自適應(yīng)單純太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)

王 強(qiáng)，張雅凡

（1.渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.天津英諾華微電子技術(shù)有限公司 天津 300252）

太陽(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)、關(guān)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?，有效延長(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)展到目前為止已經(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[1]。

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，提高其可靠性。自適應(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)是具有自適應(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)

目前各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(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[2]。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)

自適應(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[3]；對(duì)于由風(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

自適應(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，提高可靠性的目的。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)程中近似工作在最大功率點(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[4]。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)境影響與各種能量損失，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Fig.1 Flow chart of battery overcharge protection

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)控制流程圖。

圖2 路燈的開(kāi)、關(guān)控制流程圖Fig.2 Flow chart of lamp open and close control

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)行自適應(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—電量—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—電量—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[5]。

圖3 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of battery internal resistance and remaining power

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，得出對(duì)應(yīng)的電量值。

給電池施加一個(gè)固定頻率和固定電流（目前一般使用1 kHz頻率、50 mA小電流），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Fig.4 Hardware diagram of online measure remaining power

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 α的乘積，其中α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Fig.5 Capacity check and remaining power calculation flow chart

1）Zigbee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)用于蓄電池生產(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)提高蓄電池生產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義[6]。

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。

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[7]，如表1所示，全年最長(zhǎng)點(diǎn)燈時(shí)長(zhǎng)在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)到天安門升旗時(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，在5月份。根據(jù)計(jì)算單日輻射強(qiáng)度各月差別為3倍左右，而電池板真正接收到的輻射強(qiáng)度各月差別只有2倍，與傳統(tǒng)固定調(diào)節(jié)的光源功耗相比，自適應(yīng)單純太陽(yáng)能供電路燈節(jié)能明顯，這樣就充分體現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的靈活性。

圖6 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)硬件框架Fig.6 Hardware framework of solar street lamp control system

圖7 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.7 The circuit principle diagram of solar street lamp control system

表1 照明策略基準(zhǔn)參數(shù)Tab.1 Lighting strategy benchmark parameters

圖8顯示根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得出的各月太陽(yáng)能電池板面積排列柱形圖，從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點(diǎn)處2月的面積值，太陽(yáng)電池板面積為2.2 m2，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)要給自適應(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)算出的太陽(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10%的調(diào)節(jié)空間。

4 結(jié) 論

圖8 各月太陽(yáng)能電池板對(duì)應(yīng)面積排列柱形圖Fig.8 Each month solar panels corresponding area arrangement bar charts

自適應(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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