風力光照LED 路燈控制系統(tǒng)的研究

司志澤，陳志軍，安典強

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

人類社會的飛速發(fā)展離不開能源的支持。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展、社會的進步和經(jīng)濟的高速騰飛，能源短缺和環(huán)境保護已經(jīng)成為社會發(fā)展和能源開發(fā)最重要的研究課題。風能和太陽能是目前應用比較廣泛的兩種可再生能源，太陽能和風能與其它常規(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)、周而復始、可以再生等優(yōu)點。將風能和太陽能這兩種自然能源結(jié)合起來，兩者在時間上和地域上都有很強的互補性。白天太陽光最強時，風很小，夜晚光照很弱時，風能加強。夏季，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大。晴天，陽光充足，雨天，風較大［1］。而對于新疆來說，這種對比更為明顯，新疆白天光照時間可長達16 h，風力資源更是舉全國首位。因此在新疆太陽能和風能結(jié)合構(gòu)成風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源配置上是最佳的。

1 系統(tǒng)設計

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個系統(tǒng)由發(fā)電部分、控制器和負載3 部分組成。發(fā)電部分由風力發(fā)電部分和太陽能光伏發(fā)電部分組成，能量存儲環(huán)節(jié)由蓄電池來承擔，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和需求的不平衡，蓄電池在整個系統(tǒng)中能起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載的作用;能量消耗環(huán)節(jié)就是各種用電負載，可分為直流負載和交流負載兩類，交流負載連入電路時需要逆變器。

圖1 風力光照互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 風光儲發(fā)電的特點及應用于LED路燈的優(yōu)缺點

發(fā)電部分包括風力發(fā)電和光伏發(fā)電組成。

2.1 風力發(fā)電

風力發(fā)電通常采用最大功率點跟蹤(MPPT)控制方法，而此方法大致分為3 類:葉尖速比控制、最大負載功率曲線控制、最大功率點搜索控制。本設計選擇了最大功率點搜索控制法。最大功率點搜索控制法又稱作爬山搜索法，在某一風機轉(zhuǎn)速下，風機輸出功率達到最大值，也就是最大功率點。最大功率搜索控制法的基本控制思想就是通過搜索控制找到這個最大功率點。

圖2 風機的功率輸出曲線

所設計的小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制器的風力發(fā)電控制部分，在以往最大功率點搜索法控制基礎上，加以改進，增加了控制精度，采用了變步長擾動的最大功率點搜索法。設計在某一風速下，風機的功率輸出曲線如圖2 所示，從圖中可以看出，風機的轉(zhuǎn)速nc點對應著風機最大輸出功率PMAX。若風機未工作在最佳點，假設工作在A 點，這時用步長d1對風機轉(zhuǎn)速進行擾動，擾動后風機的輸出功率為P2，進行比較。若P2＞PA，則說明擾動方向正確，繼續(xù)向該方向擾動;若P2＜PA，這說明擾動方向不正確，用同樣的步長d1，向相反方向擾動，進行比較;若向兩個方向擾動均得到P2≤PA，則改變步長，用步長d2(d2＜d1)重復上述步驟，用步長d2的大小可以視實際情況而定。風機的由工作點A 逐漸逼近最佳工作點C 點。當步長d 的值小于dmin(|d| ＜dmin)時，停止擾動，此時風機近似工作在最大功率點附近。其控制框圖如圖3 所示。

圖3 最大功率點搜索控制框圖

最大功率點搜索控制法不需要測風速的設備，也不需要知道風機的準確功率特性曲線，系統(tǒng)有自動跟隨與自適應的能力。在這種控制方案控制下，即使風速穩(wěn)定，發(fā)電機的最終的功率輸出也會有小幅度的波動，這種波動在系統(tǒng)調(diào)節(jié)上，是不可消除的，也是這個控制算法的一個缺點。但是，與一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，風力發(fā)電系統(tǒng)由于受風速的隨機性與波動性的影響，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)的小幅度波動是可以接受的。設計采用變步長擾動法，在一定程度上降低了這種波動程度。

2.2 光伏發(fā)電

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

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

圖4 擾動觀察法控制框圖

3 風光互補控制器

風光互補控制器由三相整流橋、防反二極管、DC/DC 變換器等組成。風力發(fā)電機組產(chǎn)生的三相交流電通過三相整流橋，經(jīng)過電容穩(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)生的直流電通過一個防反二極管后，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，整個控制器重點就是控制BUCK 變換器。

