太阳能低压钠灯控制器一体化设计

高胜利 冷玉柱 兰天 刘俊才

(内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051)

1 引言

太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的绿色能源，全世界的各国都在大力的推广。对于地域广阔的中国，太阳能资源极其丰富，太阳能的广泛利用，既有利于调整我国的能源结构，减少非可再生能源使用，又可以减少二氧化碳的排放，降低环境污染。

针对独立的太阳能充放电控制器与低压钠灯电子镇流器在工程设计与应用中存在不便的缺点，本文将低压钠灯的电子镇流器与太阳能智能控制器进行一体化控制设计，既实现了太阳能给蓄电池充放电的智能控制，又可以实现低压钠灯的恒功率控制，灯温补偿等功能，并且控制器具有过充、过放、过流、过压、过载等保护功能。

2 系统基本组成

设计的低压钠灯的智能控制器和电子镇流器一体机的系统基本组成如图1所示，使用35W低压钠灯。系统主要有三部分组成:蓄电池智能充放电电路、低压钠灯电子镇流器电路电路以及保护电路。

图1 系统基本组成框图

蓄电池的智能充电控制和电路保护控制由主控器PIC16F877A来实现。低压钠灯电子镇流器电路采用专用控制芯片UCC2305进行主要控制，该芯片内部具有复杂的电路来实现对低压钠灯的灯温、灯压、灯电流的检测以及对于负载侧的开路、短路等故障的检测，实现恒功率控制、灯温补偿以及防频闪的双频工作模式。

3 MPPT技术

太阳能电池成本较贵，而且U-I特性曲线为非线性。考虑到设计的延续性，为了最有效利用太阳能资源，使用了最大功率点跟踪 (Maxim Power Point Tracking，简称MPPT)的充电控制策略。工程中实现MPPT的方法有很多，本文采用了爬山法，即:利用单片机实时采样太阳能电池的电压和电流，得到功率P1，然后主动改变太阳能电池工作点，再得到工作点功率P2。当P1＞P2时，表示工作点变化方向正确，可继续按此策略寻找。反之，则反方向寻找，最终实现太阳能电池工作在最大功率点附近的小区域内。MPPT最大功率点跟踪控制过程如图2所示。

图2 MPPT控制示意图

PIC16F877A通过电阻分压检测光伏电池端电压，确定外界光照强度，从而对蓄电池的充放电、低压钠灯的开启和熄灭进行控制。单片机通过电阻分压检测蓄电池端电压，对蓄电池实现三阶段智能充电，延长蓄电池的使用寿命。单片机通过输出PWM信号实现MPPT算法以及对蓄电池的智能充电，并且电路设定了拨码开关，可以进行工作状态选择。

4 低压钠灯电子镇流器的设计

低压钠灯是具有热电极的低气压弧光放电灯，在高频电流下点燃会产生声共振现象，因此在设计中采用110Hz左右的频率电流点亮低压钠灯，克服声共振现象。

设计采用三级式的电子镇流器拓扑电路。主要思想是使电子镇流器工作在高频状态下，用低频恒流源来直接驱动钠灯，灯能够稳定工作，无需电感镇流器。

4.1 DC/DC升压变换电路

DC/DC升压变换电路将电压升压，输送至全桥逆变器，驱动低压钠灯正常工作。DC/DC升压变换器采用PWM控制的反激式结构。PWM波来自于UCC2305的PWMOUT引脚，经过功率放大后驱动MOSFET管，实现反激变换。升压变压器初级线圈的匝数与次级线圈的匝数比为1∶5。电容和电感在电路工作在105kHz的高频状态时起到降低开关损耗，减小噪声的作用。

4.2 DC/AC全桥逆变电路

图3为全桥逆变电路示意图。

图3 全桥逆变电路

UCC2305的脚 Q/O/U/T/和 QOUT输出占空比为50%，相位相差180°的方波，功率放大后驱动由4个MOSFET管构成的全桥逆变器，输出105Hz的低频方波正常点亮低压钠灯，钠灯的平均电压为零。RCD缓冲吸收电路可以有效的的抑制MOSFET关断浪涌电压，减小开关损耗。

4.3 保护电路

保护电路的主要器件为继电器。单片机通过对蓄电池、光伏电池电压、过载、过压等的检测信号进行比较处理，控制继电器的断开实现保护功能，当故障消失，继电器重新吸合，或者是经过一定时间，电路重新进入正常工作状态。其他保护电路为增加瞬态抑制二极管、防反接二极管以及熔断器等。

5 控制软件设计

系统的软件部分主要包括蓄电池的智能充放电的管理，MPPT算法的实现，照明系统的故障以及保护，以及正常点亮低压钠灯控制，图4为控制系统的流程图。

图4 控制系统流程图

6 实验波形

实际实验测试中，主要分为以下阶段:

第一阶段，在实验室环境下，连接OSRAM 35W低压钠灯进行测试，检测控制电路的相关参数，如图5、图6。波形显示电路可以实现反激变换驱动低压钠灯变换电路，低压钠灯工作正常。

图5 反激变换电路输出信号

第二阶段:利用两片50W光伏电池串联进行实际环境测试，检测控制器算法的实现、能否正常控制蓄电池充放电以及蓄电池的使用情况。经过实际测试证明蓄电池可以正常充放电，蓄电池工作状态稳定，所需连线与独立控制器和电子镇流器相比减少，连接方便简单迅速。

图6 低压钠灯两端正常工作时波形

第三阶段，进一步实际环境测试，在户外检测控制器对于低压钠灯的启动控制、MPPT算法的实现、蓄电池的充放电，使用寿命、控制器的故障情况。经过将近三个月实际测试证明，所设计的一体化控制器可以正常工作，特别是对于低压钠灯的热启动等参数控制良好，基本满足设计要求，如图7。

图7 低压钠灯热再启动波形

7 结论

本文将太阳能充放电控制与低压钠灯电子镇流器技术整体考虑，设计了基于PIC16F877A单片机控制的具有最大功率跟踪技术 (MPPT)的35W低压钠灯一体化控制器。通过对系统的测试和分析，该控制器与传统方案相比具有显著优点。首先，系统利用最大功率跟踪技术，显著提高了光伏电池的利用效率;其次，对蓄电池采用三阶段充电方式，有利于保护电池，延长电池使用寿命;再次，采用低压钠灯专用控制芯片，电路设计精简，提高了系统的稳定和可靠性。

所以本方案在太阳能照明实际应用中具有很强的指导意义，有一定的推广和使用价值。

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