中心議題：
- 采用超級電容的獨立光伏系統(tǒng)分析與設(shè)計
- 充電控制策略及超級電容參數(shù)
- 獨立式光伏路燈系統(tǒng)簡單計算
- 使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)的組件建模
1 引言
太陽能路燈系統(tǒng)在道路照明中有很高的價值。使用超級電容的太陽能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)的正常運行。圖1為超級電容的太陽能LED路燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？刂破髯鳛楹诵牟考芾碇鱾€部件之間的能量傳輸。為保證蓄電池充放電可靠、高效，同時滿足照明需求，控制器需要對系統(tǒng)中的電能進行管理。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(dāng)?shù)臅r候再將存儲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)。
本文在獨立式光伏路燈系統(tǒng)簡單計算方法的基礎(chǔ)上，以提高在弱太陽光光照情況下發(fā)電效率為目標，提出一種采用了超級電容的獨立光伏系統(tǒng)設(shè)計方法。本文通過對使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)各部分組件進行建模，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光照情況下系統(tǒng)的發(fā)電情況，其驗證結(jié)果向使用超級電容的太陽能LED路燈的配置設(shè)計提供理論依據(jù)。
2 系統(tǒng)分析與設(shè)計
使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)由光伏電池陣列、光伏控制器、超級電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負載組成，連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級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候放電以滿足蓄電池的充電需要和負載的供電需要。
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)點溫度下，光伏電池有唯一的發(fā)電最大功率點，因此需要光伏控制器進行最大功率跟蹤（MPPT）控制以獲得最大發(fā)電效率。
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2.2 光伏控制器的分析
光伏控制器在設(shè)計時通常采用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，若要使蓄電池能夠繼續(xù)充電，該控制電路會導(dǎo)致光伏電池的工作點脫離最大功率輸出點，但這樣又會使得光伏路燈系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。因此設(shè)計控制系統(tǒng)時需預(yù)設(shè)弱光段的閾值，以實現(xiàn)在弱光下能通過超級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最低電壓。由圖4可得蓄電池小信號數(shù)學(xué)表達式為：
穩(wěn)態(tài)時，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為變換器在負載端等效電阻，T為周期時間。
由式（3）（4）可得：
式中D+D′=1，K=Rs/（R1+R2）；可得當(dāng)達到最大值，此時最大增益為：
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)計時根據(jù)蓄電池參數(shù)，由式（6）算出，能對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。
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若直接采用光伏電池對蓄電池充電，則當(dāng)光照較弱時，為了追蹤最大功率，在存在其他干擾因素的同時其輸出電壓會不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏電池在充電時難以保持在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，造成對蓄電池充電不可控。本文通過采用超級電容，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，通過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光照下的發(fā)電效率。
3 充電控制策略及超級電容參數(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(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超級電容充電；當(dāng)超級電容電壓充到足夠大為Von時（Von>Voff），以蓄電池的三段式10小時充電法向蓄電池充電；若此時持續(xù)低光照，則當(dāng)超級電容電壓重新下降到下限值Voff時，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)超級電容的電壓超過Von時，系統(tǒng)對蓄電池以三段式10小時充電法充電，同時超級電容電壓也會繼續(xù)上升，這時控制器保持超級電容的電壓值不超過新的上限值Vmax。
3.2 充電參數(shù)計算
獨立式光伏系統(tǒng)在設(shè)計時，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為負載所需電流，T為負載每日工作小時數(shù)。Ta為平均日照時間。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輸出功率為：
由上，采用超級電容電壓滯環(huán)比較控制法，超級電容向蓄電池充電一次最短時間為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工作電壓計算Von上限。根據(jù)蓄電池浮充電壓及超級電容的漏電流確定Voff。最后可得超級電容的容量：
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4 仿真實驗
仿真實驗示例采用60WLED路燈，按以下參數(shù)設(shè)計：路燈連續(xù)工作時間為8小時，平均日照時間為4小時，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）計算，為保證每蓄電池充電一次持續(xù)時間至少為60s，超級電容值需大于0.127F。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)在仿真模型中建立simulink/matlab模型，模型按照圖1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)超級電容的直流母線上。同時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、超級電容積分模塊、蓄電池充電控制器模塊。
如圖8，把超級電容值設(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，其啟動所需要的光照強度高。
在晴天較強光照情況下，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。在晴天強光照下，超級電容充放電次數(shù)多。
對比兩種系統(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，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，采用超級電容沒有對系統(tǒng)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(tǒng)在光照不足的地區(qū)能對發(fā)電能力有明顯的改善。
5 結(jié)論
本文在獨立式光伏系統(tǒng)簡單計算方法的基礎(chǔ)上，提出采用了超級電容的獨立光伏系統(tǒng)的設(shè)計算法。
通過對使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)各部分組件進行建模，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，從而向使用超級電容的太陽能LED路燈的配置設(shè)計提供了理論依據(jù)。
