友好型风/光/储LED路灯电源协同管理策略研究

　　周习祥（益阳职业技术学院 湖南，益阳 413049）

　　摘 要：传统风/光/储LED路灯多以孤网独立运行为主，对蓄电池寿命及路灯工作可靠性有很大影响，针对这一缺陷，提出了一种友好型风/光/储LED路灯电源协同管理策略，该系统在路灯电量充足或风机、光伏电压过大时，能将电能馈送给电网，在路灯电量不足时，从市电获取电能，能时刻保证路灯电量充足，延长蓄电池使用寿命，提高路灯工作可靠性，充分利用系统剩余电能。通过对控制系统电路设计与仿真，验证了该控制方法的科学性与可操作性，对城市与社会主义新农村建设具有非常大的应用价值。

　　基金项目：湖南省自然科学基金（项目编号：2017JJ5048）

　　0 引言

　　目前，我国能源结构依然表现为高碳特性，近10多年，国家大力发展清洁能源，如天然气、核电站、水电站。同时，大力发展风能、太阳能、地热能、生物质能等可再生能源，主要目的是为了减少煤炭在能源利用中的比重，使能源利用表现为低碳性 ^[1] 。随着国家对风力发电、光伏发电等分布式间歇性电源的强力推进，在沿海地区，北方平原地区等地，风能和太阳能充足的地方，建设了许多大型风电场和光电场，在华中地区的山顶上建立了许多风力发电机组。同时，在城市道路和乡村道路，安装了许多风/储、光/储、风/光/储LED太阳能路灯。但是，风/光/储LED太阳能路灯往往以孤网的形式独立运行 ^[2] ，虽然路灯智能控制器为了获得最大功率充电，对风机和光伏发电都进行了MPPT控制，但一旦在持续阴雨无风天气的晚上，造成路灯电量不足，路灯将无法工作，影响人们的生活，同时对蓄电池的寿命产生影响 ^[3] ；同时在大风太阳天气，发电量充足，智能控制器为了防止过电压对电路的损害，又只能切断充电电路，这样极大地导致了能源浪费 ^[4] 。因此，在电量不足情况下，如何保证路灯正常工作，在电量充足情况下，如何充分利用能源，成为风/光/储LED路灯亟待解决的问题，学术界在路灯控制系统领域还尚未报道。

　　1 传统LED路灯电源控制系统

　　如图1所示，为传统LED路灯控制系统结构图，它们的工作原理基本类似，对于风/储LED路灯控制系统，风力发电机输出的三相交流电通过三相整流后，在经过控制器内DC/DC电压变换与MPPT控制后以最大功率给蓄电池充电 ^[5] ，通过传感器检测光照强度，夜晚时，蓄电池通过供电DC/DC变换器给LED光源供电，当电路中出现过压时，电路自动卸荷，并对风机刹车；对于光/储LED路灯控制系统，光伏电池输出电压经过DC/DC变换器变压与MPPT控制后，以最大功率给蓄电池充电。夜晚时，蓄电池通过供电DC/DC变换器给LED光源供电；近年来安装特别多的风/光/储LED路灯控制系统，与前两种路灯控制系统的区别在于，该系统采用智能风光互补智能控制器，该控制器具有多个功能，通过无线上位机进行无线传输，可以实现路灯各数据的远程监控，当路灯系统出现故障时，能读取故障，准确定位故障机，提高维护人员的工作效率。

　　2 友好型风/光/储LED路灯电源协同管理控制系统

　　如图2所示，为友好型风/光/储LED路灯电源协同管理控制系统结构图。

　　以24 V直流LED路灯控制系统为例，控制系统中设有4个电压检测电路，4个继电器及其驱动电路，路灯地下铺设1组直流母线，1组交流母线，1条马路配置1个储能装置与逆变器并网装置，友好型风/光/储LED路灯电源协同管理系统设计目的：

　　1）当电路检测到风机过电压、光伏电池过电压时，为了防止过电压损坏电路，将风电和光电通过宽输入DCDC变换器变换成同一电压传递给储能装置，并通过逆变器输送给电网；

　　2）当蓄电池过电压时，说明系统电能充足，同样将风电和光电电能输送至电网；

　　3）当蓄电池欠电压时，说明系统电量不足，使用市电供电，实现友好型LED路灯电源协同管理；

　　4）当风机电压、光伏电池电压、蓄电池电压均处于正常状态时，按传统控制系统控制模式进行控制，此文不进行分析。

　　友好型风/光/储LED路灯电源协同管理系统控制关系如表1所示。

　　3 电压检测电路及继电器驱动电路设计

　　友好型风/光/储LED路灯电源协同管理系统控制电路如图3所示。

　　3.1 电压检测电路设计

　　4个电压检测电路均采用串联电阻分压法进行采样，电压检测电路核心元件采用4路电压比较器LM339N，电压比较器及驱动电路电源选择直流12 V电源供电，电压比较器上拉电阻取4.7 kΩ。对风机三相整流器输出端电压 U _OF 、光伏电池输出端电压 U _J 、蓄电池电压U _E 分别进行采样，采样电压输送给LM339NU _1A 、 U _1B 、 U _1C 电压比较器的“+”端，基准电压提供给“-”端；对蓄电池电压U _E 采样，此信号作为欠电压信号输送给 U _1D 电压比较器的“-”端，基准电压提供给“+”端。

