中心議題：

• 采用超級電容的獨立光伏係統分析與設計
• 充電控製策略及超級電容參數

• 獨立式光伏路燈係統簡單計算
• 使用超級電容的太陽能LED路燈係統的組件建模

1 引言

太陽能路燈係統在道路照明中有很高的價值。使用超級電容的太陽能LED路燈係統屬於複合能源係統

，該係統中的電能傳輸需要在線控製以保證係統的正常運行。圖1為超級電容的太陽能LED路燈的係統結構。控製器作為核心部件管理著各個部件之間的能量傳輸。為保證蓄電池充放電可靠
、高(gao)效(xiao)，同(tong)時(shi)滿(man)足(zu)照(zhao)明(ming)需(xu)求(qiu)
，控(kong)製(zhi)器(qi)需(xu)要(yao)對(dui)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)電(dian)能(neng)進(jin)行(xing)管(guan)理(li)。在(zai)弱(ruo)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，由(you)於(yu)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)量(liang)不(bu)穩(wen)定(ding)，不(bu)能(neng)有(you)效(xiao)的(de)對(dui)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。

若ruo選xuan擇ze合he適shi的de控kong製zhi方fang式shi，使shi光guang伏fu電dian池chi產chan生sheng的de能neng量liang先xian蓄xu積ji在zai超chao級ji電dian容rong裏li
，到dao適shi當dang的de時shi候hou再zai將jiang存cun儲chu的de能neng量liang通tong過guo脈mai衝chong或huo恒heng流liu的de方fang式shi向xiang蓄xu電dian池chi充chong電dian，可ke以yi有you效xiao的de提ti高gao係xi統tong的de太tai陽yang能neng利li用yong率lv。所suo以yi合he適shi有you效xiao的de控kong製zhi策ce略lve是shi該gai控kong製zhi器qi的de關guan鍵jian技ji術shu。

benwenzaidulishiguangfuludengxitongjiandanjisuanfangfadejichushang，yitigaozairuotaiyangguangguangzhaoqingkuangxiafadianxiaolvweimubiao
，tichuyizhongcaiyonglechaojidianrongdeduliguangfuxitongshejifangfa。benwentongguoduishiyongchaojidianrongdetaiyangnengLED路(lu)燈(deng)係(xi)統(tong)各(ge)部(bu)分(fen)組(zu)件(jian)進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)，在(zai)有(you)充(chong)放(fang)電(dian)控(kong)製(zhi)器(qi)控(kong)製(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)

，使(shi)用(yong)計(ji)算(suan)機(ji)仿(fang)真(zhen)對(dui)比(bi)在(zai)各(ge)種(zhong)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)情(qing)況(kuang)下(xia)係(xi)統(tong)的(de)發(fa)電(dian)情(qing)況(kuang)
，其(qi)驗(yan)證(zheng)結(jie)果(guo)向(xiang)使(shi)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)LED路燈的配置設計提供理論依據。

2 係統分析與設計

使用超級電容的太陽能LED路燈係統由光伏電池陣列
、光伏控製器、超級電容、充電控製器、蓄電池
、電流變換器
、LED負載組成，連接結構如圖1所(suo)示(shi)。超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)跨(kua)接(jie)在(zai)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)和(he)地(di)線(xian)之(zhi)間(jian)


，用(yong)於(yu)保(bao)持(chi)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)的(de)電(dian)壓(ya)，並(bing)緩(huan)衝(chong)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)的(de)過(guo)大(da)能(neng)量(liang)
，在(zai)適(shi)當(dang)的(de)時(shi)候(hou)放(fang)電(dian)以(yi)滿(man)足(zu)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)需(xu)要(yao)和(he)負(fu)載(zai)的(de)供(gong)電(dian)需(xu)要(yao)。

2.1 光伏電池特性分析

光伏電池等效電路模型如圖2所示。

圖2中Iph為光生電流，IVD為流過二極管的電流，VD為Rsh的端電壓，Rsh和Rs為等效的並聯電阻和串聯電阻，V、Is分別為光伏電池元的輸出電壓和電流。根據此等效模型可得到光伏電池的數學模型，並根據數學模型得到光伏電池特性曲線，如下圖3所示。

圖3a為光伏電池在不同光照下的電流－電壓（I-V）曲線，圖3b為光伏電池在不同光照下功率－電壓（P-V）曲線。如圖3.b所示，在一定的光照情況和節點溫度下，光伏電池有唯一的發電最大功率點，因此需要光伏控製器進行最大功率跟蹤（MPPT）控製以獲得最大發電效率。
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2.2 光伏控製器的分析

