風(fēng)力光照LED 路燈控制系統(tǒng)的研究

司志澤，陳志軍，安典強(qiáng)

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

人類社會(huì)的飛速發(fā)展離不開(kāi)能源的支持。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速騰飛，能源短缺和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展和能源開(kāi)發(fā)最重要的研究課題。風(fēng)能和太陽(yáng)能是目前應(yīng)用比較廣泛的兩種可再生能源，太陽(yáng)能和風(fēng)能與其它常規(guī)能源相比在利用上具有取之不盡、用之不竭、就地可取、分布廣泛、不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)、周而復(fù)始、可以再生等優(yōu)點(diǎn)。將風(fēng)能和太陽(yáng)能這兩種自然能源結(jié)合起來(lái)，兩者在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小，夜晚光照很弱時(shí)，風(fēng)能加強(qiáng)。夏季，太陽(yáng)光強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季，太陽(yáng)光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。晴天，陽(yáng)光充足，雨天，風(fēng)較大［1］。而對(duì)于新疆來(lái)說(shuō)，這種對(duì)比更為明顯，新疆白天光照時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)16 h，風(fēng)力資源更是舉全國(guó)首位。因此在新疆太陽(yáng)能和風(fēng)能結(jié)合構(gòu)成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源配置上是最佳的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)電部分、控制器和負(fù)載3 部分組成。發(fā)電部分由風(fēng)力發(fā)電部分和太陽(yáng)能光伏發(fā)電部分組成，能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)由蓄電池來(lái)承擔(dān)，引入蓄電池的主要目的是為了盡量消除由于天氣等原因引起能量供應(yīng)和需求的不平衡，蓄電池在整個(gè)系統(tǒng)中能起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用;能量消耗環(huán)節(jié)就是各種用電負(fù)載，可分為直流負(fù)載和交流負(fù)載兩類，交流負(fù)載連入電路時(shí)需要逆變器。

圖1 風(fēng)力光照互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電的特點(diǎn)及應(yīng)用于LED路燈的優(yōu)缺點(diǎn)

發(fā)電部分包括風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電組成。

2.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方法，而此方法大致分為3 類:葉尖速比控制、最大負(fù)載功率曲線控制、最大功率點(diǎn)搜索控制。本設(shè)計(jì)選擇了最大功率點(diǎn)搜索控制法。最大功率點(diǎn)搜索控制法又稱作爬山搜索法，在某一風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)輸出功率達(dá)到最大值，也就是最大功率點(diǎn)。最大功率搜索控制法的基本控制思想就是通過(guò)搜索控制找到這個(gè)最大功率點(diǎn)。

圖2 風(fēng)機(jī)的功率輸出曲線

所設(shè)計(jì)的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的風(fēng)力發(fā)電控制部分，在以往最大功率點(diǎn)搜索法控制基礎(chǔ)上，加以改進(jìn)，增加了控制精度，采用了變步長(zhǎng)擾動(dòng)的最大功率點(diǎn)搜索法。設(shè)計(jì)在某一風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)的功率輸出曲線如圖2 所示，從圖中可以看出，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速nc點(diǎn)對(duì)應(yīng)著風(fēng)機(jī)最大輸出功率PMAX。若風(fēng)機(jī)未工作在最佳點(diǎn)，假設(shè)工作在A 點(diǎn)，這時(shí)用步長(zhǎng)d1對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行擾動(dòng)，擾動(dòng)后風(fēng)機(jī)的輸出功率為P2，進(jìn)行比較。若P2＞PA，則說(shuō)明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)向該方向擾動(dòng);若P2＜PA，這說(shuō)明擾動(dòng)方向不正確，用同樣的步長(zhǎng)d1，向相反方向擾動(dòng)，進(jìn)行比較;若向兩個(gè)方向擾動(dòng)均得到P2≤PA，則改變步長(zhǎng)，用步長(zhǎng)d2(d2＜d1)重復(fù)上述步驟，用步長(zhǎng)d2的大小可以視實(shí)際情況而定。風(fēng)機(jī)的由工作點(diǎn)A 逐漸逼近最佳工作點(diǎn)C 點(diǎn)。當(dāng)步長(zhǎng)d 的值小于dmin(|d| ＜dmin)時(shí)，停止擾動(dòng)，此時(shí)風(fēng)機(jī)近似工作在最大功率點(diǎn)附近。其控制框圖如圖3 所示。

圖3 最大功率點(diǎn)搜索控制框圖

最大功率點(diǎn)搜索控制法不需要測(cè)風(fēng)速的設(shè)備，也不需要知道風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)確功率特性曲線，系統(tǒng)有自動(dòng)跟隨與自適應(yīng)的能力。在這種控制方案控制下，即使風(fēng)速穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)的最終的功率輸出也會(huì)有小幅度的波動(dòng)，這種波動(dòng)在系統(tǒng)調(diào)節(jié)上，是不可消除的，也是這個(gè)控制算法的一個(gè)缺點(diǎn)。但是，與一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于受風(fēng)速的隨機(jī)性與波動(dòng)性的影響，其輸出一般不需要十分高的精度與穩(wěn)定，所以在允許范圍內(nèi)的小幅度波動(dòng)是可以接受的。設(shè)計(jì)采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)法，在一定程度上降低了這種波動(dòng)程度。

2.2 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電所利用的太陽(yáng)能電池板的輸出是非線性的，而且輸出受光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載特性的影響，所以需要實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓，使其工作在最大功率點(diǎn)電壓處，從而保證太陽(yáng)能光伏電池板的輸出功率保持最大值，采用了擾動(dòng)觀察法(perturb and observe methods，P＆O)。

