太阳能路灯系统的仿真研究

太阳能路灯系统的仿真研究
第28卷第4期计算机仿真2011年4月
文章编号:1006—9348(2011)04—0328—04
太阳能路灯系统的仿真研究
张军朝
(太原理工大学计算机科学与技术学院,山西太原030024)
摘要:研究太阳能路灯系统,针对太阳能路灯安全性和寿命问题,传统铅酸蓄电池不能很好解决光伏最大功率跟踪控制与蓄
电池的合理充放电之间的矛盾,导致太阳能路灯系统提前损坏,寿命缩短.为了有效延长太阳能路灯系统寿命,提出一种基
于超级电容的光伏系统设计方法.将超级电容连接在光伏系统的前端,在光照不足的情况下,采取超级电容为蓄电池的充
电控制策略,从而减少光照变化对充电条件的影响,可保证光伏电池获得最大功率跟踪的,蓄电池的合理充放电要求得到满
足.在Matlab上仿真建模,进行了仿真,实验结果表明,提出的方法解决了传统方法的不足,有效的延长了太阳能路灯系统
寿命,提高了使用效率.
关键词:超级电容;蓄电池;太阳能路灯;仿真
中图分类号:TP391.9文献标识码:B SimulationStudyonSolarEnergyLightingSystem
ZHANGJun—chao
(ElectronicCo.LTDofTaiyuanShanxi,TaiyunaShanxi03004,China)
ABSTRACT:Researchontheproblemsofolarstreetlampssystem.Traditionalstoragebatter yCallnotsolvethecon- tradictionbetweenthetrackingcontrolofphotovohaicpowerandchargingofbatteries,which sho~enstheservicelife
ofthestreetlampssystem.Inordertoprolongthelifeofsolarlightssystem,photovohaicsyste
mdesignmethodis
proposedbasedonthesupercapacitance.Thesupercapacitanceisconnectedinfrontoftheph otovohaicsystems,
andchargesthebatteryindeficienciesoflight,thusreducingtheinfluenceofilluminationcha ngesonrechargecondi—tionandensuringthephotovohaicbatterypowerandthebatterychargedemands.Simulation modelisestablishedon
simulink/matlabtoverifythevalidity.Experimentalresultsshowthatthismethodhassolvedt heshortcomingsofthe
traditionalmethod,prolongedthesolarlampslife,andimprovedthesystemefficiency. KEYWOI~S:Supercapacitor;Storagebattery;Roadlightinglantern;Simulation
l引言
近年来,随着世界工业和社会经济的高速发展,,全球性
煤,石油,天然气等矿产资源的日益匾乏,世界越来越重视再
生能源的利用与研究.太阳能作为一种新兴的绿色能源,已
经得到了广泛的应用.太阳能路灯具有易控制,清洁环保无
需电费开支及不需要需架设输电线路,等多方面的优点而越
来越受到重视….
太阳能路灯系统由光伏电池极板,蓄电池,照明灯具和
控制器等几个部分组成.太阳能路灯系统一般都安装在覆
盖面积广和安置地点偏远的地方,这样造成系统比较维护困
难,因此,太阳能路灯的系统寿命和系统可靠性成为其能否
收稿日期:2010—09—10修回日期:2010—09—25
----——
328.---——
广泛应用的关键因素J.一般情况下,太阳能路灯系统蓄能
装置采用蓄电池,由于铅酸蓄电池具有储能多且成本低等优
点,应用最为广泛.但是充放电状态直接对铅酸蓄电池寿命
影响,若充电电压不当或铅酸蓄电池使用不当等情况出现,
则铅酸蓄电池的寿命就会急剧缩短【3J.同时,太阳能输出功率与光照情况有关,这样就导致了光伏最大功率跟踪控制与蓄电池的合理充放电之间的矛盾.如果仅仅按照蓄电池的
充电曲线进行设计,那么光伏电池的最大功率跟踪控制就难实现,无法达到系统的最大发电效率J.但是只单纯追求最
大功率跟踪控制而忽略蓄电池充电方式的合理性,那会就导致太阳能路灯系统提前损坏,寿命缩短,给经济带来一定的
损失,所以如何解决光伏最大功率跟踪控制与蓄电池的合理充放电之间的矛盾成为太阳能路灯系统设计中一个难题J.