光伏控製器在設計時通常采用boost升壓電路，以產生比光伏電池板兩端更高的電壓
，以利於向蓄電池充電；但dan當dang光guang照zhao不bu足zu時shi，若ruo要yao使shi蓄xu電dian池chi能neng夠gou繼ji續xu充chong電dian
，該gai控kong製zhi電dian路lu會hui導dao致zhi光guang伏fu電dian池chi的de工gong作zuo點dian脫tuo離li最zui大da功gong率lv輸shu出chu點dian，但dan這zhe樣yang又you會hui使shi得de光guang伏fu路lu燈deng係xi統tong的de發fa電dian效xiao率lv下xia降jiang。因yin此ci設she計ji控kong製zhi係xi統tong時shi需xu預yu設she弱ruo光guang段duan的de閾yu值zhi，以yi實shi現xian在zai弱ruo光guang下xia能neng通tong過guo超chao級ji電dian容rong緩huan衝chong來lai保bao證zheng蓄xu電dian池chi正zheng常chang充chong電dian的de目mu的de。

圖4為蓄電池等效電路模型
，根據此圖可以看出蓄電池存在最低充電電壓
，從而使升壓電路的輸出也存在一個最低電壓。由圖4可得蓄電池小信號數學表達式為：

穩態時，變換器充電電壓為：

式中（R1+R2）為蓄電池內阻，R2為常數
，R2隨不同的充電電流和電荷容量變化而變化。

boost工作電路如圖5所示
，根據電感L伏秒平衡和電容C充放電能量守恒有：

其中Vs為輸入電源電壓，D為PWM波占空比D+D′=1，icharge為蓄電池充電電流，U為充電電壓
，Rs為變換器在負載端等效電阻
，T為周期時間。

由式（3）（4）可得：

式中D+D′=1
，K=Rs/（R1+R2）；可得當達到最大值
，此時最大增益為：

由於該電路為升壓電路，G最小值為1
，可得K取值必須小於0.25。在係統設計時根據蓄電池參數
，由式（6）算出，能對蓄電池充電的升壓電路最小輸入電壓為：

式（7）中，Voc為蓄電池最低充電電壓。
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ruozhijiecaiyongguangfudianchiduixudianchichongdian，zedangguangzhaojiaoruoshi，weilezhuizongzuidagonglv，zaicunzaiqitaganraoyinsudetongshiqishuchudianyahuibuwending
，daozhiguangfudianchizaichongdianshinanyibaochizaiVzmin上
，最後導致係統在該光照範圍內不能對蓄電池正常充電。如圖6中兩曲線分別為晴
、陰兩種情況下100W光伏電池可產生的最大功率曲線
；陰天的時候
，光伏電池在最大功率跟蹤情況下
，輸出功率在較低功率B

、C區(qu)間(jian)內(nei)抖(dou)動(dong)
，造(zao)成(cheng)對(dui)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)不(bu)可(ke)控(kong)。本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)，把(ba)這(zhe)部(bu)分(fen)不(bu)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)能(neng)量(liang)蓄(xu)積(ji)起(qi)來(lai)，再(zai)到(dao)滿(man)足(zu)一(yi)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)條(tiao)件(jian)時(shi)，通(tong)過(guo)升(sheng)壓(ya)電(dian)路(lu)把(ba)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)釋(shi)放(fang)到(dao)蓄(xu)電(dian)池(chi)。這(zhe)種(zhong)采(cai)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)在(zai)弱(ruo)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)下(xia)的(de)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)。

3 充電控製策略及超級電容參數

3.1 充電控製策略

圖7weixudianchichongdiankongzhicelve。gaicelvezaidiguangzhaoqingkuangxiacaiyongchaojidianrongdianyadezhihuanbijiaokongzhicelve
，yichaojidianrongliangduandianyazuoweifankuicaiyangxinhao。ruochaojidianrongliangduandianyadiyushedingxiaxianzhiVoff
，則停止向蓄電池充電，光伏控製器采用最大功率跟蹤對超級電容充電；當超級電容電壓充到足夠大為Von時（Von>Voff），以蓄電池的三段式10小時充電法向蓄電池充電；若此時持續低光照


，則當超級電容電壓重新下降到下限值Voff時，再次停止向蓄電池充電，如此循環
；在足夠光照情況下，當超級電容的電壓超過Von時
，係統對蓄電池以三段式10小時充電法充電，同時超級電容電壓也會繼續上升，這時控製器保持超級電容的電壓值不超過新的上限值Vmax。

3.2 充電參數計算

獨立式光伏係統在設計時，需要考慮該係統應用場所的日照條件、電氣設備等。然後根據負載所消耗能量決定光伏電池容量和蓄電池容量。

在獨立式太陽能路燈係統中，光伏電池的容量選擇如下式（8）：

蓄電池的容量選擇如下式（9）：

式（8）（9）中I為負載所需電流，T為負載每日工作小時數。Ta為平均日照時間。t為連續雨天數，Ksafe為安全係數，Ksoc為蓄電池容許放電深度，η為變換器效率。按三段式10小時充電法，在恒流充電階段，充電電流icharge為0.1Cbattery。則恒流充電階段，充電功率為：

