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光伏高强度放电路灯系统的设计与实现
摘 要
本文提出了一种光伏（photovoltaic，PV）高强度放电（HID）路灯系统。研究了单端初级电感转换器（single-ended primary inductance converter，SEPIC），以实现最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）和电池充电。在不同的大气条件下，可以实现高转换效率和高MPPT精度。为了避免电池过度充电，还采用具有自适应休息时间的脉冲电流充电方案。还设计了电子镇流器电路，以释放存储在电池中的太阳能为HID灯供电。所研究的PV HID街道照明系统通过SEPIC功率因数校正转换器连接到ac-line公用事业。当从ac-line实用程序汲取能量来驱动HID灯并防止电池过放电时，可以实现高输入功率因数。所提出的PV HID路灯照明系统具有功率密度高，电路简单和使用寿命长的优点。详细分析和讨论了工作原理和设计注意事项。实施并测试了实验室原型。实验结果证明了该方案的可行性。
关键词--电池充电，电子镇流器，最大功率点跟踪，光伏高强度放电（HID）街道照明系统，功率因数校正，单端初级电感转换器。
- 引言
许多发展中国家已经使用图1所示的光伏（PV）路灯系统。在没有电力网络的新建市区道路段和偏远农村地区使用这些路灯系统是非常经济的。在白天，电池由PV面板充电。到了晚上，释放出电池中储存的太阳能来为路灯供电。高强度放电（ High-intensity-discharge,HID）灯由于其高发光效率，良好的色彩再现性和较长的使用寿命而成为常用的辅助光源[1]–[3]。HID灯由于其负阻抗特性而需要一个称为“镇流器”的辅助电路来确保灯的稳定运行[4]。图2（a）显示了具有PV逆变器的常规PV HID街道照明系统，该逆变器将电池中的太阳能释放给交流线公用事业公司。升压最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）PV充电器用于获得在所有太阳辐射条件下，光伏电池板的最大功率[5]–[10]。升压功率因数校正（power factor correction，PFC）电路与电子镇流器串联，以实现高功率因数输入并驱动HID灯。从PV面板到HID灯需要四级功率转换，这种PV HID街道照明系统具有电路复杂度高和系统效率低的劣势。图2（b）显示了另一种具有高压直流总线（例如400V）设计的PV HID路灯系统。由于只有两级功率转换，它可以实现高效率转换。但是，使用高压电池组会导致维护和安全问题。在充电和放电过程中，串联连接的电池组之间的电压不平衡会损坏电池。图2（c）显示了具有低压dc总线（例如24 V或48 V）设计的PV HID街道照明系统，可以避免使用高压电池组。但是，由于在升压PFC级之后增加了一个降压电池充电器，PFC模式下的转换效率降低了。图3显示了拟议的PV HID街道照明系统。使用单端初级电感转换器（single-ended primary inductance converter，SEPIC）PFC转换器，将拟议的PV HID街道照明系统连接到交流线公用事业公司。因此，即使电池完全放电，HID街道照明系统也不会熄灭。通过在PV模式和PFC模式下仅进行两级功率转换，拥有高效率性能。SEPIC还用于在各种PV面板电压变化范围内的MPPT和电池充电。为了避免电池过度充电，提出了使用具有自适应休息时间的脉冲电流电池充电方案。衡量充电状态（state of charge，SOC）可延长电池寿命。使用所研究的电子镇流器电路，可以释放存储在电池中的太阳能，以便在晚上为HID灯供电。在以下各节中，将详细介绍系统配置和特性分析。
图1.（a）白天和（b）夜间运行期间的PV街道照明系统。
