太陽能電源低壓鈉燈智能控制器的設(shè)計(jì)

李慧娟，梁榮光

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640）

近年來再生能源技術(shù)廣受重視，而太陽能發(fā)電由于有先進(jìn)的電力電子技術(shù)輔助，已成為極具潛力的再生能源之一。低壓鈉燈（LPS）作為光效最高和光衰較小的光源，是道路照明光源的最佳選擇，與太陽能光伏系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，節(jié)能效果更顯著[1]。當(dāng)前市場(chǎng)上已有各種各樣的針對(duì)不同類型負(fù)載的太陽能電源智能控制器產(chǎn)品，但目前采用高（低）壓鈉燈為負(fù)載而設(shè)計(jì)的控制器很少，本文為了區(qū)別于其他太陽能電源控制器，采用低壓鈉燈作為負(fù)載。太陽能強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響而不能維持常量，導(dǎo)致太陽能綜合利用系統(tǒng)受日照、溫度、使用負(fù)載變化等條件影響比較大，使系統(tǒng)非線性較強(qiáng)，加大系統(tǒng)的控制難度。為了實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)載之間穩(wěn)定、高效工作，提高供電質(zhì)量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中蓄電池循環(huán)充放電和充放電深度加以合理控制，而且延長蓄電池使用壽命，需要借助于設(shè)計(jì)一種高效、可靠的、智能的太陽能電源充放電控制器來完成這些工作[2]，使充電及開/關(guān)過程采用光控自動(dòng)控制，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省電費(fèi)，免維護(hù)。因此，開展低壓鈉燈的太陽能電源智能控制器的研究具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

獨(dú)立型太陽能光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、控制器和負(fù)載組成。其組成框圖如圖1所示。

分析太陽能綜合利用系統(tǒng)的構(gòu)成可知，負(fù)載以太陽光為能源，白天太陽能電池組件/方陣采集電能，鉛酸蓄電池儲(chǔ)存電能，通過控制器的合理控制，晚上為負(fù)載提供電能，使用時(shí)間和工作模式可以靈活設(shè)置。開發(fā)了一套小型光伏系統(tǒng)的低壓鈉燈太陽能電源控制器，其中，蓄電池為24 V，負(fù)載是36 W的低壓鈉燈，單路負(fù)載輸出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能控制器裝置硬件部分具有3個(gè)接口：一個(gè)用于同太陽能電池方陣接口，一個(gè)用于同蓄電池接口和一個(gè)用于同低壓鈉燈負(fù)載接口?？刂破髡w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。虛框內(nèi)為控制器部分。

2.1 P87LPC767單片機(jī)

系統(tǒng)控制選用PHILIPS半導(dǎo)體公司的P87LPC767單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，其工作在100 kHz～4 MHz、電源電壓為 3.3 V時(shí)，其功耗僅為0.044～1.7 mA，適合蓄電池供電系統(tǒng)；它提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可由編程選擇，且有較寬的操作電壓范圍；可編程I/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動(dòng)輸出；內(nèi)含看門狗定時(shí)器和I2C總線；其內(nèi)部的2個(gè)模擬比較器可組成8位A/D轉(zhuǎn)換器；同時(shí)具有上電復(fù)位檢測(cè)和欠壓復(fù)位檢測(cè)功能；保證I/O口驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到20 mA。P87LPC767采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51 CPU的2倍[3-4]。

本系統(tǒng)以P87LPC767單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路、LED顯示電路、模式選擇電路以及可使系統(tǒng)加入附加功能的E2PROM芯片等部分組成。P87LPC767及其外圍電路如圖3所示。表1是結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)P87LPC767各引腳功能描述。

2.2 蓄電池充放電電路

基于光伏發(fā)電的特殊性，需設(shè)計(jì)性能良好的充放電控制電路。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對(duì)其充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電和深度放電。該充放電電路相當(dāng)于一個(gè)電壓采集與電池管理模塊。

當(dāng)白天有陽光時(shí)，單片機(jī)分別檢測(cè)太陽能電池方陣和蓄電池的電壓值，控制蓄電池充電電路導(dǎo)通開關(guān)MOSFET管VQ9（圖3）的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到PV+電平高于BAT+電平時(shí)，開關(guān)器件VQ9導(dǎo)通，太陽能電池方陣向蓄電池用直充方式充電；當(dāng)蓄電池被充至過壓時(shí)，開關(guān)器件Q9關(guān)斷，太陽能電池方陣向蓄電池用小電流充電（浮充），這樣能起到“過充電保護(hù)”作用[5]。

