偏遠農村風光互補路燈控制系統設計

在偏遠山區、農村由于電力缺乏，鄉間道路上幾乎都沒有安裝路燈，對居民晚間出行十分不利。風能與太陽能在發電方面的應用逐漸成熟起來，風光互補發電系統的并網使用又將其產業技術向前推進了一步。偏遠山區、農村空氣污染較小、建筑物遮擋較少、地勢空曠，太陽能、風能較充足，因此可以充分考慮采用風光資源，安裝風光互補路燈來改善居民生活環境。
1 系統方案
風光互補路燈控制系統方案框圖如圖1 所示:

圖1 風光互補路燈控制框圖
路燈控制系統過程為：控制器檢測光伏電池的輸出電壓電流，并根據光伏陣列的輸出電壓、電流計算光伏陣列的輸出的最大功率點，通過MPPT 算法控制DC/DC 電路，使DC/DC 輸出電壓始終高于蓄電池當前電壓，從而提高蓄電池的充電效率。當光伏電池系統輸出電壓、電流不正常或出現故障時，切斷光伏發電系統，對其進行故障保護。
控制器根據檢測風速大小，啟動風機發電系統，風機輸出的三相交流電壓經過不可控整流、濾波輸出。控制器檢測該輸出電壓、電流值，根據蓄電池的電壓狀況，為蓄電池提供合適的充電電壓，當蓄電池已充滿，而風機交流輸出電壓過高時，控制器啟動卸載電路，對風機進行保護。當出現強風，超出風機風速要求時，風機自動剎車，控制器切斷風機發電系統，直至風速正常。
控制器對蓄電池進行管理，通過巡測蓄電池的電壓、電流、溫度狀況，控制蓄電池充放電，并對蓄電池進行過充、過放保護等。
2 系統控制電路
風光互補路燈控制系統電路主要分為光伏發電、風力電機發電、蓄電池管理、LED 電流控制四部分，各部分的電路及控制方法如下：
2.1 光伏發電DC/DC 變換電路
光伏發電存在的問題是光伏電池的輸出特性受外界環境影響較大，電池表面溫度和日照強度的變化都可以導致輸出特性發生較大的變化。光伏電池在一個既定的溫度和光照強度下會在一個特定的工作點達到最大輸出功率，這個工作點稱最大功率點（Maximum Power Point）。但是因為太陽能電池的輸出特性是復雜的非線性形式,因此難以確定其數學模型,也無法用解析法求得最大功率。為了使電池充電過程始終工作在最大功率點，最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking 簡稱MPPT)技術應運而生。即在光伏電池和蓄電池之間加入最大功率跟蹤環節，它既可以跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，又可以輸出穩定的電壓對蓄電池進行充電，其目的是使太陽能電池板在環境發生變化時仍然能迅速調整它的工作點保持在最大功率點。具有最大功率跟蹤功能的系統設計主電路如圖2 所示：

圖2 MPPT 控制器主電路
電路原理：控制器通過檢測主回路電壓、電流，計算出太陽能電池的輸出功率，并根據采樣的電壓、電流值結合MPPT 算法輸出一個脈寬調制信號，通過改變MOSFET 的開關的占空比，達到CUK 電路的升降壓控制，從而達到了最大功率輸出，保證給蓄電池穩定地充電。
2.2 風力發電AC/DC 電路
風力發電機功率的選擇要根據風速而定，當風速儀接收到風速信號時，便發出脈沖信號送給控制器。風力發電機根據風速狀況產生不穩定的三相交流電壓，該電壓為蓄電池或負載供電時需要設計專門的轉換電路，一方面把調整后的能量送往直流負載，另一方面把多余的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電。轉換電路如圖3 所示：

圖3 風力發電系統主電路
電路原理：風力電機的三相輸出U、V、W 接三相整流電路輸入端，三相整流電路采用不可控整流，再通過BUCK 電路將整流輸出的直流電壓轉換為蓄電池充電所需要的直流充電電壓。通過控制MOSFET（Q1）的導通時間，從而調節充電電流，這樣防止蓄電池因大電流充電而縮短壽命。
2.3 蓄電池管理
鉛酸蓄電池只能工作在一定電壓范圍內。以12V 鉛酸蓄電池為例，工作電壓為10.8～14.7V，控制器實時監測蓄電池的電壓，當蓄電池電壓低于或高于正常工作電壓范圍時進行欠壓或過壓保護。
為了延長風光互補控制系統壽命，必須對蓄電池的充電進行嚴格控制，可以根據蓄電池的狀態按照涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段對蓄電池合理充電［6］，四個階段充電曲線如圖4 所示。

圖4 蓄電池充電曲線
實踐證明，實際的浮充電壓與規定的浮充電壓（13.8V）相差5％時，免維護蓄電池的壽命將縮短一半。因此蓄電池應嚴格按照四個階段進行充電，采用適當的浮充電壓，免維護鉛酸蓄電池的浮充壽命可達10年以上。
2.4 LED 電流控制
大功率LED 路燈（如24V/80W）是由1W 及以上的高亮度LED 按一定的拓撲連接而組成的光源，LED 路燈的發光強度是和流過的電流成正比。由于LED 的電流、電壓參數具有典型的PN 結伏安特性，其正向壓降的微小變化會引起較大的正向電流變化。不穩定的工作電流會影響LED 的壽命和光衰，所以大功率LED 的驅動電路必須提供恒定的電流。其控制電路可采用DC /DC 升壓驅動電路（Boost 電路），如圖5 所示。

圖5 LED 電流控制電路
電感L1、功率MOSFET Q1 和D1 構成升壓型DC/DC 變換器，控制器通過控制Q1 的PWM 占空比獲得一個穩定的輸出電壓，通過控制Q2 的PWM 的占空比獲得一個穩定的負載電流，并通過R2 提供LED 照明驅動電路的電流反饋采樣，從而實現LED的恒流控制。
3 結束語
風光互補路燈系統是一套獨立供電系統，不受發、輸、供電條件的影響，也不需要開挖路面做埋管工程，現場施工和安裝都很方便。近年來隨著農村道路基礎建設的快速發展，道路亮化成為了現在新農村建設的主要工程，面對近年LED 節能燈在實際生活中的廣泛應用，在農村道路照明中風光互補LED 路燈逐漸成為了新農村路燈安裝的一種新趨勢。