友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理策略研究

　　周習(xí)祥（益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南，益陽 413049）

　　摘?要：傳統(tǒng)風(fēng)/光/儲LED路燈多以孤網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行為主，對蓄電池壽命及路燈工作可靠性有很大影響，針對這一缺陷，提出了一種友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理策略，該系統(tǒng)在路燈電量充足或風(fēng)機(jī)、光伏電壓過大時(shí)，能將電能饋送給電網(wǎng)，在路燈電量不足時(shí)，從市電獲取電能，能時(shí)刻保證路燈電量充足，延長蓄電池使用壽命，提高路燈工作可靠性，充分利用系統(tǒng)剩余電能。通過對控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與仿真，驗(yàn)證了該控制方法的科學(xué)性與可操作性，對城市與社會主義新農(nóng)村建設(shè)具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

　　基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：2017JJ5048）

　　0 引言

　　目前，我國能源結(jié)構(gòu)依然表現(xiàn)為高碳特性，近10多年，國家大力發(fā)展清潔能源，如天然氣、核電站、水電站。同時(shí)，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源，主要目的是為了減少煤炭在能源利用中的比重，使能源利用表現(xiàn)為低碳性 ^[1] 。隨著國家對風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式間歇性電源的強(qiáng)力推進(jìn)，在沿海地區(qū)，北方平原地區(qū)等地，風(fēng)能和太陽能充足的地方，建設(shè)了許多大型風(fēng)電場和光電場，在華中地區(qū)的山頂上建立了許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。同時(shí)，在城市道路和鄉(xiāng)村道路，安裝了許多風(fēng)/儲、光/儲、風(fēng)/光/儲LED太陽能路燈。但是，風(fēng)/光/儲LED太陽能路燈往往以孤網(wǎng)的形式獨(dú)立運(yùn)行 ^[2] ，雖然路燈智能控制器為了獲得最大功率充電，對風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電都進(jìn)行了MPPT控制，但一旦在持續(xù)陰雨無風(fēng)天氣的晚上，造成路燈電量不足，路燈將無法工作，影響人們的生活，同時(shí)對蓄電池的壽命產(chǎn)生影響 ^[3] ；同時(shí)在大風(fēng)太陽天氣，發(fā)電量充足，智能控制器為了防止過電壓對電路的損害，又只能切斷充電電路，這樣極大地導(dǎo)致了能源浪費(fèi) ^[4] 。因此，在電量不足情況下，如何保證路燈正常工作，在電量充足情況下，如何充分利用能源，成為風(fēng)/光/儲LED路燈亟待解決的問題，學(xué)術(shù)界在路燈控制系統(tǒng)領(lǐng)域還尚未報(bào)道。

　　1 傳統(tǒng)LED路燈電源控制系統(tǒng)

　　如圖1所示，為傳統(tǒng)LED路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它們的工作原理基本類似，對于風(fēng)/儲LED路燈控制系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電通過三相整流后，在經(jīng)過控制器內(nèi)DC/DC電壓變換與MPPT控制后以最大功率給蓄電池充電 ^[5] ，通過傳感器檢測光照強(qiáng)度，夜晚時(shí)，蓄電池通過供電DC/DC變換器給LED光源供電，當(dāng)電路中出現(xiàn)過壓時(shí)，電路自動卸荷，并對風(fēng)機(jī)剎車；對于光/儲LED路燈控制系統(tǒng)，光伏電池輸出電壓經(jīng)過DC/DC變換器變壓與MPPT控制后，以最大功率給蓄電池充電。夜晚時(shí)，蓄電池通過供電DC/DC變換器給LED光源供電；近年來安裝特別多的風(fēng)/光/儲LED路燈控制系統(tǒng)，與前兩種路燈控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，該系統(tǒng)采用智能風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器，該控制器具有多個(gè)功能，通過無線上位機(jī)進(jìn)行無線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)路燈各數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，當(dāng)路燈系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能讀取故障，準(zhǔn)確定位故障機(jī)，提高維護(hù)人員的工作效率。

　　2 友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理控制系統(tǒng)

　　如圖2所示，為友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　以24 V直流LED路燈控制系統(tǒng)為例，控制系統(tǒng)中設(shè)有4個(gè)電壓檢測電路，4個(gè)繼電器及其驅(qū)動電路，路燈地下鋪設(shè)1組直流母線，1組交流母線，1條馬路配置1個(gè)儲能裝置與逆變器并網(wǎng)裝置，友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的：

