超級(jí)電容在太陽能路燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　1 引言

　　太陽能路燈系統(tǒng)在道路照明中有很高的價(jià)值。使用超級(jí)電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)屬于復(fù)合能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電能傳輸需要在線控制以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖1為超級(jí)電容的太陽能LED路燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？刂破髯鳛楹诵牟考芾碇鱾€(gè)部件之間的能量傳輸。為保證蓄電池充放電可靠、高效，同時(shí)滿足照明需求，控制器需要對(duì)系統(tǒng)中的電能進(jìn)行管理。在弱太陽光照的情況下，由于光伏電池產(chǎn)生的能量不穩(wěn)定，不能有效的對(duì)蓄電池充電。

　　若選擇合適的控制方式，使光伏電池產(chǎn)生的能量先蓄積在超級(jí)電容里，到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再將存儲(chǔ)的能量通過脈沖或恒流的方式向蓄電池充電，可以有效的提高系統(tǒng)的太陽能利用率。所以合適有效的控制策略是該控制器的關(guān)鍵技術(shù)。

　　本文在獨(dú)立式光伏路燈系統(tǒng)簡單計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以提高在弱太陽光光照情況下發(fā)電效率為目標(biāo)，提出一種采用了超級(jí)電容的獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本文通過對(duì)使用超級(jí)電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)各部分組件進(jìn)行建模，在有充放電控制器控制的情況下，使用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比在各種太陽光照情況下系統(tǒng)的發(fā)電情況，其驗(yàn)證結(jié)果向使用超級(jí)電容的太陽能LED路燈的配置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

　　2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

　　使用超級(jí)電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)由光伏電池陣列、光伏控制器、超級(jí)電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負(fù)載組成，連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級(jí)電容跨接在直流母線和地線之間，用于保持直流母線的電壓，并緩沖光伏電池提供的過大能量，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候放電以滿足蓄電池的充電需要和負(fù)載的供電需要。

　　2.1 光伏電池特性分析

　　光伏電池等效電路模型如圖2所示。

　　圖2中Iph為光生電流，IVD為流過二極管的電流，VD為Rsh的端電壓，Rsh和Rs為等效的并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻，V、Is分別為光伏電池元的輸出電壓和電流。根據(jù)此等效模型可得到光伏電池的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型得到光伏電池特性曲線，如下圖3所示。

　　圖3a為光伏電池在不同光照下的電流－電壓（I-V）曲線，圖3b為光伏電池在不同光照下功率－電壓（P-V）曲線。如圖3.b所示，在一定的光照情況和節(jié)點(diǎn)溫度下，光伏電池有唯一的發(fā)電最大功率點(diǎn)，因此需要光伏控制器進(jìn)行最大功率跟蹤（MPPT）控制以獲得最大發(fā)電效率。[!--empirenews.page--]

　　2.2 光伏控制器的分析

　　光伏控制器在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用boost升壓電路，以產(chǎn)生比光伏電池板兩端更高的電壓，以利于向蓄電池充電；但當(dāng)光照不足時(shí)，若要使蓄電池能夠繼續(xù)充電，該控制電路會(huì)導(dǎo)致光伏電池的工作點(diǎn)脫離最大功率輸出點(diǎn)，但這樣又會(huì)使得光伏路燈系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。因此設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需預(yù)設(shè)弱光段的閾值，以實(shí)現(xiàn)在弱光下能通過超級(jí)電容緩沖來保證蓄電池正常充電的目的。

　　圖4為蓄電池等效電路模型，根據(jù)此圖可以看出蓄電池存在最低充電電壓，從而使升壓電路的輸出也存在一個(gè)最低電壓。由圖4可得蓄電池小信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　穩(wěn)態(tài)時(shí)，變換器充電電壓為：

　　式中（R1+R2）為蓄電池內(nèi)阻，R2為常數(shù)，R2隨不同的充電電流和電荷容量變化而變化。

　　boost工作電路如圖5所示，根據(jù)電感L伏秒平衡和電容C充放電能量守恒有：

　　其中Vs為輸入電源電壓，D為PWM波占空比D+D′=1，icharge為蓄電池充電電流，U為充電電壓，Rs為變換器在負(fù)載端等效電阻，T為周期時(shí)間。