超级电容器是一种电压源型的中间电能存储元件,具有
充电时间短,功率密度高和可靠性高等优点,其在分布式发电,电动车辆和不问断电源等相关领域得到了广泛的应用.
超级电容相对于蓄电池来说,可以充放电的次数多,所以将
』士作为中间储能装置,可以解决当前太阳能路灯系统中存在的难题,可以提高系统的发电效率J.
针对当前太阳能路灯系统设计中的难题,本文在分析光
伏路灯系统设计的基础上,提出一种基于超级电容的独立光伏系统设计方法,从而提高在弱太阳光光照情况下发电效率.并进行了仿真建模,来难证该设计方法的有效性.验证
结果表明,基于超级电容的太阳能路灯系统是一种合理的,
提高了节能效率.
2系统分析与设计
基于超级电容的太阳能路灯系统是一种复合的能源系
统,其电能传输需要在线控制来保证系统的正常运行.其系
统结构如图1所示.基于超级电容的太阳能路灯系统由太
阳能电池板,光伏控制器,超级电容,充电控制器,储能蓄电
池,电流变换器和负载组成.控制器是能量传输管理的核心
部件.在光照不足的情况下,光伏电池产生的能量就会不稳定,从而导致不能有效的对蓄电池充电.本文超级电容先把
光伏电池产生的能量先蓄积起来,当合适的时候把其输入到蓄电池进行充电,这样有效的提高了系统的太阳能利用率. 超级电容接在光付控制器和充电控制之间,对光伏电池的大能量进行缓冲,并在在合适的时候通过放电的方式对蓄电池进行充电,以满足负载的供电需要.
图1太阳能路灯系统电路原理
2.1太阳能电池数学模型
太阳能电池根据光伏特效应原理,将太阳光能直接转为
电能.光伏电池实质上是一个PN结,其等效电路由光生电流源及一系列电阻并联和串联组成,如2所示.
RI
#)fD+v{—I—IId'图2太阳能电池等效电路
太阳能电池的输出电流,电压间关系为:
,_,0{exp[1_1}一(1)
其中,,表示流过负载的电流;R表示太阳电池串联电阻;R
太阳电池并联电阻;表示与日照强度成正比例的光生电流;q表示电子电荷;A表示PN结理想因子;T表示绝对温度;K表示玻耳兹曼常数.
根据式(1)的数学模型得到太阳电池的特性曲线图.曲
线图表明在一定的日照强度和温度条件下,太阳电池的输出电流和输出电压之间的关系,叫做电流一电压曲线,简称IV 特性.从图3可知,电流一电压曲线是非线性,是一种非线
性直流电源,不可能为负载提供任意大的功率,其输出电流在大部分工作电压范围内基本恒定,只有当工作电压接近开路电压时,电流才大大下降率.
图3太阳能电池电流一电压(IV)曲线图
2.2蓄电池模型
在太阳能光伏发电系统中,蓄电池是一个储能设备,在
有日照的条件下,将负戴多余的电能存储起来,而在日照情
况不好的情况下,则将储存的电能输出给负载.在进行光伏控制器设计时,一般情况下通常采用boost升压电路,通过此方法产生比光伏电池板两端更高的电压,这样对蓄电池充电更有利.但当光照不足时,如果继续给蓄电池充电,这样会
导致光伏电池的工作点脱离最大功率输出点,使光伏路灯系统的发电效率有所下降.因此,在进行设计控制系统时,首
要预预设弱光段的阈值,以便在弱光下能通过超级电容缓冲的作用,有效的保证蓄电池能够正常充电,图4为蓄电池等效电路模型.