　　1）當(dāng)電路檢測到風(fēng)機(jī)過電壓、光伏電池過電壓時(shí)，為了防止過電壓損壞電路，將風(fēng)電和光電通過寬輸入DCDC變換器變換成同一電壓傳遞給儲能裝置，并通過逆變器輸送給電網(wǎng)；

　　2）當(dāng)蓄電池過電壓時(shí)，說明系統(tǒng)電能充足，同樣將風(fēng)電和光電電能輸送至電網(wǎng)；

　　3）當(dāng)蓄電池欠電壓時(shí)，說明系統(tǒng)電量不足，使用市電供電，實(shí)現(xiàn)友好型LED路燈電源協(xié)同管理；

　　4）當(dāng)風(fēng)機(jī)電壓、光伏電池電壓、蓄電池電壓均處于正常狀態(tài)時(shí)，按傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制模式進(jìn)行控制，此文不進(jìn)行分析。

　　友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理系統(tǒng)控制關(guān)系如表1所示。

　　3 電壓檢測電路及繼電器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

　　友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理系統(tǒng)控制電路如圖3所示。

　　3.1 電壓檢測電路設(shè)計(jì)

　　4個(gè)電壓檢測電路均采用串聯(lián)電阻分壓法進(jìn)行采樣，電壓檢測電路核心元件采用4路電壓比較器LM339N，電壓比較器及驅(qū)動電路電源選擇直流12 V電源供電，電壓比較器上拉電阻取4.7 kΩ。對風(fēng)機(jī)三相整流器輸出端電壓 U _OF 、光伏電池輸出端電壓 U _J 、蓄電池電壓U _E 分別進(jìn)行采樣，采樣電壓輸送給LM339NU _1A 、 U _1B 、 U _1C 電壓比較器的“+”端，基準(zhǔn)電壓提供給“-”端；對蓄電池電壓U _E 采樣，此信號作為欠電壓信號輸送給 U _1D 電壓比較器的“-”端，基準(zhǔn)電壓提供給“+”端。

　　3.1.1 基準(zhǔn)電壓設(shè)定

　　基準(zhǔn)電壓 U _ref 設(shè)定為5 V，供電電壓為12 V，基準(zhǔn)電壓分壓電阻選定為：R3=R10=R17=R24=80k?  R4=R11=R18=R25=57.2k?。

　　3.1.1 取樣電路設(shè)計(jì)

　　取樣電路電阻為R₁、R₂、R₈、R₁₅、R₁₆、R₂₂、R₂₃為了減小取樣電路對主電路的影響，選取取樣電阻R₁₌R₈=R₁₅₌R₂₂=100k?，以風(fēng)機(jī)電壓取樣電路為例，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，電壓比較器 U _1A “+”端輸入電壓 U ₊ 與風(fēng)機(jī)三相整流器輸出電壓 U _OF 的關(guān)系為：

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)三相整流輸出電壓 U _OF ≥30V時(shí)， J 1 工作，要求：

　　得 R ₂ ≥20k? ，因此風(fēng)機(jī)輸出電壓取樣電阻取R 2 = ? 20k；同理，當(dāng)光伏電池輸出端電壓 U J ≥28.8V時(shí)， J 2 工作，光伏電池輸出電壓取樣電阻取 R 9= ? 21k；當(dāng)蓄電池端電壓 U E ≥28V 時(shí)， J 3 工作，蓄電池過電壓取樣電阻取 R 16 =? 21.7k；當(dāng)蓄電池端電壓 U E ≤21.6V時(shí)， J 4 工作，蓄電池欠電壓取樣電阻取 R 23= ? 30k。

　　3.2 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

　　繼電器驅(qū)動電路均采用兩級三極管驅(qū)動，當(dāng)電壓比較器輸出端為高電平時(shí)，對應(yīng)的兩個(gè)三極管均導(dǎo)通，相應(yīng)的繼電器工作，同時(shí)，對應(yīng)的LED指示燈指示電源狀態(tài)。

　　4 電源管理系統(tǒng)控制電路仿真分析

　　因?yàn)轱L(fēng)機(jī)、光伏電源、蓄電池過電壓檢測電路與驅(qū)動電路工作原理類似，現(xiàn)只對風(fēng)機(jī)電源管理及蓄電池欠電壓電源管理電路進(jìn)行仿真。

