固定測(cè)速系統(tǒng)的光伏供電技術(shù)與節(jié)電策略

李 建

(西南兵器工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 400042)

0 引言

高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)能夠有效地對(duì)行駛車(chē)輛速度進(jìn)行監(jiān)控，并將反饋信息及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到執(zhí)法監(jiān)控中心，以督促駕駛員控制車(chē)速，降低事故發(fā)生率。高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)持久、高效、穩(wěn)定的電力供給是保證其功能正常實(shí)現(xiàn)的前提。

目前，高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)供電主要有市電和太陽(yáng)能兩種方式。

市電供電是現(xiàn)有高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)的主要供電方式。市電供電電壓波動(dòng)較大，且固定測(cè)速系統(tǒng)中用電設(shè)備長(zhǎng)期處于過(guò)壓供電狀態(tài)，不僅造成電力資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響到測(cè)速系統(tǒng)使用壽命；對(duì)于偏遠(yuǎn)且市電難以到達(dá)的核心高速公路路段，測(cè)速系統(tǒng)市電供電方案線路建設(shè)和維護(hù)成本過(guò)高，電能在傳輸過(guò)程中損耗較大[1]。

太陽(yáng)能供電是通過(guò)建設(shè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固定測(cè)速系統(tǒng)的電力供給。太陽(yáng)能資源取之不盡用之不竭，只要光照條件滿足，就可建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定直流電，通過(guò)DC-DC 和DC-AC變換，能夠滿足測(cè)速系統(tǒng)中所有用電設(shè)備的供電需求。相比市電而言，太陽(yáng)能供電方式效率高，輸出電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效延長(zhǎng)測(cè)速系統(tǒng)使用壽命，同時(shí)具有安裝點(diǎn)選取靈活、系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本低、安全性高、資源占用少等特點(diǎn)[1]。

隨著全球能源需求的增長(zhǎng)，煤、石油、天然氣等不可再生資源的日益消耗及環(huán)境污染的加劇，對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越擺在了最突出的位置。按照當(dāng)前能量消耗的預(yù)估，太陽(yáng)輻射到地球一天的總能量能夠供給全球人類使用27 年之多[2]。光伏發(fā)電基于光電效應(yīng)，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，具有清潔、安全、長(zhǎng)壽命、適用廣泛、免維護(hù)、自然資源充足和巨大潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值等特點(diǎn)，是利用太陽(yáng)能最重要的技術(shù)之一[3]。

重慶地處南北氣候分界線附近，長(zhǎng)期處于冷空氣與暖濕氣流交匯地帶，少光照，多陰雨。全年日照時(shí)數(shù)僅為1 000～1 400 h，年輻射總量3 344～4 180 MJ/m2，相當(dāng)于115～140 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量，與四川、貴州同屬五類地區(qū)，是我國(guó)太陽(yáng)能資源最少的地區(qū)[4]。目前，在典型低日照地區(qū)應(yīng)用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)給固定測(cè)速系統(tǒng)供電并制定相應(yīng)供電策略的案例很少，并且相關(guān)研究文章也鮮有發(fā)表。

本文依托重慶高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)典型低日照地區(qū)的光照條件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了專用光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)核心控制器涉及的太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)和蓄電池充放電算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)；在對(duì)固定測(cè)速系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成、用電及功能分析的基礎(chǔ)上，提出了具有針對(duì)性的節(jié)電策略與方法，在確保其功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，力求達(dá)到測(cè)速系統(tǒng)用電效率高和使用壽命長(zhǎng)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本光伏發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)重慶等典型低日照地區(qū)的實(shí)際日照條件設(shè)計(jì)，由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器和負(fù)載四大部分組成，如圖1 所示。

圖1 光伏系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 太陽(yáng)能電池板

采用多晶硅或者非晶硅，相比單晶硅，多晶硅和非晶硅太陽(yáng)能電池板能夠在白天光照較弱的條件下，高效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并且通過(guò)增加接收光照面積的方式可以達(dá)到和單晶硅相同的光電轉(zhuǎn)化量，較單晶硅成本低廉，更適宜在重慶等太陽(yáng)能資源較少的地方使用[3]。

1.2 蓄電池

采用光伏系統(tǒng)專用蓄電池，根據(jù)日負(fù)載需求、最大放電深度、獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)、安裝地氣溫等條件選擇性價(jià)比高的鉛酸免維護(hù)蓄電池。蓄電池之間先進(jìn)行兩兩串聯(lián)，再把所有串聯(lián)線路并聯(lián)，然后通過(guò)將所有輸出正負(fù)極線分別并聯(lián)的方式構(gòu)成一個(gè)蓄電池組，從而得到所有蓄電池總的正極和負(fù)極輸出，保證充放電時(shí)蓄電池之間電壓和能量平衡。

