太陽能電源低壓鈉燈智能控制器的設計

李慧娟，梁榮光

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640）

近年來再生能源技術廣受重視，而太陽能發電由于有先進的電力電子技術輔助，已成為極具潛力的再生能源之一。低壓鈉燈（LPS）作為光效最高和光衰較小的光源，是道路照明光源的最佳選擇，與太陽能光伏系統結合應用，節能效果更顯著[1]。當前市場上已有各種各樣的針對不同類型負載的太陽能電源智能控制器產品，但目前采用高（低）壓鈉燈為負載而設計的控制器很少，本文為了區別于其他太陽能電源控制器，采用低壓鈉燈作為負載。太陽能強度受各種因素（季節、地點、氣候等）的影響而不能維持常量，導致太陽能綜合利用系統受日照、溫度、使用負載變化等條件影響比較大，使系統非線性較強，加大系統的控制難度。為了實現電源和負載之間穩定、高效工作，提高供電質量，同時對系統中蓄電池循環充放電和充放電深度加以合理控制，而且延長蓄電池使用壽命，需要借助于設計一種高效、可靠的、智能的太陽能電源充放電控制器來完成這些工作[2]，使充電及開/關過程采用光控自動控制，無需人工操作，工作穩定可靠，節省電費，免維護。因此，開展低壓鈉燈的太陽能電源智能控制器的研究具有重要意義。

1 系統結構

獨立型太陽能光伏系統主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、控制器和負載組成。其組成框圖如圖1所示。

分析太陽能綜合利用系統的構成可知，負載以太陽光為能源，白天太陽能電池組件/方陣采集電能，鉛酸蓄電池儲存電能，通過控制器的合理控制，晚上為負載提供電能，使用時間和工作模式可以靈活設置。開發了一套小型光伏系統的低壓鈉燈太陽能電源控制器，其中，蓄電池為24 V，負載是36 W的低壓鈉燈，單路負載輸出。

2 系統硬件設計

該智能控制器裝置硬件部分具有3個接口：一個用于同太陽能電池方陣接口，一個用于同蓄電池接口和一個用于同低壓鈉燈負載接口?？刂破髡w結構設計框圖如圖2所示。虛框內為控制器部分。

2.1 P87LPC767單片機

系統控制選用PHILIPS半導體公司的P87LPC767單片機實現，其工作在100 kHz～4 MHz、電源電壓為 3.3 V時，其功耗僅為0.044～1.7 mA，適合蓄電池供電系統；它提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可由編程選擇，且有較寬的操作電壓范圍；可編程I/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發輸入，LED驅動輸出；內含看門狗定時器和I2C總線；其內部的2個模擬比較器可組成8位A/D轉換器；同時具有上電復位檢測和欠壓復位檢測功能；保證I/O口驅動電流達到20 mA。P87LPC767采用80C51加速處理器結構，指令執行速度是標準80C51 CPU的2倍[3-4]。

本系統以P87LPC767單片機為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路、模式選擇電路以及可使系統加入附加功能的E2PROM芯片等部分組成。P87LPC767及其外圍電路如圖3所示。表1是結合硬件電路設計單片機P87LPC767各引腳功能描述。

2.2 蓄電池充放電電路

基于光伏發電的特殊性，需設計性能良好的充放電控制電路。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對其充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電和深度放電。該充放電電路相當于一個電壓采集與電池管理模塊。

當白天有陽光時，單片機分別檢測太陽能電池方陣和蓄電池的電壓值，控制蓄電池充電電路導通開關MOSFET管VQ9（圖3）的導通/關斷狀態。當單片機檢測到PV+電平高于BAT+電平時，開關器件VQ9導通，太陽能電池方陣向蓄電池用直充方式充電；當蓄電池被充至過壓時，開關器件Q9關斷，太陽能電池方陣向蓄電池用小電流充電（浮充），這樣能起到“過充電保護”作用[5]。