按光伏電池容量可得其滿功率工作時輸出功率為：

由上，采用超級電容電壓滯環比較控製法
，超級電容向蓄電池充電一次最短時間為td
，根據能量守恒有：

在本係統中光伏控製器和采用boost電路。由式（7）可得根據光伏電池的弱光下最大功率點工作電壓計算Von上限。根據蓄電池浮充電壓及超級電容的漏電流確定Voff。最後可得超級電容的容量：

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4 仿真實驗

仿真實驗示例采用60WLED路燈

，按以下參數設計：路燈連續工作時間為8小時，平均日照時間為4小時，安全係數為0.76
，光伏控製器效率為0.85，連續雨天數為4日
，蓄電池允許放電深度為0.5，充電控製器效率為0.85。若選用48V蓄電池，根據式（9）計算得蓄電池容量為：157Ah。光伏電池發電容量為：188W。選用開路電壓為17V的光伏電池。由前麵的推導選擇Von=40V，Voff=30V。由式（13）計算，為保證每蓄電池充電一次持續時間至少為60s，超級電容值需大於0.127F。

根據以上數據在仿真模型中建立simulink/matlab模型
，模型按照圖1suoshidexitongjiegoujianli，caiyongdaiyouzuidagonglvgenzongdeguangfudianchikongzhiqi，baguangfudianchishangdediannengchuanshudaozhijiebinglianchaojidianrongdezhiliumuxianshang。tongshidiannengtongguoxudianchichongfangdiankongzhiqigeixudianchichongdian。rutu8所示
，該係統的simulink模型主要有PV模塊、LED模塊
、直流母線模塊
、蓄電池模塊
、超級電容積分模塊、蓄電池充電控製器模塊。

如圖8，把超級電容值設置為0
，則可以仿真直接boost電路充電方式不采用超級電容係統
，仿真結果如圖9所示
，圖9（a）


、圖9（b）分別模擬陰天和晴天光照情況下蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。在陰天弱光照情況下
，係統發電能力受到係統自身損耗影響很大，其啟動所需要的光照強度高。

在晴天較強光照情況下，係統能在高工作效率狀態下工作。

采用超級電容係統的仿真結果如圖10所示圖10（a）、圖10（b）分別模擬陰天和晴天光照情況下超級電容電壓
、蓄電池充電電流、及蓄電池電壓。

在陰天弱光照情況下，超級電容充放電次數較少，蓄電池電壓呈階梯狀上升。在晴天強光照下
，超級電容充放電次數多。

duibiliangzhongxitongjiegou，congxudianchizuizhongdianyakeyikanchu，ruoguangzhaoqingkuangxia，shiyongchaojidianrongxitongdeguangfudianchideliyonglvshangsheng，xudianchidianyabianhuazhiyueweibucaiyongchaojidianrongdexudianchidianyabianhuazhide120%
，即在弱光照下
，係統的光伏發電效率提高了大約20%。而er在zai晴qing天tian
，有you足zu夠gou光guang照zhao的de情qing況kuang下xia，雖sui然ran在zai早zao晚wan光guang照zhao較jiao弱ruo時shi，其qi發fa電dian能neng力li得de到dao提ti高gao，但dan由you於yu多duo引yin入ru一yi級ji變bian換huan器qi，在zai較jiao高gao功gong率lv下xia，采cai用yong超chao級ji電dian容rong沒mei有you對dui係xi統tong的de發fa電dian效xiao率lv有you明ming顯xian的de提ti高gao。由you上shang，采cai用yong超chao級ji電dian容rong的de獨du立li光guang伏fu係xi統tong在zai光guang照zhao不bu足zu的de地di區qu能neng對dui發fa電dian能neng力li有you明ming顯xian的de改gai善shan。

5 結論

本文在獨立式光伏係統簡單計算方法的基礎上，提出采用了超級電容的獨立光伏係統的設計算法。

通過對使用超級電容的太陽能LED路(lu)燈(deng)係(xi)統(tong)各(ge)部(bu)分(fen)組(zu)件(jian)進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)，在(zai)采(cai)用(yong)充(chong)放(fang)電(dian)控(kong)製(zhi)器(qi)控(kong)製(zhi)情(qing)況(kuang)下(xia)
，使(shi)用(yong)計(ji)算(suan)機(ji)仿(fang)真(zhen)對(dui)比(bi)在(zai)各(ge)種(zhong)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)情(qing)況(kuang)下(xia)係(xi)統(tong)的(de)發(fa)電(dian)情(qing)況(kuang)。仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)證(zheng)明(ming)，使(shi)用(yong)該(gai)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)提(ti)高(gao)在(zai)弱(ruo)太(tai)陽(yang)光(guang)照(zhao)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)光(guang)伏(fu)係(xi)統(tong)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)，從(cong)而(er)向(xiang)使(shi)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)LED路燈的配置設計提供了理論依據。