　　4.1 風(fēng)機(jī)電源管理系統(tǒng)控制電路仿真

　　用1個(gè)30 V直流電疊加5 V正弦低頻交流電信號代替風(fēng)機(jī)三相整流器輸出電壓波動信號，信號電壓參數(shù)設(shè)計(jì)如圖4所示，對電路進(jìn)行仿真，得到如圖5所示仿真波形，由圖可知，繼電器動作前后，在249.123 s時(shí)，風(fēng)機(jī)三相整流器輸出電壓（通道A） U _OF =30.078 V，電壓比較器輸出電壓（通道B） U _O =10.799 V，為高電平，繼電器常閉觸點(diǎn)輸出（通道C）為0 V，常開觸點(diǎn)輸出（通道D）為30.078 V，此時(shí)風(fēng)機(jī)電能輸送給電網(wǎng)；在250.877 s時(shí)，風(fēng)機(jī)三相整流器輸出電壓U _OF =29.922 V，電壓比較器輸出電壓U _O =1.201 V，為低電平，繼電器常閉觸點(diǎn)輸出為29.922 V，常開觸點(diǎn)輸出為0 V，此時(shí)風(fēng)機(jī)給蓄電池充電，仿真結(jié)果驗(yàn)證了此電路能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)友好型電源協(xié)同管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的：當(dāng) U _OF < 30 V時(shí)，繼電器常閉觸點(diǎn)輸出電壓=風(fēng)機(jī)輸出電壓，給蓄電池正常充； U _OF ≥30 V時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)輸出電壓=風(fēng)機(jī)輸出電壓，這樣既保護(hù)了主電路，又將風(fēng)機(jī)過電壓時(shí)的電能輸送送給電網(wǎng)，有效利用了能源。

　　同時(shí)，為了驗(yàn)證風(fēng)機(jī)電源控制電路處理速度和精度，仿真得到風(fēng)機(jī)電源管理系統(tǒng)仿真數(shù)值報(bào)表，如表2所示，當(dāng)時(shí)段位于250.128 s～251.046 s時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出電壓UOF由29.989 V下降到29.907 V，繼電器動作時(shí)間為250.698 s～250.528 s=0.17 s，響應(yīng)速度較快。

　　4.2 蓄電池欠電壓電源管理系統(tǒng)控制電路仿真

　　眾所周知，不管是鉛酸蓄電池還是鋰電池，長時(shí)間虧電會導(dǎo)致電池活性物質(zhì)很難還原，影響電池容量和壽命，因此，無論是何種天氣，都要保證電池電量充足，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在持續(xù)不好的天氣，只能通過市電補(bǔ)充電能。電路用一個(gè)21.6 V直流電疊加4 V正弦低頻交流電信號代替蓄電池電壓信號，信號電壓設(shè)置如圖6所示。對蓄電池欠電壓電源管理電路進(jìn)行仿真，仿真波形如圖7所示，由圖可知，在83.333 s時(shí)，蓄電池電壓U _E =21.6 V，繼電器J 4 常開觸點(diǎn)輸出為267.014 V瞬時(shí)值，此時(shí)市電給蓄電池充電，在167.045 s時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)輸出為0 V，斷開與市電的連接，仿真結(jié)果驗(yàn)證了電路能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)友好型電源協(xié)同管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的：當(dāng) U _E > 21.6 V時(shí)，系統(tǒng)自主供電，當(dāng) U _E ≤21.6 V時(shí)，蓄電池從市電獲取電能，實(shí)現(xiàn)了友好型蓄電池電源協(xié)同管理。

　　為了驗(yàn)證控制電路處理速度和精度，仿真得到蓄電池欠電壓電源管理系統(tǒng)數(shù)值報(bào)表，如表3所示，當(dāng)時(shí)段位于83.230 s～83.234 s，蓄電池電壓由21.622 V下降到21.621 V，繼電器常開觸點(diǎn)電壓由0 V變?yōu)?304.19 V，繼電器動作時(shí)間為0.001 s，處理速度較快。

　　5 結(jié)論

　　傳統(tǒng)LED路燈控制系統(tǒng)一般均以孤網(wǎng)獨(dú)立式控制為主，當(dāng)遇到連續(xù)陰雨無風(fēng)天氣，會導(dǎo)致路燈不能正常工作，但大風(fēng)晴天又會導(dǎo)致能源浪費(fèi)，能源利用率低，基于這種情況，本文提出了一種友好型風(fēng)/光/儲LED路燈電源協(xié)同管理控制策略，在電能充足時(shí)，將剩余電能饋送給電網(wǎng)，在電池電能不足時(shí)，從市電獲取電能，保證路燈在任何天氣下都能夠正常工作，通過對控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與仿真，充分證明了該方法的正確性與可操作性，在城市與社會主義新農(nóng)村建設(shè)中具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

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　　作者簡介：

　　周習(xí)祥（1979—），男，湖南安化人，副教授，碩士，研究方向：DC/ DC電源、逆變電源、分布式發(fā)電系統(tǒng)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第37頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。