當夜晚或陰天陽光不足時，繼電器導通，蓄電池放電，保證負載不停電。本系統設計的繼電器RELAY1為蓄電池放電開關，RELAY1導通/關斷的控制信號由單片機的I/O口輸出。本系統的負載為低壓鈉燈，用于道路照明，因此應具備光控功能，即有太陽光時，RELAY1關斷；當夜晚或陰天陽光不足時，RELAY1導通，蓄電池放電，路燈照明。從保護蓄電池的角度出發，當需要向負載供電而蓄電池電壓卻小于“過放電壓”，RELAY1也關斷，進行“過放電保護”，避免電池放空，損壞蓄電池；當太陽能電池方陣重新供電且只有當蓄電池電壓重新升到浮充電壓，需要為負載供電時RELAY1才重新導通，接通負載回路。

表1 P87LPC767引腳功能描述Tab.1 Functions description of P87LPC767

2.3 低壓鈉燈的DC/AC低頻電子鎮流器系統電路

電子鎮流器連接在電源和一只或若干只氣體放電燈之間，并將氣體放電燈的工作電流限制在規定值內，用于對負載進行輸出控制與檢測。低壓鈉燈屬于氣體放電燈，由于氣體放電燈具有負阻工作特性，所以要使其正常工作，應配以鎮流器等控制裝置。這些相關的控制裝置應完成以下控制功能[6]：1）限制和穩定氣體放電燈的工作電流；2）在蓄電池端電壓允許變化范圍內應能確保燈電壓、燈電流和燈功率穩定，使燈正常工作。3）提供氣體放電燈所需的點火電壓。4）在氣體放電燈負載點火工作之前應提供所需的燈電極預熱功能。

目前對太陽能電源控制器、低壓鈉燈及其配套電子鎮流器已有很多研究，但在實際工程應用中發現，由于上述3種設備或產品都是獨立開發的，在工作中匹配性差。有的低壓鈉燈啟動不穩定，有的甚至造成損壞，在很大程度上限制了低壓鈉燈的應用[7]。因此建議可把該低壓鈉燈的DC/AC低頻電子鎮流器系統電路模塊納入本控制器系統，設計成一個太陽能低壓鈉燈照明系統智能控制器、鎮流器一體機。

2.4 LED顯示電路

此控制器采用了一個雙色LED發光二極管作為系統狀態指示燈，該雙色LED發光二極管顯示非常直觀，取代了以往多個指示燈。單片機通過檢測引腳17（AD1，即BAT+電壓）的值與設定值相比較，控制引腳2（P1.7）和引腳 3（P1.6）的輸出電平，決定系統狀態指示燈的顏色和狀態。狀態指示燈顯示的狀態如表2所示。

表2 狀態指示燈顯示的狀態Tab.2 Status indicator LED display

2.5 控制器工作模式選擇電路

本控制器預設了8種工作模式供用戶選擇 （見表3），用戶只需撥動撥碼開關J1，單片機將自動檢測個人用戶選擇的控制器模式，根據程序流程，分別實現不同模式下的功能。

表3 8種工作模式預設Tab.3 Eight working modes setting

3 系統軟件設計

該設計方案的軟件程序包括:主程序、定時中斷程序、A/D轉換子程序、外部中斷子程序、充放電管理子程序、負載管理子程序、LED顯示子程序等。圖4為本系統軟件結構設計框圖。以“調試模式”為例，本系統的軟件設計程序流程如圖5所示。

4 實驗結果

根據以上設計思路，試制一臺樣機，由2個12 V 7 AH閥控式密封鉛酸蓄電池、36 W低壓鈉燈和由直流電源模擬代替的80 Wp光伏陣列系統組成的實驗平臺對樣機的各項性能指標進行實驗研究。圖6是在穩定階段的低壓鈉燈示波器的波形。結果表明，本系統運行穩定、可靠。

5 結 論

本系統經過實驗和調試，實現了預期的功能，有效、合理地完成了系統狀態的管理和能量流的實時控制。采用微處理器實現太陽能控制器的充放電控制,其各項性能指標明顯優于常規控制器，并可針對不同蓄電池設定參數和進行溫度補償，大大擴展了其使用功能。

[1]阮景義，蘇建徽，李桂臣.太陽能低壓鈉燈電子鎮流器設計[J].中國建設動態：陽光能源，2007（3）:62-64.

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