跟踪技术和蓄电池三段式精确充电，照明控制策略采用变开关频率控制和恒功率控制。硬件结构采用单级式逆变结构，减少了硬件成本开销，提高了能量转化率。实验结果表明；该系统延长了蓄电池寿命及点灯时间，提高了电灯效率，效率达90％以上，使得太阳能高压钠灯照明系统智能、高效，稳定的运行。
关键词：太阳能发电；高压气体放电灯；照明；最大功率点跟踪；充放电

太阳能以其无污染、稳定可靠和取之不尽、用之不竭的特点，成为当前beplay规则 开发的一个重点。采用高压气体放电灯实现太阳能光伏照明，是目前应用最为广泛的光伏照明技术之一。
本文提出新型的太阳能路灯智能控制系统的硬件设计和软件控制策略。系统采用单片机作为核心进行能量管理，通过采样太阳能电池、蓄电池及灯具的电量，实现系统的自动控制和智能控制运行。控制策论包括：在充电环节中应用最大功率点跟踪技术(maximum power point tracking，MPPT)最大限度地吸收太阳能功率，并采用三段式充电技术保证蓄电池的寿命和充电量。在放电环节中采用变频输出控制策略，达到高压钠灯电流可控的目的，实现高压钠灯照明的智能控制。硬件设计中采用全桥逆变(DC-AC)电路，配合灯具照明。

1 太阳能高压钠灯照明系统的组成
本文提出的太阳能高压钠灯照明系统如图1所示，系统由太阳能电池板(光伏阵列)、蓄电池、照明灯具和控制器组成。

1)太阳能电池作为整个系统的能量源，在白天，进入充电状态，充电过程采用PWM控制，控制系统不断检测光伏阵列和蓄电池的电量，在不同的充电策略中进行控制和切换。天黑时，太阳能电池板电压低于设定值时，退出充电环节。
2)蓄电池作为太阳能能量的储存环节，白天通过充电电路将太阳能储存在蓄电池中，晚上蓄电池通过全桥DC—AC电路向高压钠灯提供电能，此外，所有的控制电路所需电能都由蓄电池提供。
3)照明灯具一般选择寿命长、发光效率高的节能灯，本系统中采用高压钠灯。
4)控制系统由单片机及其外部电路构成，通过对采样结果的计算和判断，控制整个系统的走向。

2 蓄电池充电策略
为提高充电效率、延长蓄电池寿命，在对蓄电池进行充电时，采用了本文提出了基于MPPT的三段式充电控制策略，较好的解决了上述问题。

2．1 最大功率点跟踪技术
太阳能电池输出特性具有非线性，且具有受光照热流密度q和环境温度影响严重的特点，输出特性在不同光照强度下的曲线见图2。

为达到太阳能最大利用率，则需要采用最大功率点跟踪技术(MPPT)。MPPT技术是对太阳能功率曲线的一阶差分跟踪，控制目标为，通过对功率曲线进行最大功率点跟踪算法，使输出功率最大。具体算法为：对太阳能电池电压和电流进行采样，求出输出功率，并与上一周期计算得到的功率值进行比较，求出差分值，如果满足

那么可以认为达到了最大功率点跟踪。在最大功率点充电阶段，当蓄电池电压高于蓄电池可接受的最大功率点充电电压没定值时，表明太阳能输出能力超出蓄电池接受能力，则退出最大功率点充电阶段。

2．2 蓄电池的三段式充电
蓄电池作为照明的直接电源，必须考虑到蓄电池容量和寿命衰减的问题，如何对蓄电池进行合理充电，尽可能保持蓄电池容量，提高寿命，就显得十分重要。采用本文下面提出的三段式充电策略，可以很好的解决问题。
1)快冲阶段：快冲阶段采用最大功率点跟踪技术，最大限度地将太阳能转化为化学能。当电压高于转换门限时，退出快冲阶段，进入过冲阶段。
2)过充阶段：在快冲阶段给蓄电池一个较高的充电电压，当充电电流小于转换门限时，即蓄电池接近充满时，退出过充阶段，进入浮充阶段。
3)浮充阶段：在浮充阶段给蓄电池加一个适当的浮充电压，实验表明，在适当的浮充状态下，对于一般免维护蓄电池，稳定工作寿命为6～lO a，若不加或者浮充电压的偏差较大，都会使蓄电池寿命大大降低。

3 供电电路的设计
放电电路采用单级式全桥DC—AC变换电路加高频变压器结构的设计，设计原理如图3所示。

供电电路以铅酸蓄电池为电源，250 W高压钠灯为负载。蓄电池为直流源，3节串联直流电压范围选在34～42 V之间供电。
输入输出电压关系为