R
图4蓄电池等效电路
--?-——
329----——
根据蓄电池等效电路图可知,蓄电池存在一个最低充电
电压,这样,就会使得其升压电路的同样存在一个最低输出电压.蓄电池小信号数学描述如下:
电池.这就保证了在弱太阳光照下仍然有较高的充电效率. 3蓄电池充电控制策略及超级电容参数选择
㈤¨E+)(2)3?
:当太阳的光照不足时'采月j
其中,和R均表示蓄电池电阻.
这要,当蓄电池处于稳态时,变换器充电电压为:
U=E+(Rl+2),(s)
蓄电池的boost工作电路结构如图5所示.
图5蓄电池的boost工作电路结构图
超级电容电压的滞环比较控制策略,通过采用超级电容两端电压作为反馈采样信号.如果超级电容两端小于事先设定Lj的下限值,那么向蓄电池充电就停止进行,光伏控制器通
过最大功率跟踪方式对超级电容进行充电.若超级电容电压V o>,采用分段充电方式给蓄电池充电,具体分多少段,根据具体要求来定.如果此时的太阳光照持续很低,那
么当超级电容电压再一次低于下限值时,又停止向蓄电
池进行充电,如此循环;在太阳的光照充足且超级电容的电压大于时,系统又采用分段充电方式给蓄电池充电,这样
超级电容电压就会不断上升,此时控制器控制超级电容的电压值不能超过新的上限值.图7为蓄电池充电控制
策略.
从图5可知,电容C充放电能量守恒和电感L伏秒平
衡有:
f"Ldt=D(—kR,)+D(—^.憎.R一u)
(4)
=
叫一)…一)(5)
其中,D表示PWM的占空比;表示输入电源的电压;t'ch一表示蓄电池充电电流;R变换器在负载端等效电阻;U表示充电电压,表示周期时间.根据上述的式(4)和(5)可得:
G(D)=南(6)
其中,D+DJ=1.
因此,当D=耐,G的值达到最大,此时最大增益为: Gm"(D)(7)
蓄电池电路是一种升压电路,所以G最小值为1,这样就可以计算得到K<0.25.在进行系统设计时,根据蓄电池参数,通式采用式(7)得到蓄电池充电的升压电路最小输入电压为:
=
(8)
其中,表示蓄电池最低充电电压.
如果直接通过光伏电池对蓄电池充电,那当光照较弱
时,光伏电池在充电时难以保持在蓄电池充电的升压电路最小输入电压上,从而使系统在该光照范围内不能对蓄电池正常充电,造成对蓄电池充电失控.本文通过采用超级电容,
把一些不稳定的输出能量先储存来,当达到一定的电压条件时,通过升压电路把超级电容中的事先储存的能量输入到蓄...——
330...——
图7蓄电池充电控制策略
3.2充电参数计算
在进行光伏系统设计时,首先必须要考虑该系统的电气
设备和日照条件等条件,然后通过计算负载所消耗能量来决定蓄电池容量和光伏电池容量.在太阳能路灯系统中,光伏电池的容量选择方式如下:
=瓦(9)
其中,表示负载每日工作小时数;,表示负载所需电流;k
表示蓄电池容许放电深度;表示安全系数;町表示变换器
效率.
这样,系统的蓄电池容量选方式如下:
Cbattery:(10)
本文采用按三段式充电法,充电电流的安全系统取蓄电池容量的十分之一,1Cbattery.则恒流充电阶段的充电功率为:
=× (11)
这样在满功率工作条件下,光伏电池输出功率为:
P=×(12)
根据蓄电池充电控制策略可知,设超级电容向蓄电池充
一
次电的最短时间t,那么根据能量守恒有:
2Ptd=(一)C(13)
在太阳路灯控制系统boost工作电路,根据式(8)可得光
伏电池在光照较比弱光的条件下,最大功率点工作电压上限,同时由蓄电池浮充电压及超级电容的漏电流确定工作
电压的下限,从而到超级电容的容量:
(14)
4仿真研究
4.1仿真参数设置
在仿真实验中,采用60WLED路灯,系统的参数设计
为:平均日照时间为6小时,路灯连续工作时问为8小时,安全系数为0.5,连续雨天数为4天,光伏控制器和充电控制器效率均为0.80,蓄电池允许放电深度为0.5.若选用48V蓄电池,对蓄电池容量计算得:157Ah,选用开路电压为17V的光伏电池,计算得到光伏电池容量为:188W.因此,选择大
功率点工作电压上限V.为40V,而工作电压的下限V
为30V.