　　3.1.1 基准电压设定

　　基准电压 U _ref 设定为5 V，供电电压为12 V，基准电压分压电阻选定为：R3=R10=R17=R24=80kΩ  R4=R11=R18=R25=57.2kΩ。

　　3.1.1 取样电路设计

　　取样电路电阻为R₁、R₂、R₈、R₁₅、R₁₆、R₂₂、R₂₃为了减小取样电路对主电路的影响，选取取样电阻R₁₌R₈=R₁₅₌R₂₂=100kΩ，以风机电压取样电路为例，根据串联分压原理，电压比较器 U _1A “+”端输入电压 U ₊ 与风机三相整流器输出电压 U _OF 的关系为：

　　当风机三相整流输出电压 U _OF ≥30V时， J 1 工作，要求：

　　得 R ₂ ≥20kΩ ，因此风机输出电压取样电阻取R 2 = Ω 20k；同理，当光伏电池输出端电压 U J ≥28.8V时， J 2 工作，光伏电池输出电压取样电阻取 R 9= Ω 21k；当蓄电池端电压 U E ≥28V 时， J 3 工作，蓄电池过电压取样电阻取 R 16 =Ω 21.7k；当蓄电池端电压 U E ≤21.6V时， J 4 工作，蓄电池欠电压取样电阻取 R 23= Ω 30k。

　　3.2 继电器驱动电路设计

　　继电器驱动电路均采用两级三极管驱动，当电压比较器输出端为高电平时，对应的两个三极管均导通，相应的继电器工作，同时，对应的LED指示灯指示电源状态。

　　4 电源管理系统控制电路仿真分析

　　因为风机、光伏电源、蓄电池过电压检测电路与驱动电路工作原理类似，现只对风机电源管理及蓄电池欠电压电源管理电路进行仿真。

　　4.1 风机电源管理系统控制电路仿真

　　用1个30 V直流电叠加5 V正弦低频交流电信号代替风机三相整流器输出电压波动信号，信号电压参数设计如图4所示，对电路进行仿真，得到如图5所示仿真波形，由图可知，继电器动作前后，在249.123 s时，风机三相整流器输出电压（通道A） U _OF =30.078 V，电压比较器输出电压（通道B） U _O =10.799 V，为高电平，继电器常闭触点输出（通道C）为0 V，常开触点输出（通道D）为30.078 V，此时风机电能输送给电网；在250.877 s时，风机三相整流器输出电压U _OF =29.922 V，电压比较器输出电压U _O =1.201 V，为低电平，继电器常闭触点输出为29.922 V，常开触点输出为0 V，此时风机给蓄电池充电，仿真结果验证了此电路能准确实现友好型电源协同管理系统设计目的：当 U _OF < 30 V时，继电器常闭触点输出电压=风机输出电压，给蓄电池正常充； U _OF ≥30 V时，继电器常开触点输出电压=风机输出电压，这样既保护了主电路，又将风机过电压时的电能输送送给电网，有效利用了能源。

　　同时，为了验证风机电源控制电路处理速度和精度，仿真得到风机电源管理系统仿真数值报表，如表2所示，当时段位于250.128 s～251.046 s时，风机输出电压UOF由29.989 V下降到29.907 V，继电器动作时间为250.698 s～250.528 s=0.17 s，响应速度较快。

　　4.2 蓄电池欠电压电源管理系统控制电路仿真

　　众所周知，不管是铅酸蓄电池还是锂电池，长时间亏电会导致电池活性物质很难还原，影响电池容量和寿命，因此，无论是何种天气，都要保证电池电量充足，为了实现这一功能，在持续不好的天气，只能通过市电补充电能。电路用一个21.6 V直流电叠加4 V正弦低频交流电信号代替蓄电池电压信号，信号电压设置如图6所示。对蓄电池欠电压电源管理电路进行仿真，仿真波形如图7所示，由图可知，在83.333 s时，蓄电池电压U _E =21.6 V，继电器J 4 常开触点输出为267.014 V瞬时值，此时市电给蓄电池充电，在167.045 s时，继电器常开触点输出为0 V，断开与市电的连接，仿真结果验证了电路能准确实现友好型电源协同管理系统设计目的：当 U _E > 21.6 V时，系统自主供电，当 U _E ≤21.6 V时，蓄电池从市电获取电能，实现了友好型蓄电池电源协同管理。

　　为了验证控制电路处理速度和精度，仿真得到蓄电池欠电压电源管理系统数值报表，如表3所示，当时段位于83.230 s～83.234 s，蓄电池电压由21.622 V下降到21.621 V，继电器常开触点电压由0 V变为-304.19 V，继电器动作时间为0.001 s，处理速度较快。

　　5 结论

　　传统LED路灯控制系统一般均以孤网独立式控制为主，当遇到连续阴雨无风天气，会导致路灯不能正常工作，但大风晴天又会导致能源浪费，能源利用率低，基于这种情况，本文提出了一种友好型风/光/储LED路灯电源协同管理控制策略，在电能充足时，将剩余电能馈送给电网，在电池电能不足时，从市电获取电能，保证路灯在任何天气下都能够正常工作，通过对控制系统电路设计与仿真，充分证明了该方法的正确性与可操作性，在城市与社会主义新农村建设中具有非常大的应用价值。

　　参考文献

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　　作者简介：

　　周习祥（1979—），男，湖南安化人，副教授，硕士，研究方向：DC/ DC电源、逆变电源、分布式发电系统。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第37页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。