CN100553398C

CN100553398C - 基于单级逆变器的太阳能高压钠灯控制器

Info

Publication number: CN100553398C
Application number: CNB2005100869183A
Authority: CN
Inventors: 张强; 刘建政; 赵争鸣; 吴理博; 王健
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: CN1787717A

Abstract

基于单级逆变器的太阳能高压钠灯控制器，适用在太阳能高压钠灯照明系统中，其特征在于：控制器的控制方法采用分段式充电控制和变频率输出控制，硬件包括单片机控制电路、单级式全桥逆变电路、蓄电池充电电路、高频电子镇流器电路、太阳能电池、蓄电池和照明灯具。控制器采用MPPT充电，提高系统效率；采用变频输出，实现了灯电流控制，节能调光的功能。在结构上，控制器采用机卡分离式设计，满足不同灯具及照明要求，控制环节集成在一个控制卡中便于软件升级。采用本发明控制器，一方面照明系统的使用效率和使用寿命得到明显提高，另一方面实现了照明系统的智能、稳定、长期正常运行。

Description

基于单级逆变器的太阳能高压钠灯控制器

技术领域

本发明属于电力电子应用技术及新能源应用发电技术领域，尤其适用在太阳能高压钠灯照明系统中，广泛用在市政工程，道路、庭院照明灯场所，满足智能照明控制、智能充电及能量管理、高效节能等要求。

背景技术

目前，在光伏发电应用系统中，采用高压气体放电灯实现太阳能光伏照明，是应用最为广泛的光伏照明技术之一。而在现有技术中，光伏照明系统主要存在太阳能电池工作效率及系统能量转换率普遍低下、蓄电池寿命短、系统运行不稳定等问题。而采用单级式逆变，由于系统中只有一个能量变换环节，所以控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点，同时也要保证对负载端电流的幅值和正弦度，控制较为复杂。目前实际应用的光伏发电系统采用这种拓扑结构的仍不多见，而用于太阳能照明系统的单级式就更加稀少。但随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展，系统拓扑结构引起的控制困难正在逐渐被克服，单级式光伏发电系统已成为国内外光伏应用领域的一个研究热点。

此外，太阳能高压钠灯控制中的能量管理也是一个关键问题。好的光伏系统应该具备至少以下三个方面：一，能量流向的控制，即如何实现太阳能电池阵列直流侧到直流负载(蓄电池)的精确充电电压、电流控制以及如何实现蓄电池直流侧到交流侧负载(高压钠灯)的稳定电能馈送；二，光伏系统工作点的确认，即如何保证系统运行中，太阳能阵列始终工作在其最大功率点，实现系统的最大输出。三，从蓄电池直流侧到交流侧的电能高品质逆变问题，即如何设计、选择逆变环节拓扑及其控制策略，保证逆变中较高的功率因数。

发明内容

为了解决上述光伏照明系统存在的各种问题，本发明提出一种新型的基于单级式逆变器的太阳能高压钠灯智能控制器。控制器实现了不同工作状态控制和蓄电池能量智能管理，满足了太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求。

基于单级逆变器的太阳能高压纳灯控制器，其特征在于，该控制器含有：太阳能电池板、蓄电池、状态控制部分、充电控制部分、放电控制部分以及控制对象高压纳灯，其中：

状态控制部分，包括单片机或DSP控制电路、霍尔电流、电压传感器和PWM驱动芯片，其中：

霍尔电压传感器，共两个，分别采集所述太阳能电池板和蓄电池的电压；

霍尔电流传感器，共两个，分别采集所述太阳能电池板和蓄电池的电流；

单片机控制电路上含有单片机芯片或是DSP芯片，A/D，及可编程逻辑器件、收发器和拨码开关，单片机或DSP经计算输出三路PWM信号及状态控制信号，该单片机或DSP控制电路上的拨码开关通过收发器与单片机相连，用于对照明时间和照明方式进行参数的人工设定；