當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時(shí)，繼電器導(dǎo)通，蓄電池放電，保證負(fù)載不停電。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的繼電器RELAY1為蓄電池放電開關(guān)，RELAY1導(dǎo)通/關(guān)斷的控制信號(hào)由單片機(jī)的I/O口輸出。本系統(tǒng)的負(fù)載為低壓鈉燈，用于道路照明，因此應(yīng)具備光控功能，即有太陽光時(shí)，RELAY1關(guān)斷；當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時(shí)，RELAY1導(dǎo)通，蓄電池放電，路燈照明。從保護(hù)蓄電池的角度出發(fā)，當(dāng)需要向負(fù)載供電而蓄電池電壓卻小于“過放電壓”，RELAY1也關(guān)斷，進(jìn)行“過放電保護(hù)”，避免電池放空，損壞蓄電池；當(dāng)太陽能電池方陣重新供電且只有當(dāng)蓄電池電壓重新升到浮充電壓，需要為負(fù)載供電時(shí)RELAY1才重新導(dǎo)通，接通負(fù)載回路。

表1 P87LPC767引腳功能描述Tab.1 Functions description of P87LPC767

2.3 低壓鈉燈的DC/AC低頻電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)電路

電子鎮(zhèn)流器連接在電源和一只或若干只氣體放電燈之間，并將氣體放電燈的工作電流限制在規(guī)定值內(nèi)，用于對(duì)負(fù)載進(jìn)行輸出控制與檢測(cè)。低壓鈉燈屬于氣體放電燈，由于氣體放電燈具有負(fù)阻工作特性，所以要使其正常工作，應(yīng)配以鎮(zhèn)流器等控制裝置。這些相關(guān)的控制裝置應(yīng)完成以下控制功能[6]：1）限制和穩(wěn)定氣體放電燈的工作電流；2）在蓄電池端電壓允許變化范圍內(nèi)應(yīng)能確保燈電壓、燈電流和燈功率穩(wěn)定，使燈正常工作。3）提供氣體放電燈所需的點(diǎn)火電壓。4）在氣體放電燈負(fù)載點(diǎn)火工作之前應(yīng)提供所需的燈電極預(yù)熱功能。

目前對(duì)太陽能電源控制器、低壓鈉燈及其配套電子鎮(zhèn)流器已有很多研究，但在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于上述3種設(shè)備或產(chǎn)品都是獨(dú)立開發(fā)的，在工作中匹配性差。有的低壓鈉燈啟動(dòng)不穩(wěn)定，有的甚至造成損壞，在很大程度上限制了低壓鈉燈的應(yīng)用[7]。因此建議可把該低壓鈉燈的DC/AC低頻電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)電路模塊納入本控制器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成一個(gè)太陽能低壓鈉燈照明系統(tǒng)智能控制器、鎮(zhèn)流器一體機(jī)。

2.4 LED顯示電路

此控制器采用了一個(gè)雙色LED發(fā)光二極管作為系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，該雙色LED發(fā)光二極管顯示非常直觀，取代了以往多個(gè)指示燈。單片機(jī)通過檢測(cè)引腳17（AD1，即BAT+電壓）的值與設(shè)定值相比較，控制引腳2（P1.7）和引腳 3（P1.6）的輸出電平，決定系統(tǒng)狀態(tài)指示燈的顏色和狀態(tài)。狀態(tài)指示燈顯示的狀態(tài)如表2所示。

表2 狀態(tài)指示燈顯示的狀態(tài)Tab.2 Status indicator LED display

2.5 控制器工作模式選擇電路

本控制器預(yù)設(shè)了8種工作模式供用戶選擇 （見表3），用戶只需撥動(dòng)撥碼開關(guān)J1，單片機(jī)將自動(dòng)檢測(cè)個(gè)人用戶選擇的控制器模式，根據(jù)程序流程，分別實(shí)現(xiàn)不同模式下的功能。

表3 8種工作模式預(yù)設(shè)Tab.3 Eight working modes setting

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案的軟件程序包括:主程序、定時(shí)中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、外部中斷子程序、充放電管理子程序、負(fù)載管理子程序、LED顯示子程序等。圖4為本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。以“調(diào)試模式”為例，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)程序流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，試制一臺(tái)樣機(jī)，由2個(gè)12 V 7 AH閥控式密封鉛酸蓄電池、36 W低壓鈉燈和由直流電源模擬代替的80 Wp光伏陣列系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖6是在穩(wěn)定階段的低壓鈉燈示波器的波形。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，有效、合理地完成了系統(tǒng)狀態(tài)的管理和能量流的實(shí)時(shí)控制。采用微處理器實(shí)現(xiàn)太陽能控制器的充放電控制,其各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)控制器，并可針對(duì)不同蓄電池設(shè)定參數(shù)和進(jìn)行溫度補(bǔ)償，大大擴(kuò)展了其使用功能。

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