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、gaoxiao，tongshimanzuzhaomingxuqiu
，kongzhiqixuyaoduixitongzhongdediannengjinxingguanli。zairuotaiyangguangzhaodeqingkuangxia，youyuguangfudianchichanshengdenengliangbuwending
，bunengyouxiaodeduixudianchichongdian。

ruoxuanzeheshidekongzhifangshi，shiguangfudianchichanshengdenengliangxianxujizaichaojidianrongli，daoshidangdeshihouzaijiangcunchudenengliangtongguomaichonghuohengliudefangshixiangxudianchichongdian，keyiyouxiaodetigaoxitongdetaiyangnengliyonglv。suoyiheshiyouxiaodekongzhicelveshigaikongzhiqideguanjianjishu。

本(ben)文(wen)在(zai)獨(du)立(li)式(shi)光(guang)伏(fu)路(lu)燈(deng)係(xi)統(tong)簡(jian)單(dan)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，以(yi)提(ti)高(gao)在(zai)弱(ruo)太(tai)陽(yang)光(guang)光(guang)照(zhao)情(qing)況(kuang)下(xia)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)為(wei)目(mu)標(biao)
，提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)采(cai)用(yong)了(le)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)獨(du)立(li)光(guang)伏(fu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)。本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)對(dui)使(shi)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)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nengLED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。
[page]
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；dandangguangzhaobuzushi
，ruoyaoshixudianchinenggoujixuchongdian
，gaikongzhidianluhuidaozhiguangfudianchidegongzuodiantuolizuidagonglvshuchudian
，danzheyangyouhuishideguangfuludengxitongdefadianxiaolvxiajiang。yincishejikongzhixitongshixuyusheruoguangduandeyuzhi，yishixianzairuoguangxianengtongguochaojidianronghuanchonglaibaozhengxudianchizhengchangchongdiandemude。

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。
[page]
若ruo直zhi接jie采cai用yong光guang伏fu電dian池chi對dui蓄xu電dian池chi充chong電dian，則ze當dang光guang照zhao較jiao弱ruo時shi，為wei了le追zhui蹤zong最zui大da功gong率lv，在zai存cun在zai其qi他ta幹gan擾rao因yin素su的de同tong時shi其qi輸shu出chu電dian壓ya會hui不bu穩wen定ding，導dao致zhi光guang伏fu電dian池chi在zai充chong電dian時shi難nan以yi保bao持chi在zaiVzmin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、Cqujianneidoudong，zaochengduixudianchichongdianbukekong。benwentongguocaiyongchaojidianrong，bazhebufenbuwendingdeshuchunengliangxujiqilai
，zaidaomanzuyidingdedianyatiaojianshi，tongguoshengyadianlubachaojidianrongzhongdenengliangshifangdaoxudianchi。zhezhongcaiyongchaojidianrongdefangshikeyitigaozairuotaiyangguangzhaoxiadefadianxiaolv。

3 充電控製策略及超級電容參數

3.1 充電控製策略

圖7為(wei)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)。該(gai)策(ce)略(lve)在(zai)低(di)光(guang)照(zhao)情(qing)況(kuang)下(xia)采(cai)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)的(de)滯(zhi)環(huan)比(bi)較(jiao)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)，以(yi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)作(zuo)為(wei)反(fan)饋(kui)采(cai)樣(yang)信(xin)號(hao)。若(ruo)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)低(di)於(yu)設(she)定(ding)下(xia)限(xian)值(zhi)Voff，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：

[page]
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1所(suo)示(shi)的(de)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)建(jian)立(li)，采(cai)用(yong)帶(dai)有(you)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)跟(gen)蹤(zong)的(de)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)控(kong)製(zhi)器(qi)，把(ba)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)上(shang)的(de)電(dian)能(neng)傳(chuan)輸(shu)到(dao)直(zhi)接(jie)並(bing)聯(lian)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)上(shang)。同(tong)時(shi)電(dian)能(neng)通(tong)過(guo)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)放(fang)電(dian)控(kong)製(zhi)器(qi)給(gei)蓄(xu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。如(ru)圖(tu)8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nengLED路燈的配置設計提供了理論依據。