PWM驱动芯片，该芯片接收单片机发出三路PWM信号，经该芯片转换，输出功率PWM驱动信号，驱动功率MOSFET管；

充电控制部分，是蓄电池充电电路，该蓄电池充电电路是由功率MOSFET管、快恢复二极管D、电感L₁构成的带有滤波电容的直流斩波电路，其输入端接电容滤波后的太阳能电池的输出，蓄电池充电电路的输出端接蓄电池，太阳能电池板和蓄电池的电压、电流信号经所述电压、电流传感器、A/D转换器送入上述单片机，单片机或DSP经过一阶差分法计算太阳能电池的最大输出功率，输出PWM信号，经上述PWM驱动芯片驱动功率MOSFET管，调节占空比，向所述蓄电池充电，实现最大功率点跟踪功能；

放电控制部分，含有单级式DC-DC全桥逆变电路、高频升压变压器、高压纳灯启辉器及高频电子镇流器单元，其中：

单级式DC-DC全桥逆变电路由4只采用电阻、电容、二极管构成的吸收电路的功率MOSFET管构成，该逆变器中，直流侧电源由蓄电池提供，蓄电池侧并联滤波电容，蓄电池的电压、电流信号经所述电压、电流传感器、A/D转换器送入上述单片机，单片机经计算输出频率可变的二路PWM信号，经所述PWM驱动芯片给到功率MOSFET管栅极，通过改变逆变频率，从而改变镇流器电抗，控制高压纳灯分压，实现输出电压、电流可控及节能功能。

高频升压变压器，该高频升压变压器的原边接所述DC-DC逆变器的逆变侧，高频升压变压器的输出为高频高压方波电压；

启辉器及高频电子镇流器单元包括：倍压电路、启辉放电电路、镇流电感T1和电流检测电路，其中：

电子镇流器单元为镇流电感T1，该镇流电感T1和电流检测电路中的电流互感器T2与高压纳灯串联接逆变器输出侧；

倍压电路直接从逆变器输出侧取电，倍压电路的输出端接启辉放电电路；

启辉放电电路由R1、C1、R2、C2、可控硅和击穿管构成，R1和C1构成充电回路并接在倍压电路正负极两端，R2、C2和镇流电感的原边串联构成电容充电回路也并接在倍压电路两端，可控硅正极接电容C2正极，可控硅负极接倍压电路负极，击穿管两端接C1正极与可控硅门极，当C1的充电电压等于击穿管的击穿电压后，击穿管导通，C1放电，导通电流注入可控硅门极，可控硅导通，则由可控硅、C2和镇流电感的原边构成的回路放电，则可以在镇流电感T1副边绕组上感应出3000V以上高压，将灯启辉；

电流检测电路由电流互感器T2、R3、D3、C3和功率MOSFET管构成，T2副边并联电阻R3和D3、C3构成的整流电路，功率MOSFET管漏极和接C1正极，源极经电阻R4接C1负极，栅极接C3正极，当灯启辉后，则T2中流过电流，T2副边会有感应电流，经过R3变换为电压信号，再经D3、C3构成的整流电路送至功率MOSFET管栅极，导通MOSFET，从而旁路充电电容C1，关闭启辉放电电路。

所述的单片机控制电路与上述其他电路采用机卡分离式结构，单片机控制电路做成控制卡，控制卡与电路板通过插槽连接。

本发明特别适应用于太阳能照明智能控制系统中。通过软件编程控制控制器的运行方式和运行参数，不仅可以实现太阳能照明的智能控制，同时对提高系统的稳定性，蓄电池的充放电能力和使用寿命都有很大的改进和提高。由于改善了蓄电池的充放电控制策略和配合了单级式逆变器的太阳能照明系统，系统的效率明显提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明总体电路示意图；