　　由式（3）（4）可得：

　　式中D+D′=1，K=Rs/（R1+R2）；可得當(dāng)達(dá)到最大值，此時(shí)最大增益為：

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　　由于該電路為升壓電路，G最小值為1，可得K取值必須小于0.25。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)蓄電池參數(shù)，由式（6）算出，能對(duì)蓄電池充電的升壓電路最小輸入電壓為：

　　式（7）中，Voc為蓄電池最低充電電壓。

　　若直接采用光伏電池對(duì)蓄電池充電，則當(dāng)光照較弱時(shí)，為了追蹤最大功率，在存在其他干擾因素的同時(shí)其輸出電壓會(huì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏電池在充電時(shí)難以保持在Vzmin上，最后導(dǎo)致系統(tǒng)在該光照范圍內(nèi)不能對(duì)蓄電池正常充電。如圖6中兩曲線分別為晴、陰兩種情況下100W光伏電池可產(chǎn)生的最大功率曲線；陰天的時(shí)候，光伏電池在最大功率跟蹤情況下，輸出功率在較低功率B、C區(qū)間內(nèi)抖動(dòng)，造成對(duì)蓄電池充電不可控。本文通過采用超級(jí)電容，把這部分不穩(wěn)定的輸出能量蓄積起來，再到滿足一定的電壓條件時(shí)，通過升壓電路把超級(jí)電容中的能量釋放到蓄電池。這種采用超級(jí)電容的方式可以提高在弱太陽光照下的發(fā)電效率。

　　3 充電控制策略及超級(jí)電容參數(shù)

　　3.1 充電控制策略

　　圖7為蓄電池充電控制策略。該策略在低光照情況下采用超級(jí)電容電壓的滯環(huán)比較控制策略，以超級(jí)電容兩端電壓作為反饋采樣信號(hào)。若超級(jí)電容兩端電壓低于設(shè)定下限值Voff，則停止向蓄電池充電，光伏控制器采用最大功率跟蹤對(duì)超級(jí)電容充電；當(dāng)超級(jí)電容電壓充到足夠大為Von時(shí)（Von>Voff），以蓄電池的三段式10小時(shí)充電法向蓄電池充電；若此時(shí)持續(xù)低光照，則當(dāng)超級(jí)電容電壓重新下降到下限值Voff時(shí)，再次停止向蓄電池充電，如此循環(huán)；在足夠光照情況下，當(dāng)超級(jí)電容的電壓超過Von時(shí)，系統(tǒng)對(duì)蓄電池以三段式10小時(shí)充電法充電，同時(shí)超級(jí)電容電壓也會(huì)繼續(xù)上升，這時(shí)控制器保持超級(jí)電容的電壓值不超過新的上限值Vmax。

　　3.2 充電參數(shù)計(jì)算

　　獨(dú)立式光伏系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮該系統(tǒng)應(yīng)用場所的日照條件、電氣設(shè)備等。然后根據(jù)負(fù)載所消耗能量決定光伏電池容量和蓄電池容量。

　　在獨(dú)立式太陽能路燈系統(tǒng)中，光伏電池的容量選擇如下式（8）：

　　蓄電池的容量選擇如下式（9）：

　　式（8）（9）中I為負(fù)載所需電流，T為負(fù)載每日工作小時(shí)數(shù)。Ta為平均日照時(shí)間。t為連續(xù)雨天數(shù)，Ksafe為安全系數(shù)，Ksoc為蓄電池容許放電深度，η為變換器效率。按三段式10小時(shí)充電法，在恒流充電階段，充電電流icharge為0.1Cbattery。則恒流充電階段，充電功率為：