光伏發(fā)電擾動(dòng)觀察法是最常用的MPPT 控制方法之一。其原理是每隔一定的時(shí)間增加或者減少光伏電池端電壓，并觀測(cè)其后的功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。其控制框圖如圖4 所示。

圖4 擾動(dòng)觀察法控制框圖

3 風(fēng)光互補(bǔ)控制器

風(fēng)光互補(bǔ)控制器由三相整流橋、防反二極管、DC/DC 變換器等組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的三相交流電通過(guò)三相整流橋，經(jīng)過(guò)電容穩(wěn)波后送入DC/DC BUCK 變換器，得到蓄電池充電所需的直流電。為了防止反向電壓損壞電池板，其產(chǎn)生的直流電通過(guò)一個(gè)防反二極管后，再送入DC/DC BUCK 變換器。其中DC/DC 環(huán)節(jié)即功率變換器，是電能變換的核心部分，整個(gè)控制器重點(diǎn)就是控制BUCK 變換器。

設(shè)計(jì)采用的是帶有RCD 型關(guān)斷緩沖電路的Buck 變換器，它的工作原理如下:通過(guò)在功率開(kāi)關(guān)管的控制端施加周期一定、占空比可調(diào)的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖5 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2 導(dǎo)通時(shí)，二極管D9 截止，給蓄電池充電，同時(shí)使電感L1 能量增加;當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量使續(xù)流二極管D9 導(dǎo)通，在此階段，電感L1 把前一段的能量向負(fù)載釋放，是輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容C12 使輸出電壓的波紋進(jìn)一步減小。顯然開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，傳遞的能量越多，輸出的電壓越高。其中R42、C31 和一個(gè)二極管構(gòu)成了RCD 緩沖電路，對(duì)MOSFET 的沖擊起到了緩沖作用。采用的該款變換器，很好的保護(hù)了蓄電池，對(duì)整個(gè)電路的安全性有了很大的提高。

圖5 帶緩沖電路的BUCK 變換器

4 電能儲(chǔ)能消耗部分

電能存儲(chǔ)消耗環(huán)節(jié)分為存儲(chǔ)和消耗兩個(gè)部分。

4.1 電能存儲(chǔ)

電能主要由蓄電池組與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能，它是整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能核心，它的主要作用就是消除由于天氣等原因引起的能量供給和需求的不平衡，在整個(gè)系統(tǒng)中起到電能調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用。

在常用的蓄電池中，主要有鉛蓄電池、堿性鎳電池和鐵鎳蓄電池。其中鉛酸蓄電池價(jià)格低廉、性能可靠、安全性高，且技術(shù)上又不斷進(jìn)步和完善，在小型風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電中得到廣泛的應(yīng)用，但它存在如循環(huán)壽命短、功率密度低、維護(hù)量大等一些難以克服的缺點(diǎn)，占整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)成本很高.而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)存在輸入能量極不穩(wěn)定。間隙性大等特性，會(huì)導(dǎo)致蓄電池過(guò)早失效或容量損失，進(jìn)一步加大了發(fā)電系統(tǒng)的成本，而且超級(jí)電容器功率密度大、充電電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電且壽命長(zhǎng)，表現(xiàn)出卓越的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)。故所設(shè)計(jì)的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)選用的是鉛酸蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能。其電路如圖6 所示。

圖6 蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能電路圖

對(duì)于儲(chǔ)能蓄電池的選擇，一般采用閥控式鉛酸蓄電池，若選用單體電池2 V，40 A 時(shí)，那根據(jù)計(jì)算超級(jí)電容器應(yīng)采用容量為1 000 F，1.5 V/只的電容器組8 只串聯(lián)。

4.2 電能應(yīng)用

電能的消耗部分主要由卸載電路、直流負(fù)載、交流負(fù)載3 個(gè)部分組成。根據(jù)用戶的用電類型不同，負(fù)載分為直流和交流兩種。直流負(fù)載可由蓄電池直接引入，也可通過(guò)一個(gè)升壓或降壓電路(DC/DC)來(lái)提供用戶需要的直流電壓。而交流負(fù)載需要設(shè)計(jì)DC/AC 逆變器。卸載電路的主要作用是:當(dāng)風(fēng)速很高，但仍未達(dá)到過(guò)速保護(hù)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)仍需要給負(fù)載或蓄電池供電，為了減小大風(fēng)給開(kāi)關(guān)管及其電路造成的損壞，控制器可以開(kāi)啟卸載電路，使一部分功率在卸載電路消耗掉，從而減少大風(fēng)對(duì)控制器的沖擊。

5 LED 路燈

LED 燈以發(fā)光二級(jí)管作為光源，是一種固態(tài)冷光源。具有壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、易集成、電流小、電壓低、亮度高、節(jié)能佳、光分布易于控制、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，LED 控制技術(shù)有了很大的提高，其價(jià)格也隨之降低，使LED 光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣。LED 光源直接由超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能裝置供電，不需要逆變器，使得風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的成本進(jìn)一步降低。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)風(fēng)力光照互補(bǔ)LED 路燈控制系統(tǒng)的研究，解決了單一發(fā)電供電不穩(wěn)定及能量不足的問(wèn)題，對(duì)于其中采用的LED 等進(jìn)行照明使其性價(jià)比大大提高，在電源方面采用了鉛酸蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的技術(shù)，改善了單一蓄電池儲(chǔ)能的循環(huán)壽命短、功率密度低、維護(hù)量大等一些難以克服及成本昂貴等缺點(diǎn)，在控制策略上采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制方法，使其更好地利用資源，讓該系統(tǒng)的每一部分都發(fā)揮最大的功效。

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