图2是本发明实施例的充电部分电路原理图；

图3是本发明实施例的供电(照明)部分电路原理图；

图4是本发明实施例的电子镇流器电路原理图；

图5是本发明实施例的控制板电路示意图；

图6是本发明实施例的电源部分电路示意图；

具体实施方式

太阳能高压钠灯照明系统有如下的几部分组成：太阳能电池，蓄电池，充放电控制器和照明灯具。在系统运行过程中，通过不断对太阳能电池和蓄电池及灯具电量的采集，经单片机运算判断，控制系统的运行状态，进行能量管理。系统运行包括充电，点灯，等待，延时等环节。其技术特征是：1)通过采样太阳能电池和蓄电池及灯具的电压、电流，实现系统的自动控制和智能控制运行。在充电环节中应用最大功率点跟踪技术(Maximum Power PointTracking，MPPT)最大限度地吸收太阳能功率；采用三段式充电技术保证蓄电池的寿命和充电量。2)通过采样太阳能电池和蓄电池及灯具的电压、电流，在放电环节中采用变频输出和恒功率控制策略，通过调节开关频率，控制镇流器与高压钠灯分压比，从而达到高压钠灯电流可控的目的，实现高压钠灯节能控制和调光功能。3)在硬件设计中采用单级式全桥DC-AC逆变器，再通过高频变压器升高电压为灯具供电。放电(供电)电路采用无工频变压器的电源设计，取代体积笨重的工频变压器，来实现电压转换与隔离，提高转换效率。4)采用高频电子镇流器，配合单级式逆变器和高频镇流器实现高压钠灯的正常起辉；在灯具稳定工作时，还起到镇流电感的作用。5)控制板与主电路板的设计采用分体插接式结构，实现智能卡设计，可方便的对控制卡实现再设计，满足不同用户的需求，降低了开发周期和成本。控制卡上以单片机(例如：飞利浦P89C51系列等)为核心，模数转换芯片，以及逻辑转换芯片和拨码开关，配合完成人工参数设定和逻辑判断。

本发明中对灯电流和输出功率的控制思想为：由于有镇流电感的存在，因此通过改变输出频率，从而改变镇流器电抗，进而改变电灯分压，达到输出电压、电流可控的目的。变开关频率控制高压钠灯电流的具体实现方法为：控制系统不断检测蓄电池的输出电压和输出电流，通过AD采样，反馈给单片机，单片机通过采样值与额定设定值进行比较，给出改变频率的指令，同时给出频率的改变量，达到输出功率可控。当蓄电池电压下降或灯电流减小时，降低开关频率，使镇流器分压降低，保证灯的恒定电流，实现了高压钠灯电流的闭环控制，实验表明，逆变器的输出电流稳定在高压钠灯额定输出电流附近。

本发明系统不同工作状态的控制转换和蓄电池能量管理由基于单片机的控制电路实现。其控制信号为太阳能电池输出电压和电流信号。白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭放电电路，系统工作在充电状态下。天黑后，太阳能电池输出电压降低到设定阈值以下，此时控制电路关闭充电电路，开启放电电路，系统供电照明。状态控制电路通过充电、供电状态互锁避免误动作，保证照明系统工作的稳定性。控制电路还实现了照明负载的定时启动和关闭功能。能量管理模块通过监测系统工作状态和统计蓄电池电量选择系统的工作方式，防止对蓄电池过充电和深度放电，同时尽可能满足照明需求，实现调功能。照明时间可通过拨码开关设定最长点灯时间，满足试验条件和不同日照条件下的点灯时间要求。

本发明控制器使用的蓄电池充电策略采取了快充、过充、浮充3个阶段的充电方法。

1)快充阶段(MPPT CHARGE)：蓄电池的电流接受能力大于太阳能电池经充电电路后的输出能力。因此，只考虑如何实现太阳能电池的最大功率点输出。因此，通过控制器实现太阳能电池最大功率点的一阶跟踪。

2)过充阶段(OVER CHARGE)：充电电路对蓄电池提供一个较高电压V_OC，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值I_OCT时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。

3)浮充阶段(FLOAT CHARGE)：充电电流给蓄电池提供一个合适的浮充电压V_F。

采用三段式充电方式，可以有效、科学的使用蓄电池，提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命。

图1为本发明的总体电路示意图。状态控制系统(数据采样配合单片机逻辑判断)通过对太阳能电池板和蓄电池的电压电流量的采集。在系统的采样过程中，由于采样量为强电信号，不能直接用A/D采样芯片对采样量进行采集，因此需要选择合适的电压、电流传感器配合A/D采样芯片工作。在本发明中，选择霍尔电压传感器VSM系列和霍尔电流传感器CSM系列作为传感装置，配合高速A/D芯片工作(例如MAX197)。采样信号送入控制卡的单片机进行计算和比较给出系统充电或是点灯的指令。同时不断检测太阳能电池板和蓄电池的电压电流量，保证充电时太阳能电池板的最大功率点输出和点灯时的变频输出和调光控制。