　　按光伏電池容量可得其滿功率工作時(shí)輸出功率為：

　　由上，采用超級(jí)電容電壓滯環(huán)比較控制法，超級(jí)電容向蓄電池充電一次最短時(shí)間為td，根據(jù)能量守恒有：

　　在本系統(tǒng)中光伏控制器和采用boost電路。由式（7）可得根據(jù)光伏電池的弱光下最大功率點(diǎn)工作電壓計(jì)算Von上限。根據(jù)蓄電池浮充電壓及超級(jí)電容的漏電流確定Voff。最后可得超級(jí)電容的容量：

　　4 仿真實(shí)驗(yàn)

　　仿真實(shí)驗(yàn)示例采用60WLED路燈，按以下參數(shù)設(shè)計(jì)：路燈連續(xù)工作時(shí)間為8小時(shí)，平均日照時(shí)間為4小時(shí)，安全系數(shù)為0.76，光伏控制器效率為0.85，連續(xù)雨天數(shù)為4日，蓄電池允許放電深度為0.5，充電控制器效率為0.85。若選用48V蓄電池，根據(jù)式（9）計(jì)算得蓄電池容量為：157Ah。光伏電池發(fā)電容量為：188W。選用開路電壓為17V的光伏電池。由前面的推導(dǎo)選擇Von=40V，Voff=30V。由式（13）計(jì)算，為保證每蓄電池充電一次持續(xù)時(shí)間至少為60s，超級(jí)電容值需大于0.127F。[!--empirenews.page--]

　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)在仿真模型中建立simulink/matlab模型，模型按照?qǐng)D1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立，采用帶有最大功率跟蹤的光伏電池控制器，把光伏電池上的電能傳輸?shù)街苯硬⒙?lián)超級(jí)電容的直流母線上。同時(shí)電能通過蓄電池充放電控制器給蓄電池充電。如圖8所示，該系統(tǒng)的simulink模型主要有PV模塊、LED模塊、直流母線模塊、蓄電池模塊、超級(jí)電容積分模塊、蓄電池充電控制器模塊。

　　如圖8，把超級(jí)電容值設(shè)置為0，則可以仿真直接boost電路充電方式不采用超級(jí)電容系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖9所示，圖9（a）、圖9（b）分別模擬陰天和晴天光照情況下蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。在陰天弱光照情況下，系統(tǒng)發(fā)電能力受到系統(tǒng)自身損耗影響很大，其啟動(dòng)所需要的光照強(qiáng)度高。

　　在晴天較強(qiáng)光照情況下，系統(tǒng)能在高工作效率狀態(tài)下工作。

　　采用超級(jí)電容系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖10所示圖10（a）、圖10（b）分別模擬陰天和晴天光照情況下超級(jí)電容電壓、蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。

　　在陰天弱光照情況下，超級(jí)電容充放電次數(shù)較少，蓄電池電壓呈階梯狀上升。在晴天強(qiáng)光照下，超級(jí)電容充放電次數(shù)多。

　　對(duì)比兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從蓄電池最終電壓可以看出，弱光照情況下，使用超級(jí)電容系統(tǒng)的光伏電池的利用率上升，蓄電池電壓變化值約為不采用超級(jí)電容的蓄電池電壓變化值的120%，即在弱光照下，系統(tǒng)的光伏發(fā)電效率提高了大約20%。而在晴天，有足夠光照的情況下，雖然在早晚光照較弱時(shí)，其發(fā)電能力得到提高，但由于多引入一級(jí)變換器，在較高功率下，采用超級(jí)電容沒有對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電效率有明顯的提高。由上，采用超級(jí)電容的獨(dú)立光伏系統(tǒng)在光照不足的地區(qū)能對(duì)發(fā)電能力有明顯的改善。

　　5 結(jié)論

　　本文在獨(dú)立式光伏系統(tǒng)簡單計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出采用了超級(jí)電容的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)算法。

　　通過對(duì)使用超級(jí)電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)各部分組件進(jìn)行建模，在采用充放電控制器控制情況下，使用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比在各種太陽光照情況下系統(tǒng)的發(fā)電情況。仿真結(jié)果證明，使用該方法可以有效提高在弱太陽光照情況下的光伏系統(tǒng)發(fā)電效率，從而向使用超級(jí)電容的太陽能LED路燈的配置設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。