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太陽(yáng)能路燈系統在道路照明中有很高的價(jià)值。使用超級電容的太陽(yáng)能LED路燈系統屬于復合能源系統，該系統中的電能傳輸需要在線(xiàn)控制以保證系統的正常運行。圖1為超級電容的太陽(yáng)能LED路燈的系統結構�？刂破髯鳛楹诵牟考芾碇�(zhù)各個(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(mǎn)足照明需求，控制器需要對系統中的電能進(jìn)行管理。在弱太陽(yáng)光照的情況下，由于光伏電池產(chǎn)生的能量不穩定，不能有效的對蓄電池充電。 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電容里，到適當的時(shí)候再將存儲的能量通過(guò)脈沖或恒流的方式向蓄電池充電，可以有效的提高系統的太陽(yáng)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)。 本文在獨立式光伏路燈系統簡(jiǎn)單計算方法的基礎上，以提高在弱太陽(yáng)光光照情況下發(fā)電效率為目標，提出一種采用了超級電容的獨立光伏系統設計方法。本文通過(guò)對使用超級電容的太陽(yáng)能LED路燈系統各部分組件進(jìn)行建模，在有充放電控制器控制的情況下，使用計算機仿真對比在各種太陽(yáng)光照情況下系統的發(fā)電情況，其驗證結果向使用超級電容的太陽(yáng)能LED路燈的配置設計提供理論依據。 2 系統分析與設計 使用超級電容的太陽(yáng)能LED路燈系統由光伏電池陣列、光伏控制器、超級電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負載組成，連接結構如圖1所示。超級電容跨接在直流母線(xiàn)和地線(xiàn)之間，用于保持直流母線(xiàn)的電壓，并緩沖光伏電池提供的過(guò)大能量，在適當的時(shí)候放電以滿(mǎn)足蓄電池的充電需要和負載的供電需要。 
光伏電池等效電路模型如圖2所示。
2.2 光伏控制器的分析 光伏控制器在設計時(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；但當光照不足時(shí)，若要使蓄電池能夠繼續充電，該控制電路會(huì )導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 )使得光伏路燈系統的發(fā)電效率下降。因此設計控制系統時(shí)需預設弱光段的閾值，以實(shí)現在弱光下能通過(guò)超級電容緩沖來(lái)保證蓄電池正常充電的目的。
boost工作電路如圖5所示，根據電感L伏秒平衡和電容C充放電能量守恒有：
由式（3）（4）可得：
若直接采用光伏電池對蓄電池充電，則當光照較弱時(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 )不穩定，導致光伏電池在充電時(shí)難以保持在Vzmin上，最后導致系統在該光照范圍內不能對蓄電池正常充電。如圖6中兩曲線(xiàn)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(xiàn)；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區間內抖動(dòng)，造成對蓄電池充電不可控。本文通過(guò)采用超級電容，把這部分不穩定的輸出能量蓄積起來(lái)，再到滿(mǎn)足一定的電壓條件時(shí)，通過(guò)升壓電路把超級電容中的能量釋放到蓄電池。這種采用超級電容的方式可以提高在弱太陽(yáng)光照下的發(fā)電效率。
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電容電壓的滯環(huán)比較控制策略，以超級電容兩端電壓作為反饋采樣信號。若超級電容兩端電壓低于設定下限值Voff，則停止向蓄電池充電，光伏控制器采用最大功率跟蹤對超級電容充電；當超級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)持續低光照，則當超級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，當超級電容的電壓超過(guò)Von時(shí)，系統對蓄電池以三段式10小時(shí)充電法充電，同時(shí)超級電容電壓也會(huì )繼續上升，這時(shí)控制器保持超級電容的電壓值不超過(guò)新的上限值Vmax。
獨立式光伏系統在設計時(shí)，需要考慮該系統應用場(chǎng)所的日照條件、電氣設備等。然后根據負載所消耗能量決定光伏電池容量和蓄電池容量。 在獨立式太陽(yáng)能路燈系統中，光伏電池的容量選擇如下式（8）：
仿真實(shí)驗示例采用60WLED路燈，按以下參數設計：路燈連續工作時(shí)間為8小時(shí)，平均日照時(shí)間為4小時(shí)，安全系數為0.76，光伏控制器效率為0.85，連續雨天數為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，根據式（9）計算得蓄電池容量為：157Ah。光伏電池發(fā)電容量為：188W。選用開(kāi)路電壓為17V的光伏電池。由前面的推導選擇Von=40V，Voff=30V。由式（13）計算，為保證每蓄電池充電一次持續時(shí)間至少為60s，超級電容值需大于0.127F。 根據以上數據在仿真模型中建立simulink/matlab模型，模型按照圖1所示的系統結構建立，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到直接并聯(lián)超級電容的直流母線(xiàn)上。同時(shí)電能通過(guò)蓄電池充放電控制器給蓄電池充電。如圖8所示，該系統的simulink模型主要有PV模塊、LED模塊、直流母線(xiàn)模塊、蓄電池模塊、超級電容積分模塊、蓄電池充電控制器模塊。
在晴天較強光照情況下，系統能在高工作效率狀態(tài)下工作。 采用超級電容系統的仿真結果如圖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電容電壓、蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。
對比兩種系統結構，從蓄電池最終電壓可以看出，弱光照情況下，使用超級電容系統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電容的蓄電池電壓變化值的120%，即在弱光照下，系統的光伏發(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，但由于多引入一級變換器，在較高功率下，采用超級電容沒(méi)有對系統的發(fā)電效率有明顯的提高。由上，采用超級電容的獨立光伏系統在光照不足的地區能對發(fā)電能力有明顯的改善。 5 結論 本文在獨立式光伏系統簡(jiǎn)單計算方法的基礎上，提出采用了超級電容的獨立光伏系統的設計算法。 通過(guò)對使用超級電容的太陽(yáng)能LED路燈系統各部分組件進(jìn)行建模，在采用充放電控制器控制情況下，使用計算機仿真對比在各種太陽(yáng)光照情況下系統的發(fā)電情況。仿真結果證明，使用該方法可以有效提高在弱太陽(yáng)光照情況下的光伏系統發(fā)電效率，從而向使用超級電容的太陽(yáng)能LED路燈的配置設計提供了理論依據。 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