1.3 控制器

根據(jù)組成光伏系統(tǒng)各個(gè)部分實(shí)際工作條件要求，設(shè)計(jì)了光伏專用控制器。通過(guò)MPPT 算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)化；針對(duì)蓄電池不同充電狀態(tài)設(shè)計(jì)相應(yīng)充電方式，避免過(guò)充，有效提高蓄電池充電效率和使用壽命；放電過(guò)程中根據(jù)蓄電池電壓變化，采取相應(yīng)放電策略，避免過(guò)放，使蓄電池始終保持較高的活性[5]。

1.3.1 太陽(yáng)能電池板充電的MPPT 算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)太陽(yáng)能電池板，充電采用MPPT 算法實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換[6]。太陽(yáng)能電池板P-V 曲線具有非線性特征[7]，如圖2 所示，在曲線2 段存在最大功率點(diǎn)，通過(guò)改變太陽(yáng)能板的輸出電流占空比，可以改變輸出電壓，使輸出功率在最大點(diǎn)時(shí)刻輸出。

圖2 太陽(yáng)能電池板P-V 曲線

圖3 逐次逼近-擾動(dòng)跳變算法

1.3.2 蓄電池充電

根據(jù)蓄電池充電電流曲線[9-11]，采用脈沖、恒流和涓流多種充電方式[12]。蓄電池充電流程如圖4 所示。太陽(yáng)能電池板充電伊始，充電電流較小，通過(guò)采用較小的充電電流占空比，可使太陽(yáng)能充電電壓保持較高的數(shù)值，有效激發(fā)蓄電池活性并提高充電效率，同時(shí)根據(jù)MPPT 算法可知，充電功率始終保持在太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)附近。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，蓄電池電壓(Vb)和充電電流(Is)逐漸增大，當(dāng)Vb＜V1時(shí)，繼續(xù)采用MPPT 充電算法，否則判斷Vb是否大于V2。當(dāng)Vb＜V2時(shí)，判斷Is是否大于I3，當(dāng)Is＜I3時(shí)，繼續(xù)采用MPPT 充電算法，否則就采用直流充電，此時(shí)太陽(yáng)能電池板充電電壓穩(wěn)定，輸出電流幾乎不再變化，同時(shí)蓄電池電壓低于充電電壓，充電量最大，太陽(yáng)能利用率最高；當(dāng)Vb≥V2時(shí)，判斷Vb是否大于V3，當(dāng)Vb＞V3時(shí)，關(guān)閉充電，否則改為涓流充電，涓流充電是蓄電池即將飽和時(shí)的充電方式，通過(guò)采用微小電流的脈沖充電，可以確保蓄電池真正飽和，延長(zhǎng)蓄電池的使用時(shí)間。

圖4 蓄電池充電算法流程

1.3.3 蓄電池放電

針對(duì)蓄電池放電[5]，必須要做到有計(jì)劃、有步驟，使蓄電池始終保持在良好的運(yùn)行狀態(tài)，避免過(guò)放[13]。蓄電池的放電流程如圖5 所示。圖中對(duì)蓄電池放電電壓做了回差處理，避免在對(duì)大功率負(fù)載放電時(shí)，控制器短時(shí)間內(nèi)頻繁切換充、放狀態(tài)，保護(hù)蓄電池和控制器[14]。

圖5 蓄電池放電流程圖

2 高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)節(jié)電策略

作為本文設(shè)計(jì)的專用光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載，對(duì)固定測(cè)速系統(tǒng)中用電設(shè)備的具體分析，直接決定了其節(jié)電策略與方法的制定。實(shí)際高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成、用電及功能分析如表1 所示。

根據(jù)表1 對(duì)固定測(cè)速系統(tǒng)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)及用電情況的分析，在專用獨(dú)立光伏系統(tǒng)供電的基礎(chǔ)上，提出以下節(jié)點(diǎn)策略和方法：

表1 高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成、用電及功能分析

(1)采用直流接口。測(cè)速系統(tǒng)中的主要用電設(shè)備所需工作電壓為直流5 V、12 V 和24 V，直接采用直流供電，可避免直流轉(zhuǎn)交流再轉(zhuǎn)直流帶來(lái)的資源浪費(fèi)，同時(shí)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。若固定測(cè)速系統(tǒng)中直流轉(zhuǎn)交流效率為90%，交流轉(zhuǎn)直流效率為90%，電能總的利用率也只有80%，而實(shí)際應(yīng)用中直流交流電轉(zhuǎn)化效率通常達(dá)不到90%，加上轉(zhuǎn)換設(shè)備的電力消耗以及交流電壓頻率對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響，使得系統(tǒng)整體性價(jià)比直線下降。

