為了提高太陽(yáng)能高壓氣體放電燈照明效率，延長(zhǎng)照明時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能充放電控制、智能照明控制，提出一種新型太陽(yáng)能高壓氣體放電燈照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)充電控制策略實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)和蓄電池三段式精確充電，照明控制策略采用變開(kāi)關(guān)頻率控制和恒功率控制。硬件結(jié)構(gòu)采用單級(jí)式逆變結(jié)構(gòu)，減少了硬件成本開(kāi)銷(xiāo)，提高了能量轉(zhuǎn)化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；該系統(tǒng)延長(zhǎng)了蓄電池壽命及點(diǎn)燈時(shí)間，提高了電燈效率，效率達(dá)90％以上，使得太陽(yáng)能高壓鈉燈照明系統(tǒng)智能、高效，穩(wěn)定的運(yùn)行。

太陽(yáng)能以其無(wú)污染、穩(wěn)定可靠和取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，成為當(dāng)前新能源開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。采用高壓氣體放電燈實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏照明，是目前應(yīng)用最為廣泛的光伏照明技術(shù)之一。

本文提出新型的太陽(yáng)能路燈智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件控制策略。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心進(jìn)行能量管理，通過(guò)采樣太陽(yáng)能電池、蓄電池及燈具的電量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和智能控制運(yùn)行。控制策論包括：在充電環(huán)節(jié)中應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（maximum power point tracking，MPPT）最大限度地吸收太陽(yáng)能功率，并采用三段式充電技術(shù)保證蓄電池的壽命和充電量。在放電環(huán)節(jié)中采用變頻輸出控制策略，達(dá)到高壓鈉燈電流可控的目的，實(shí)現(xiàn)高壓鈉燈照明的智能控制。硬件設(shè)計(jì)中采用全橋逆變（DC-AC）電路，配合燈具照明。

1 太陽(yáng)能高壓鈉燈照明系統(tǒng)的組成

本文提出的太陽(yáng)能高壓鈉燈照明系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板（光伏陣列）、蓄電池、照明燈具和控制器組成。

1）太陽(yáng)能電池作為整個(gè)系統(tǒng)的能量源，在白天，進(jìn)入充電狀態(tài)，充電過(guò)程采用PWM控制，控制系統(tǒng)不斷檢測(cè)光伏陣列和蓄電池的電量，在不同的充電策略中進(jìn)行控制和切換。天黑時(shí)，太陽(yáng)能電池板電壓低于設(shè)定值時(shí)，退出充電環(huán)節(jié)。

2）蓄電池作為太陽(yáng)能能量的儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，白天通過(guò)充電電路將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄電池中，晚上蓄電池通過(guò)全橋DC—AC電路向高壓鈉燈提供電能，此外，所有的控制電路所需電能都由蓄電池提供。

3）照明燈具一般選擇壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高的節(jié)能燈，本系統(tǒng)中采用高壓鈉燈。

4）控制系統(tǒng)由單片機(jī)及其外部電路構(gòu)成，通過(guò)對(duì)采樣結(jié)果的計(jì)算和判斷，控制整個(gè)系統(tǒng)的走向。

2 蓄電池充電策略

為提高充電效率、延長(zhǎng)蓄電池壽命，在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，采用了本文提出了基于MPPT的三段式充電控制策略，較好的解決了上述問(wèn)題。

2．1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

太陽(yáng)能電池輸出特性具有非線性，且具有受光照熱流密度q和環(huán)境溫度影響嚴(yán)重的特點(diǎn)，輸出特性在不同光照強(qiáng)度下的曲線見(jiàn)圖2。

為達(dá)到太陽(yáng)能最大利用率，則需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）。MPPT技術(shù)是對(duì)太陽(yáng)能功率曲線的一階差分跟蹤，控制目標(biāo)為，通過(guò)對(duì)功率曲線進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法，使輸出功率最大。具體算法為：對(duì)太陽(yáng)能電池電壓和電流進(jìn)行采樣，求出輸出功率，并與上一周期計(jì)算得到的功率值進(jìn)行比較，求出差分值，如果滿(mǎn)足

那么可以認(rèn)為達(dá)到了最大功率點(diǎn)跟蹤。在最大功率點(diǎn)充電階段，當(dāng)蓄電池電壓高于蓄電池可接受的最大功率點(diǎn)充電電壓沒(méi)定值時(shí)，表明太陽(yáng)能輸出能力超出蓄電池接受能力，則退出最大功率點(diǎn)充電階段。

