太陽能低壓鈉燈控制器一體化設計

高勝利 冷玉柱 蘭天 劉俊才

(內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010051)

1 引言

太陽能是一種“取之不盡，用之不竭”的綠色能源，全世界的各國都在大力的推廣。對于地域廣闊的中國，太陽能資源極其豐富，太陽能的廣泛利用，既有利于調整我國的能源結構，減少非可再生能源使用，又可以減少二氧化碳的排放，降低環境污染。

針對獨立的太陽能充放電控制器與低壓鈉燈電子鎮流器在工程設計與應用中存在不便的缺點，本文將低壓鈉燈的電子鎮流器與太陽能智能控制器進行一體化控制設計，既實現了太陽能給蓄電池充放電的智能控制，又可以實現低壓鈉燈的恒功率控制，燈溫補償等功能，并且控制器具有過充、過放、過流、過壓、過載等保護功能。

2 系統基本組成

設計的低壓鈉燈的智能控制器和電子鎮流器一體機的系統基本組成如圖1所示，使用35W低壓鈉燈。系統主要有三部分組成:蓄電池智能充放電電路、低壓鈉燈電子鎮流器電路電路以及保護電路。

圖1 系統基本組成框圖

蓄電池的智能充電控制和電路保護控制由主控器PIC16F877A來實現。低壓鈉燈電子鎮流器電路采用專用控制芯片UCC2305進行主要控制，該芯片內部具有復雜的電路來實現對低壓鈉燈的燈溫、燈壓、燈電流的檢測以及對于負載側的開路、短路等故障的檢測，實現恒功率控制、燈溫補償以及防頻閃的雙頻工作模式。

3 MPPT技術

太陽能電池成本較貴，而且U-I特性曲線為非線性。考慮到設計的延續性，為了最有效利用太陽能資源，使用了最大功率點跟蹤 (Maxim Power Point Tracking，簡稱MPPT)的充電控制策略。工程中實現MPPT的方法有很多，本文采用了爬山法，即:利用單片機實時采樣太陽能電池的電壓和電流，得到功率P1，然后主動改變太陽能電池工作點，再得到工作點功率P2。當P1＞P2時，表示工作點變化方向正確，可繼續按此策略尋找。反之，則反方向尋找，最終實現太陽能電池工作在最大功率點附近的小區域內。MPPT最大功率點跟蹤控制過程如圖2所示。

圖2 MPPT控制示意圖

PIC16F877A通過電阻分壓檢測光伏電池端電壓，確定外界光照強度，從而對蓄電池的充放電、低壓鈉燈的開啟和熄滅進行控制。單片機通過電阻分壓檢測蓄電池端電壓，對蓄電池實現三階段智能充電，延長蓄電池的使用壽命。單片機通過輸出PWM信號實現MPPT算法以及對蓄電池的智能充電，并且電路設定了撥碼開關，可以進行工作狀態選擇。

4 低壓鈉燈電子鎮流器的設計

低壓鈉燈是具有熱電極的低氣壓弧光放電燈，在高頻電流下點燃會產生聲共振現象，因此在設計中采用110Hz左右的頻率電流點亮低壓鈉燈，克服聲共振現象。

設計采用三級式的電子鎮流器拓撲電路。主要思想是使電子鎮流器工作在高頻狀態下，用低頻恒流源來直接驅動鈉燈，燈能夠穩定工作，無需電感鎮流器。

4.1 DC/DC升壓變換電路

DC/DC升壓變換電路將電壓升壓，輸送至全橋逆變器，驅動低壓鈉燈正常工作。DC/DC升壓變換器采用PWM控制的反激式結構。PWM波來自于UCC2305的PWMOUT引腳，經過功率放大后驅動MOSFET管，實現反激變換。升壓變壓器初級線圈的匝數與次級線圈的匝數比為1∶5。電容和電感在電路工作在105kHz的高頻狀態時起到降低開關損耗，減小噪聲的作用。

4.2 DC/AC全橋逆變電路

圖3為全橋逆變電路示意圖。

圖3 全橋逆變電路

UCC2305的腳 Q/O/U/T/和 QOUT輸出占空比為50%，相位相差180°的方波，功率放大后驅動由4個MOSFET管構成的全橋逆變器，輸出105Hz的低頻方波正常點亮低壓鈉燈，鈉燈的平均電壓為零。RCD緩沖吸收電路可以有效的的抑制MOSFET關斷浪涌電壓，減小開關損耗。

4.3 保護電路

保護電路的主要器件為繼電器。單片機通過對蓄電池、光伏電池電壓、過載、過壓等的檢測信號進行比較處理，控制繼電器的斷開實現保護功能，當故障消失，繼電器重新吸合，或者是經過一定時間，電路重新進入正常工作狀態。其他保護電路為增加瞬態抑制二極管、防反接二極管以及熔斷器等。

5 控制軟件設計

系統的軟件部分主要包括蓄電池的智能充放電的管理，MPPT算法的實現，照明系統的故障以及保護，以及正常點亮低壓鈉燈控制，圖4為控制系統的流程圖。

圖4 控制系統流程圖

6 實驗波形

實際實驗測試中，主要分為以下階段:

第一階段，在實驗室環境下，連接OSRAM 35W低壓鈉燈進行測試，檢測控制電路的相關參數，如圖5、圖6。波形顯示電路可以實現反激變換驅動低壓鈉燈變換電路，低壓鈉燈工作正常。

圖5 反激變換電路輸出信號

第二階段:利用兩片50W光伏電池串聯進行實際環境測試，檢測控制器算法的實現、能否正常控制蓄電池充放電以及蓄電池的使用情況。經過實際測試證明蓄電池可以正常充放電，蓄電池工作狀態穩定，所需連線與獨立控制器和電子鎮流器相比減少，連接方便簡單迅速。

圖6 低壓鈉燈兩端正常工作時波形

第三階段，進一步實際環境測試，在戶外檢測控制器對于低壓鈉燈的啟動控制、MPPT算法的實現、蓄電池的充放電，使用壽命、控制器的故障情況。經過將近三個月實際測試證明，所設計的一體化控制器可以正常工作，特別是對于低壓鈉燈的熱啟動等參數控制良好，基本滿足設計要求，如圖7。

圖7 低壓鈉燈熱再啟動波形

7 結論

本文將太陽能充放電控制與低壓鈉燈電子鎮流器技術整體考慮，設計了基于PIC16F877A單片機控制的具有最大功率跟蹤技術 (MPPT)的35W低壓鈉燈一體化控制器。通過對系統的測試和分析，該控制器與傳統方案相比具有顯著優點。首先，系統利用最大功率跟蹤技術，顯著提高了光伏電池的利用效率;其次，對蓄電池采用三階段充電方式，有利于保護電池，延長電池使用壽命;再次，采用低壓鈉燈專用控制芯片，電路設計精簡，提高了系統的穩定和可靠性。

所以本方案在太陽能照明實際應用中具有很強的指導意義，有一定的推廣和使用價值。

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