4.2仿真模型的建立
在Matlab平台下根据上述实验数据建立该系统的simu—link仿真模型如图8所示,模型主要有包括LED模块,PV模块,超级电容积分模块,直流母线模块,蓄电池模块和蓄电池充电控制器模块.
系统将具有最大功率跟踪功能的光伏电池控制器与联
超级电容并联连接起来.且采用蓄电池充放电控制器给蓄电池进行充电.
图8系统的simtflink框图
4.3仿真结果与分析
根据图8的系统模型,首先把超级电容值为0,这就相当
采用直接的boost电路充电方式,超级电容系统不起作用,其仿真结果如图9,图10和图11所示.图9表示阴天情况下
蓄电池充电电流曲线,图1O表示阴天情况下蓄电池电压. 图11表示晴天较强光照情况的PV输出功率曲张线.
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蓄电池充电电流曲线
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时间/min×l
图9蓄电池充电电流曲线
.
一
0051015:0一,-r530
时间/min×10
图1O蓄电池电压曲线
图llPV输出功率曲线
采用超级电容系统下,图12表示采用超级电容系统的
阴天情况下蓄电池充电电流曲线,图13表示阴天情况下蓄电池电压.图14表示晴天较强光照情况的PV输出功率曲张线.
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时间/min\10
图12超级电容系统下的蓄电池充电电流曲线
从采用超级电容系统前后两种仿真可知,在阴天光照比
较弱情况下,超级电容系统的光伏电池的利用率加大,蓄电
池电压变化值是不采用超级电容系统是的I.2倍左右.而
在晴天光照比较充足的情况下,(下转第412页)
一
331—
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[1O]PGFlandrin,Goncalvesp.Empiricalmodedecompositionasafil—terbank[J].IEEESignalProcessingLetters,2004,11(2):112
一
】】4.
[作者简介]
倪月敏(1981一),女(蒙古族),内蒙古自治区鄂尔
多斯市人,硕士,助理馆员,主要研究领域为计算机
应用技术.
杨乃衡(1981一),男(汉族),辽宁省营I:I市人,硕
士,助教,主要研究领域为计算机应用技术.
(上接第331页)
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时间/min×l
图l3超级电容系统下的蓄电池电压曲线
圈l4超级电容系统下的PV输出功率曲线
超级电容系统没有发电效率有明显影响,但是在早晚光照较弱时,通过超级电容系统使发电能力得到提高.
综合上述可知,在光照不足的情况理,超级电容的独立
光伏系统可以提高发电能力,使太阳能路灯系统的性能得到明显改善.
5结束语
针对当前太阳能路灯系统中光伏最大功率跟踪控制与
蓄电池的合理充放电之间的矛盾,本文深入分析光伏系统基础上,提出一种基于超级电容的光伏系统的设计方法.在利用充放电控制器控制情况下,通过对基于超级电容的太阳能路灯系统各组件分别建模,最后通过仿真对比实验来验证本---——
412.---——
系统在各种太阳光照情况下系统的发电情况.仿真结果证明,该方法不仅提高光伏系统在太阳光照不足情况下的发电效率,还提高了蓄电池组容量的有效利用率,解决了光伏最大功率跟踪控制与蓄电池的合理充放电之间的矛盾.
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[作者简介]
张军朝(1974一),男(汉族),山西人,高工,工学博
士,主要研究方向:嵌入式控制,工程应用软件,工
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