(2)靈活補(bǔ)光。智能頻閃燈和LED 補(bǔ)光燈開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)以實(shí)際光線強(qiáng)弱為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)控制器檢測(cè)太陽(yáng)能板輸出電流和充電電壓來(lái)判斷光照強(qiáng)弱和時(shí)間，從而采用靈活、可變的補(bǔ)光方式，使抓拍攝像機(jī)、全景攝像機(jī)和交調(diào)攝像機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)始終保持在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下。靈活補(bǔ)光的算法流程如圖6 所示。V6和I4為預(yù)先設(shè)定參數(shù)值，當(dāng)太陽(yáng)能板電壓Vs大于V6時(shí)，認(rèn)為在此時(shí)間段內(nèi)不需要LED補(bǔ)光燈工作；當(dāng)太陽(yáng)能充電電流大于I4且光伏系統(tǒng)處于充電狀態(tài)(Vb＜Vmax，Vmax設(shè)置為蓄電池的最大電壓)或者Vb≥Vmax(此時(shí)關(guān)閉充電Is=0 A)，認(rèn)為此時(shí)間段內(nèi)光照很強(qiáng)，不需要智能交通頻閃燈補(bǔ)光。

圖6 補(bǔ)光算法流程

(3)采用休眠模式。在夜間或道路無(wú)車(chē)輛等系統(tǒng)非運(yùn)行狀況下，關(guān)閉測(cè)速系統(tǒng)中主要用電設(shè)備，包括抓拍攝像機(jī)、交調(diào)攝像機(jī)、智能頻閃燈、LED 補(bǔ)光燈，保證光端機(jī)、雷達(dá)檢測(cè)儀等基本設(shè)備在線即可。

(4)采用首車(chē)抓拍方式。在交通高峰時(shí)期，每當(dāng)遇到一連串車(chē)輛行駛過(guò)固定測(cè)速點(diǎn)，并且兩輛車(chē)之間的間隔時(shí)間很短時(shí)，只需測(cè)定并記錄首輛通過(guò)測(cè)速點(diǎn)的車(chē)輛信息，就可以確定其后車(chē)輛是否超速行駛。當(dāng)上述情形持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)t 后，測(cè)速系統(tǒng)將開(kāi)啟下一次抓拍動(dòng)作。

3 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過(guò)DTU 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和本地上位機(jī)接收軟件，得到重慶一高速公路固定測(cè)速點(diǎn)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)并作圖如圖7、圖8 所示。

圖7 系統(tǒng)充放電1

圖8 系統(tǒng)充放電2

此固定測(cè)速點(diǎn)光伏系統(tǒng)配置8 塊額定功率為196.5 W的多晶硅太陽(yáng)能電池板、6 塊12 V 100 AH 免維護(hù)鉛酸蓄電池、8 個(gè)專用光伏控制器，其中1 個(gè)控制蓄電池組的放電。固定測(cè)速系統(tǒng)在無(wú)車(chē)輛通過(guò)情況下，交調(diào)攝像機(jī)、全景攝像機(jī)、測(cè)速雷達(dá)、微波雷達(dá)監(jiān)測(cè)儀等用電設(shè)備開(kāi)啟，當(dāng)單車(chē)道有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，開(kāi)啟一組抓拍攝像機(jī)和智能頻閃燈；當(dāng)雙車(chē)道都有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，開(kāi)啟兩組抓拍攝像機(jī)和智能頻閃燈；夜間加開(kāi)LED 補(bǔ)光燈。由圖7 和圖8分析可知，所設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，且電能利用率高，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT 算法和充放電算法的設(shè)計(jì)要求。該固定測(cè)速系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

4 結(jié)論

本文有針對(duì)性地提出了一種基于光伏發(fā)電技術(shù)的高速公路固定測(cè)速系統(tǒng)供電方法，并根據(jù)重慶等典型低日照地區(qū)的日照條件，對(duì)組成光伏系統(tǒng)的各部分進(jìn)行了專項(xiàng)研究設(shè)計(jì)，對(duì)核心控制器涉及的太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)和蓄電池充放電算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明控制器高效、穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)固定測(cè)速系統(tǒng)全年不間斷電力供給，供電效率高，電壓、頻率穩(wěn)定。下一步將深化控制器設(shè)計(jì)，逐步進(jìn)行研究試驗(yàn)成果轉(zhuǎn)化。