图2.具有（a）PV变流器，（b）高压直流母线和（c）低压直流母线的常规PV HID路灯系统。
II.SEPIC MPPT光伏充电器
图4显示了经过估算的具有MPPT功能的PV充电器。对于各种太阳辐射条件，PV面板电压可能或高或低于电池电压[11]–[16]。在这项研究中，使用SEPIC电路实现了可以同时提升和降低电池充电的PV面板电压的PV充电器。连续输入电感器电流有助于提高MPPT精度。根据最大功率传递定理，可以推导以下关系式：
（1）
其中，V mp和I mp分别表示最大功率点处的光伏面板电压和光伏面板电流。SEPIC电路的输入电阻R in可以通过直接控制转换器的占空比D来调节。只要电路在最大功率传输条件下工作，就可以实现MPPT。
如图5所示，提供的PV充电器有两个充电阶段。在充电过程开始时，采用连续的MPPT充电方案来提取光伏面板的最大功率。在恒定的太阳能条件下，电池电流将随着电池电压的增加而降低。当电池的SOC达到一定条件时，采用具有自适应休息时间的脉冲电流充电方案，以得到具有指数分布的平均充电电流。在充电期间，保留MPPT功能以实现高充电效率。使用具有自适应休息时间的脉冲充电方案可以避免电池过度充电。
图4。所建议的MPPT PV充电器的电路图。
图5.所建议的光伏充电器的理论波形。
图6.研究的HID灯电子镇流器。
III.用于HID路灯的电子镇流器
图6显示了为HID路灯提供电力的电子镇流器的电路图。电子镇流器由一个前端反激式直流/直流转换器和一个低频方波直流/交流逆变器组成。前端直流/直流转换器释放存储在电池中的太阳能，并为后级直流/交流逆变器提供高压直流总线。定期的HID灯在高频范围内的激发会导致共振，从而产生不稳定的电弧，甚至使灯管破裂[17],[18]。在本研究中，直流/交流逆变器在低频下运行，以避免HID灯发生声共振。在电源电路中增加了倍压器，火花隙（spark gap,S.G.）和脉冲变压器T2。在点火之前，可以将HID灯视为开路。倍压器提高了DC / AC逆变器的输出电压，以达到火花隙的击穿电压。当火花隙打开时，脉冲变压器在其次级绕组上感应出所需的高压（约20 kV）以点燃HID灯。
IV.SEPIC PFC 变压器
拟议的PV HID街道照明系统通过图7所示的SEPIC PFC转换器连接到交流电源。当电池电压降至给定值时，反激式dc / dc转换器为了防止电池过放电而关闭。SEPIC PFC电路从交流电源中获取能量，以通过低频方波dc / ac逆变器驱动HID灯：因此，即使电池完全放电，HID街道照明系统也不会熄灭。使用耦合器，可以使用简单的过渡模式（transition-mode，TM）PFC控制在交流线路公用事业方面实现高输入功率因数。
V.设计注意事项
本文的目的是研究高性能的PV HID街道照明系统。接下来描述和讨论MPPT PV充电器和电子镇流器电路的设计注意事项。
- MPPT光伏充电器设计
针对本文提出的PV HID街灯系统，MPPT旨在提高电池充电效率。据此采用了扰动观察（P＆O）方法，该方法具有简单性和良好性能等重要优势[19] – [25]。可以在连续MPPT充电阶段和脉冲MPPT充电阶段的充电周期中提取PV面板的最大功率。图8（a）显示了详细的充电电流波形。在脉冲充电阶段，电池制造商的手册建议使用具有指数曲线的平均充电电流来保持恒定的电池电压V b，set。平均充电电流I b（t）的等式可以表示为：
(2)
如图8（b）所示，衰减系数lambda;决定充电速度。休息时间Tr和衰减因子lambda;之间的关系可以通过下式得出：
(3)
其中，Tp是脉冲电流充电的充电周期。
如图9所示，在脉冲充电阶段期间，使用指数平均充电电流来保持恒定的电池电压V b，set。但是，如果采用固定的衰减系数lambda;，电池电压可能会由于电池容量的下降而超过V b。为了防止电池过度充电，可以通过感测电池电压来实现自适应休息时间Tr。当电池电压超过给定值V b，m时，可以根据（3）延长休息时间T r，以改变衰减系数lambda;并减慢充电速度。
