獨立光伏照明中的能量管理研究

1 引言

　　目前，國內外在光伏照明領域的研究仍局限于組件配合和狀態控制等基本功能實現，而對光伏照明系統中的MPPT算法和蓄電池能量管理控制研究不夠深入；另外，現有光伏照明系統大都采用節能燈等作為光源，照度不能滿足交通照明等場合需求。因此，基于高強度氣體放電燈的光伏路燈照明系統具有廣闊的應用前景。

　　在獨立光伏照明系統中，主要的問題是如何提高太陽能電池工作效率，以及如何盡可能地延長蓄電池壽命。針對以上問題，本文提出了一種用于獨立光伏照明系統中的能量管理策略。該能量管理策略結合MPPT算法和分段式的蓄電池充電方法，實現了獨立光伏照明系統的優化控制，在提高系統效率的同時，可以有效延長蓄電池的工作年限。在此獨立光伏照明系統中，為了配合高壓氣體放電燈的穩定工作，設置了一個直流升壓電路和一個高頻逆變電路。配合鎮流、啟輝電路，250W高壓氣體放電燈能在高頻電源下穩定工作，為照明提供了穩定、高轉換效率的電光源，可以滿足道路交通照明等的要求。

　　2 獨立光伏照明系統的組成

　　與其它光伏照明系統相比，此系統一個主要的特點是采用250W高壓鈉燈作為光源。高壓鈉燈是第3代綠色照明節能光源，它具有發光效率高、耗電少、壽命長以及透霧能力強等優點，是太陽能照明系統實現功能性照明的理想光源。系統還包括300pW太陽能電池，3塊串聯的100Ah全封閉免維護鉛酸蓄電池和系統控制器。控制器由充電控制和高壓鈉燈供電電路組成。如圖1所示。

　　太陽能電池是光伏照明系統的輸入電源，為整個系統提供照明和控制所需電能。在白天光照條件下，太陽能電池將所接收的光能轉換為電能，經充電電路對蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，輸出端開路，蓄電池將儲存的化學能轉換成電能輸出到照明負載。智能控制器的電源由蓄電池供給。系統各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。太陽能電池是整個系統中最昂貴的部分，它的容量選取影響著整個系統的成本。

　　相比較而言，蓄電池價格較為低廉，因此可以選取較大容量的蓄電池，盡可能充分利用太陽能電池所發出的功率。另外，在與照明負載配合時，應該考慮到連續陰天的情況，對系統容量留出一定裕度。

　　3 太陽能最大功率點跟蹤

　　在太陽能發電應用領域中盡可能地提高太陽能電池板的輸出功率一直是研究的熱點。太陽能電池輸出特性為非線性，而且受光照強度和環境溫度影響。如圖2所示，太陽能電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照強度和溫度的變化而變化。為了能夠讓太陽能電池在供電系統中充分發揮它的光電轉換能力，就需要實時控制太陽能電池的工作點以獲得最大的功率輸出。

　　快充階段，由于蓄電池的電流接受能力大于太陽能電池經充電電路后的輸出能力。因此，可以只考慮如何實現太陽能電池的最大功率輸出。在獨立光伏照明系統中實現了太陽能電池最大功率點的跟蹤。

　　先對太陽能電池的輸出電壓V和電流I進行連續的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數據相乘折合成功率值P，然后減掉上一次采樣得到的功率值，即為功率差分值。當功率達到最大值時滿足式：

　　令DI =VI ，DV = -IV ，則當DV = DI時，即可近似認為達到最大功率點，這樣就構成了最大功率點跟蹤的一階差分算法。

　　如果：