2．2 蓄電池的三段式充電

蓄電池作為照明的直接電源，必須考慮到蓄電池容量和壽命衰減的問(wèn)題，如何對(duì)蓄電池進(jìn)行合理充電，盡可能保持蓄電池容量，提高壽命，就顯得十分重要。采用本文下面提出的三段式充電策略，可以很好的解決問(wèn)題。

1）快沖階段：快沖階段采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，最大限度地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。當(dāng)電壓高于轉(zhuǎn)換門(mén)限時(shí)，退出快沖階段，進(jìn)入過(guò)沖階段。

2）過(guò)充階段：在快沖階段給蓄電池一個(gè)較高的充電電壓，當(dāng)充電電流小于轉(zhuǎn)換門(mén)限時(shí)，即蓄電池接近充滿(mǎn)時(shí)，退出過(guò)充階段，進(jìn)入浮充階段。

3）浮充階段：在浮充階段給蓄電池加一個(gè)適當(dāng)?shù)母〕潆妷海瑢?shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下，對(duì)于一般免維護(hù)蓄電池，穩(wěn)定工作壽命為6～lO a，若不加或者浮充電壓的偏差較大，都會(huì)使蓄電池壽命大大降低。

3 供電電路的設(shè)計(jì)

放電電路采用單級(jí)式全橋DC—AC變換電路加高頻變壓器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

供電電路以鉛酸蓄電池為電源，250 W高壓鈉燈為負(fù)載。蓄電池為直流源，3節(jié)串聯(lián)直流電壓范圍選在34～42 V之間供電。

輸入輸出電壓關(guān)系為

其中：q為占空比，n=N2/N1為變壓器變比，R為高壓鈉燈等效電阻，XL為鎮(zhèn)流器電抗，XL=2πfL。由式（3）可知通過(guò)改變輸出頻率，從而改變鎮(zhèn)流器電抗，盡而改變電燈分壓，達(dá)到輸出電壓、電流可控的目的。

由于高壓鈉燈工作在弧光放電狀態(tài)，伏安特性曲線為負(fù)斜率，因此電路中必須串聯(lián)一個(gè)具有正阻特性的電路元件來(lái)平衡這種負(fù)阻特性。同時(shí)，高壓納燈啟動(dòng)時(shí)，由于高壓鈉燈的啟動(dòng)特性，使得啟動(dòng)時(shí)高壓鈉燈內(nèi)阻很小，穩(wěn)態(tài)時(shí)電阻值又趨于穩(wěn)定。圖4為在不同逆變電壓下，高壓鈉燈的啟動(dòng)特性和所需補(bǔ)償電抗，其中pu表示標(biāo)幺值（下同）。

為解決上述問(wèn)題，本文采用高頻電子鎮(zhèn)流器配合高壓鈉燈的工作方式。通過(guò)改變逆變器的開(kāi)關(guān)頻率的策略，改變鎮(zhèn)流器電感，從而達(dá)到了控制高壓鈉燈的啟動(dòng)電流的目的，使高壓鈉燈啟動(dòng)穩(wěn)定。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由于蓄電池電壓的下降和高壓鈉燈的伏安特性，通過(guò)改變逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，達(dá)到控制高壓鈉燈分壓和電流的目的，使高壓鈉燈穩(wěn)定工作。

變開(kāi)關(guān)頻率控制高壓鈉燈電流的具體實(shí)現(xiàn)方法為：不斷檢測(cè)鎮(zhèn)流器電流，通過(guò)AD采樣，反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)采樣值與額定設(shè)定值進(jìn)行比較，給出改變頻率的指令，同時(shí)給出頻率的改變量，當(dāng)蓄電池電壓下降或燈電流減小時(shí)，降低開(kāi)關(guān)頻率，使鎮(zhèn)流器分壓降低，保證燈的恒定電流，實(shí)現(xiàn)了高壓鈉燈電流的閉環(huán)控制，實(shí)驗(yàn)表明，逆變器的輸出電流穩(wěn)定在高壓鈉燈額定輸出電流附近。

在硬件設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)采用了如圖3所示的單級(jí)式逆變結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)在于只通過(guò)一個(gè)能量變換環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)升壓、最大功率點(diǎn)跟蹤、逆變、電氣隔離等功能。與傳統(tǒng)雙級(jí)式逆變結(jié)構(gòu)相比，最大優(yōu)勢(shì)在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低損耗，效率明顯提高。同時(shí)采用無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源取代了體積笨重的工頻變壓器，實(shí)現(xiàn)了電壓轉(zhuǎn)換與隔離，具有體積小，重量輕，效率高等特點(diǎn)。