图10显示了计算流程图，该流程是在充电过程开始时测量的初始开路电池电压V b，oc（t0）。然后可以按以下方式估算初始充电量Q（t0）：
（4）
其中V b,ec和V b，fc分别是在完全放电和完全充电条件下的开路电池电压，C表示额定电池充电量。充电过程中的瞬时新充电量Q（t）可以估算如下：
(5)
在连续MPPT充电阶段，使用P＆O MPPT算法提取光伏电池的最大功率面板。当估算的电池充电量Q（t）达到0.9 C时，充电过程将从连续MPPT阶段切换到脉冲MPPT充电阶段。这在电池制造商的手册中推荐过。考虑到电池的劣化，只要电池电压上升到为防止过充电而设定的给定电压Vb,set，就也可以进行脉冲MPPT充电。在脉冲MPPT充电阶段的充电期间，保留MPPT以实现高充电效率。如图8所示，具有指数平均轮廓的脉冲充电电流可用于放松电解质反应并延长电池寿命[16]。根据式（2），脉冲MPPT充电阶段的时间长度Tpulse可以计算如下：
(6)
其中t f和t i分别是脉冲MPPT充电阶段的结束时间和开始时间。
B.电子镇流器设计
本文设计了一种原型电路来驱动35W的OSRAM HID灯。图11描述出了HID电子镇流器的控制流程图。首先，反激式转换器在恒定电压模式下运行，以产生350 V输出电压，以通过dc / ac逆变器和高压点火电路来点燃HID灯。点火后，反激式转换器以恒定电流模式运行，以提供2.5 A的预热电流。一旦灯电压达到30 V，电路便以恒定功率（constant power，CP）模式运行，以维持75 W的警告上电。在启动阶段，灯的功率从75 W逐渐降低到35W。在稳定状态下，电子镇流器以CP模式工作，向HID灯提供35 W的额定功率。
C.SEPIC PFC变压器设计
如图7所示的等效电路，耦合电感器L c的两个绕组两端的电压均为整流后的交流线电压| Vac |。在电源开关Q PFC接通期间以及在电源开关Q PFC的断开时间内的直流输出电压V dc。耦合电感的等效电感L e1和L e2可以表示为：
（7）
（8）
忽略漏电感L c2，因为相同的电压施加在两侧的软耦合电感上，可以给出以下关系式：
（9）
然后，等效电感Le1和Le2可以简化为
(10)
(11)
因此，输入等效电感无限大，并导致自由纹波输入电流。如图12所示，可以使用简单的过渡模式控制方案来获得正弦输入电流并调节输出电压。使用建议的SEPIC PFC转换器，可以在通用交流线电压下实现高功率因数输入。此时，低运作电池完全放电后，将电压发送到低频方波dc / ac逆变器以为HID灯供电。
图8.（a）平均充电电流波形和（b）在脉冲充电阶段具有不同lambda;的指数曲线。
图9.在脉冲充电阶段具有自适应休息时间的过充电保护。
图10.提议的收费方案流程图。
图11. HID电子镇流器的控制流程图。
图12.提出的SEPIC PFC转换器的理论波形。
VI.实验证明
拟议并测试了表中所列的拟议PV HID路灯系统的可行性，并测试了具有电路规格的试验性原型。一个50-W SEPIC光伏充电器旨在从额定功率为75W的PV面板西门子SP-75吸收太阳能，以便为12V / 26Ah铅酸蓄电池充电，为12V / 26Ah铅酸蓄电池充电。用作开发的SEPIC PV充电器的电源。实现了35 W电子镇流器电路，以释放存储在电池中的太阳能并驱动OSRAM HID灯。一个简单的TM PFC控制IC（ST L6561）也用于实现SEPIC PFC转换器的高功率因数输入和输出电压调节。表II总结了原型电路的电路参数。考虑到使用寿命，在研究的PV HID街道
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