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nengLED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1suoshi。chaojidianrongkuajiezaizhiliumuxianhedixianzhijian，yongyubaochizhiliumuxiandedianya
，binghuanchongguangfudianchitigongdeguodanengliang，zaishidangdeshihoufangdianyimanzuxudianchidechongdianxuyaohefuzaidegongdianxuyao。

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：

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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。

對(dui)比(bi)兩(liang)種(zhong)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)，從(cong)蓄(xu)電(dian)池(chi)最(zui)終(zhong)電(dian)壓(ya)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，弱(ruo)光(guang)照(zhao)情(qing)況(kuang)下(xia)，使(shi)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)係(xi)統(tong)的(de)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)利(li)用(yong)率(lv)上(shang)升(sheng)
，蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)值(zhi)約(yue)為(wei)不(bu)采(cai)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)值(zhi)的(de)120%，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。