由于本系統(tǒng)高壓鈉燈工作頻率很高（30～70kHz），而一般電流傳感器的頻率特性在20 kHz以下，因此檢測(cè)電流波動(dòng)范圍大。基于此本文提出另外一種智能控制方案，即通過(guò)控制蓄電池的功率輸出，間接控制高壓鈉燈功率。控制系統(tǒng)通過(guò)采樣值蓄電池功率與設(shè)定值比較，不斷調(diào)整逆變頻率，達(dá)到輸出功率可控。

恒功率控制優(yōu)勢(shì)在于采樣信號(hào)直接來(lái)自直流側(cè)，電壓電流測(cè)量精度高，開(kāi)關(guān)頻率改變量更加精確。實(shí)驗(yàn)表明，采用基于變頻率輸出的電流控制、恒功率控制策略，使得高壓鈉燈運(yùn)行更加穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)行主要通過(guò)89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，包括能量管理控制，MPPT策略，采樣判斷，發(fā)PWM脈沖。

Buck電路的PWM脈沖由單片機(jī)直接給出，固定頻率33 kHz。由圖2給出的太陽(yáng)能輸出特性曲線可知，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，改變太陽(yáng)能電池端電壓，同時(shí)不斷檢測(cè)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)，保證太陽(yáng)能電池輸出電壓為輸出特性曲線上對(duì)應(yīng)的電壓。

全橋逆變電路由于要改變逆變開(kāi)關(guān)頻率，因此，一般單片機(jī)的PWM功能都不能勝任。在本系統(tǒng)中，采用單片機(jī)通過(guò)I/O口直接輸出可變頻脈沖方波的形式。為精確控制脈沖時(shí)間和死區(qū)時(shí)間，通過(guò)定時(shí)器中斷程序?qū)崿F(xiàn)發(fā)脈沖過(guò)程，這樣做的好處是可以方便的通過(guò)調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)頻率從而改變方波信號(hào)的頻率。

除了充放電的智能控制外，系統(tǒng)還加入了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的特殊情況的處理，例如太陽(yáng)能電池板短時(shí)間被遮擋或天氣驟然變化造成的充電電壓跌落；高壓鈉燈由于故障無(wú)法正常照明造成啟輝器反復(fù)啟輝等，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在如圖1所示的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)包括：4塊75W太陽(yáng)能電池板串聯(lián)，最大功率點(diǎn)輸出電壓68 V，3塊100 Ah免維護(hù)鉛酸蓄電池串聯(lián)，充電電路為buck斬波電路，全橋逆變電路采用功率MOSFET開(kāi)關(guān)管，輸出側(cè)接250 W高壓鈉燈。

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)蓄電池的充電過(guò)程進(jìn)行了記錄，表l為一天中記錄的充電階段蓄電池充電電流和端電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

供電系統(tǒng)的全橋逆變輸出電壓波形如圖5所示，其中pu為標(biāo)么值。通過(guò)鎮(zhèn)流器電感，高壓鈉燈兩端的電流波形如圖6所示，根據(jù)變壓器的變比和輸入輸出電壓計(jì)算，符合本文理論，驗(yàn)證了本文理論的正確性。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得：蓄電池端電壓38．O V，蓄

電池輸出電流6．1 A，則蓄電池輸出功率為231．8W，測(cè)得逆變輸出側(cè)功率為210 W，則系統(tǒng)的效率為91．0％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)無(wú)論是充電狀態(tài)還是逆變狀態(tài)都具有很高的效率。

6 結(jié) 論

本文提出了一種新型太陽(yáng)能高壓氣體放電燈照明的智能控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用最大功率點(diǎn)及三段式充電策略，有效提高充電效率和蓄電池的使用壽命。采用變開(kāi)關(guān)頻率控制輸出功率，實(shí)現(xiàn)了高壓納燈的正常啟輝和穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間照明，配合單級(jí)式全橋逆電路，有效提高了能量轉(zhuǎn)換率，效率達(dá)到90％以上。應(yīng)該說(shuō)，具有智能控制系統(tǒng)的太陽(yáng)能式高壓鈉燈照明系統(tǒng)有著非常廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。