設計采用的是帶有RCD 型關斷緩沖電路的Buck 變換器，它的工作原理如下:通過在功率開關管的控制端施加周期一定、占空比可調(diào)的PWM 驅(qū)動信號，使其工作在開關狀態(tài)如圖5 所示。當開關管Q2 導通時，二極管D9 截止，給蓄電池充電，同時使電感L1 能量增加;當開關管截止時，電感釋放能量使續(xù)流二極管D9 導通，在此階段，電感L1 把前一段的能量向負載釋放，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一步減小。顯然開關管在一個周期內(nèi)導通時間越長，傳遞的能量越多，輸出的電壓越高。其中R42、C31 和一個二極管構(gòu)成了RCD 緩沖電路，對MOSFET 的沖擊起到了緩沖作用。采用的該款變換器，很好的保護了蓄電池，對整個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 電能儲能消耗部分

電能存儲消耗環(huán)節(jié)分為存儲和消耗兩個部分。

4.1 電能存儲

電能主要由蓄電池組與超級電容器混合儲能，它是整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的儲能核心，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，在整個系統(tǒng)中起到電能調(diào)節(jié)和平衡負載的作用。

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。其中鉛酸蓄電池價格低廉、性能可靠、安全性高，且技術上又不斷進步和完善，在小型風力發(fā)電及光伏發(fā)電中得到廣泛的應用，但它存在如循環(huán)壽命短、功率密度低、維護量大等一些難以克服的缺點，占整個發(fā)電系統(tǒng)成本很高.而風光互補發(fā)電系統(tǒng)存在輸入能量極不穩(wěn)定。間隙性大等特性，會導致蓄電池過早失效或容量損失，進一步加大了發(fā)電系統(tǒng)的成本，而且超級電容器功率密度大、充電電池能量密度高的優(yōu)點，可快速充放電且壽命長，表現(xiàn)出卓越的儲能優(yōu)勢。故所設計的小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)選用的是鉛酸蓄電池與超級電容混合儲能。其電路如圖6 所示。

圖6 蓄電池與超級電容混合儲能電路圖

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

4.2 電能應用

電能的消耗部分主要由卸載電路、直流負載、交流負載3 個部分組成。根據(jù)用戶的用電類型不同，負載分為直流和交流兩種。直流負載可由蓄電池直接引入，也可通過一個升壓或降壓電路(DC/DC)來提供用戶需要的直流電壓。而交流負載需要設計DC/AC 逆變器。卸載電路的主要作用是:當風速很高，但仍未達到過速保護狀態(tài)時，系統(tǒng)仍需要給負載或蓄電池供電，為了減小大風給開關管及其電路造成的損壞，控制器可以開啟卸載電路，使一部分功率在卸載電路消耗掉，從而減少大風對控制器的沖擊。

5 LED 路燈

LED 燈以發(fā)光二級管作為光源，是一種固態(tài)冷光源。具有壽命長、響應快、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)保無污染等優(yōu)點。隨著技術的發(fā)展，LED 控制技術有了很大的提高，其價格也隨之降低，使LED 光源在照明領域的應用將越來越廣。LED 光源直接由超級電容和蓄電池組成的混合儲能裝置供電，不需要逆變器，使得風光互補路燈系統(tǒng)的成本進一步降低。

6 結(jié)語

對風力光照互補LED 路燈控制系統(tǒng)的研究，解決了單一發(fā)電供電不穩(wěn)定及能量不足的問題，對于其中采用的LED 等進行照明使其性價比大大提高，在電源方面采用了鉛酸蓄電池與超級電容混合儲能的技術，改善了單一蓄電池儲能的循環(huán)壽命短、功率密度低、維護量大等一些難以克服及成本昂貴等缺點，在控制策略上采用最大功率點跟蹤(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。

［1］朱芳，王培紅.風能與太陽能光伏互補發(fā)電應用及其優(yōu)化［J］.上海電力，2009(1):23－26.

［2］李少林，姚國興.風光互補發(fā)電蓄電池超級電容器混合儲能研究［J］.電力電子技術，2010(2):13－14.

［3］Gao L，Dougal R A，Liu S.Power Enhancement of an Actively Controlled Battery/Ultra Capacitor Hybrid［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2005，20(1):236-243.

［4］肖貴賢，汪有源.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究與應用［J］.中國科技信息，2009(22):20－21.

［5］陳亞愛，金雍奧.風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制技術綜述［J］.電氣傳動，2012，42(1):3－9.