图2是本发明实施例的充电部分电路原理图。充电电路以太阳能电池为电源，蓄电池为负载。太阳能电池阵列开路电压V_O，最大功率点电压约为V_M。本发明中开关器件选择功率MOSFET。为保证容量和降低功耗，使用2只并联，并采用RCD吸收电路。通过对太阳能电池板和蓄电池的电压电流量的采样，输出PWM脉冲，改变充电电路的占空比，从而控制太阳能电池板的最大功率点输出。

图3为本发明实施例的供电(照明)部分电路原理图。图中的DC/DC模块采用全桥结构的高频升压电路实现。控制策略为：采用上面提出的变开关频率控制。直流侧通过不断检测母线电压和输出功率，计算得所需逆变频率，通过单片机给出PWM信号，通过PWM控制芯片(例如：IR2110)产生门极脉冲。2路脉宽输出分别驱动全桥的4只功率MOS管，逆变出高频交流电，经高频变压器升压后得到高频高压脉冲方波。功率MOSFET管采用由电阻、电容、二极管构成的吸收电路，同时在直流母线间加入滤波电容，提高了电能的质量，降低了开关损耗。

图4是本发明实施例的电子镇流器电路原理图。高频电子镇流器的工作原理如下：当电子镇流器通入高频方波电压后，倍压电路通过高频方波电压取电，产生三倍于逆变方波幅值的电压，电压通过R1与C1串联构成的充电支路对C1进行充电，当C1的电压等于击穿管的击穿电压后，击穿管道通，C1放电，导通电流注入可控硅门极，可控硅导通。利用C1和R1调整时间常数，则可以在镇流电感T1耦合的线圈上加上固定时间间隔的直流脉冲，在T1绕组上感应出3000V以上高压，将灯启辉。灯点燃后，电流感应器T2感应高压钠灯电流，产生电流检测信号，电流对C2进行充电，导通功率MOSFET，关断启辉放电电路。镇流电感采用高频磁芯绕制。通过提高逆变频率在50~100kHz，超出音频范围，一方面高压钠灯所需镇流器的电感量大大减小，从而减小了体积和损耗，另一方面也消除了噪音污染。

图5是本发明实施例的控制板电路示意图。控制电路板由单片机，晶振，A/D芯片，收发器(例如：74LS245)、监控芯片、可编程逻辑芯片(例如：GAL)，拨码开关等组成。主电路直流、交流侧的电压、电流及镇流器电流共5路采样结果，经过扁平电缆端子送入控制板，MAX197对采样结果进行A/D转换，将转换后的结果送入单片机进行处理，单片机根据设定的控制策略完成逆变电流跟踪和最大功率点跟踪的控制功能，其控制输出为三路驱动触发信号，其中两路为全桥逆变驱动，一路为充电电路驱动，驱动触发信号经过可编程逻辑芯片进行逻辑检验，一方面防止全桥上下管子直通，另一方面对充电和逆变进行互锁。

图6是本发明实施例的电源模块电路示意图。太阳能路灯的电源采用单端反激式PWM型开关电源(例如：采用UC3842与高频变压器结合)，UC3842把输出电压的采样作为PWM控制器的反馈电压，该反馈电压经PWM控制器内部的误差放大器后，调整开关信号的占空比以实现输出电压的稳定。当输出电压升高时，单端反激式变压器T的辅助绕组上产生的感应电压也升高，该电压经过整流、滤波网络后得到15V直流电压，给UC3842供电。同时该电压经分压后作为采样电压，送入UC3842，在与基准电压比较后，经误差放大器放大，使输出脉冲的占空比变小，输出电压下降，达到稳压的目的。同样，当输出电压降低时，使输出脉冲的占空比变大，输出电压上升，最终使输出电压稳定在设定的值。

Claims

1.基于单级逆变器的太阳能高压钠灯控制器，其特征在于，该控制器含有：太阳能电池板、蓄电池、状态控制部分、充电控制部分、放电控制部分以及高压钠灯，其中：

单片机控制电路或DSP控制电路上含有单片机芯片或是DSP芯片，A/D转换器，及可编程逻辑器件、收发器和拨码开关，单片机或DSP经计算输出三路PWM信号及状态控制信号，该单片机或DSP控制电路上的拨码开关通过收发器与单片机或DSP控制电路相连，用于对照明时间和照明方式进行参数的人工设定；

PWM驱动芯片，该芯片接收单片机或DSP控制电路发出三路PWM信号，经该芯片转换，输出功率PWM驱动信号，驱动功率MOSFET管；

充电控制部分，含有：

太阳能电池板、蓄电池充电电路和蓄电池，其中：

蓄电池充电电路是由功率MOSFET管、快恢复二极管D、电感L₁构成的带有滤波电容的直流斩波电路，其输入端接电容滤波后的太阳能电池的输出，蓄电池充电电路的输出端接蓄电池，太阳能电池板和蓄电池的电压、电流信号经所述电压、电流传感器、A/D转换器送入上述单片机或DSP控制电路，单片机或DSP经过一阶差分法计算太阳能电池的最大输出功率，输出PWM信号，经上述PWM驱动芯片驱动功率MOSFET管，调节占空比，向所述蓄电池充电，实现最大功率点跟踪功能；

放电控制部分，含有单级式DC-DC全桥逆变器、高频升压变压器、高压钠灯启辉器及高频电子镇流器单元，其中：

单级式DC-DC全桥逆变器由4只采用电阻、电容、二极管构成的吸收电路的功率MOSFET管构成，该逆变器中，直流侧电源由蓄电池提供，蓄电池侧并联滤波电容，蓄电池的电压、电流信号经所述电压、电流传感器、A/D转换器送入上述单片机或DSP控制电路，单片机或DSP控制电路经计算输出频率可变的二路PWM信号，经所述PWM驱动芯片给到功率MOSFET管栅极，通过改变逆变频率，从而改变镇流器电抗，控制高压钠灯分压，实现输出电压、电流可控及节能功能。

电子镇流器单元为镇流电感T1，该镇流电感T1和电流检测电路中的电流互感器T2与高压钠灯串联接逆变器输出侧；

启辉放电电路由电阻R1、电容C1、电阻R2、电容C2、可控硅和击穿管构成，电阻R1和电容C1构成充电回路并接在倍压电路正负极两端，电阻R2、电容C2和镇流电感的原边串联构成电容充电回路也并接在倍压电路两端，可控硅正极接电容C2正极，可控硅负极接倍压电路负极，击穿管两端接电容C1正极与可控硅门极，当电容C1的充电电压等于击穿管的击穿电压后，击穿管导通，电容C1放电，导通电流注入可控硅门极，可控硅导通，则由可控硅、电容C2和镇流电感的原边构成的回路放电，则可以在镇流电感T1副边绕组上感应出3000V以上高压，将灯启辉；

电流检测电路由电流互感器T2、电阻R3、二极管D3、电容C3和功率MOSFET管构成，电流互感器T2副边并联电阻R3和二极管D3、电容C3构成的整流电路，功率MOSFET管漏极接电容C1正极，源极经电阻R4接电容C1负极，栅极接电容C3正极，当灯启辉后，则电流互感器T2中流过电流，电流互感器T2副边会有感应电流，经过电阻R3变换为电压信号，再经二极管D3、电容C3构成的整流电路送至功率MOSFET管栅极，导通功率MOSFET，从而旁路充电电容C1，关闭启辉放电电路。

2.根据权利要求1所述的基于单级逆变器的太阳能高压钠灯控制器，其特征在于：

所述的单片机或DSP控制电路与上述其他电路采用机卡分离式结构，单片机或DSP控制电路做成控制卡，控制卡与电路板通过插槽连接。