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电力电子技术在风光互补路灯系统中的应用

2021-08-05 277 上传者：管理员

摘要：本文主要研究风光互补发电技术在路灯照明中的应用。首先分析了传统路灯照明系统的现状及弊端，介绍了风光互补照明系统的现状及发展趋势，接着分析了风光互补照明系统的各个构成部分，并对各个部分的工作原理与特性做了详细的分析与探讨。

关键词：
升压电路
新能源
电力电子技术
路灯监控
风光互补路灯
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目前，针对传统路灯照明的弊端，国内的研发机构及照明企业提出了风光互补照明系统，这是一种离网式的供电模式，采用独立的供电系统，通过有效的利用风能和太阳能在能量及时间上的互补性，通过两者各自的发电装置，共同向蓄电池充电储能，供给光源使用。风光互补照明系统避开了传统路灯系统长途供电的弊端，很大程度上解决了偏远地区的夜间道路照明问题。

尽管风光互补路灯初投资较高，但是不需要输电线路，也不需要开挖路面做埋管工程，不消耗电能，从长远来看，该系统有明显的经济效益。风光互补路灯利用自然环境中的风能及太阳能发电，不消耗电网电能，无有害气体的排放，清洁干净，环境效益良好。现对风光互补路灯系统进行分析。

1、风光互补路灯系统的组成及工作原理

风光互补路灯系统主要由太阳能光伏阵列、小型风力发电机、蓄电池组、灯架、整流器、控制器和直流负载(光源)组成。控制器电路由充电电路、放电电路和控制电路3部分组成，风光互补路灯系统的组成如图1所示。

白天时，太阳能光伏阵列与小型风力发电机同时工作，分别将太阳能和风能转化为电能；夜晚时，小型风力发电机单独工作，通过风机完成风能—机械能—电能等转换，由于风力发电机产生的为三相交流电，而控制器和蓄电池充电所需为直流电，故在小型风力发电机和智能控制器间加装AC/DC整流器，完成三相交流电—直流电的转换；蓄电池可以把转换后的直流电能储存起来，为系统运行和负载的正常工作提供稳定的电能；最终直流负载(光源)作为系统输出设备，实现照明功能。

智能控制器作为风光互补发电系统的核心，其主要作用是完成系统的能量管理和控制。智能控制器通过对送入其中的太阳能电池、风机整流后输出电压的检测、模数转换处理并与设定标准值进行比较，当光照强度较弱或风速较小导致太阳能电池板和风机的整流输出电压达不到蓄电池的充电电压时，控制器自动开启智能DC/DC转换电路，实现升压以满足对蓄电池顺利充电的目的；控制器在整个充电过程中采用模糊控制策略实现最大功率点跟踪，提高太阳能和风能的利用效率。通过对蓄电池电压以及充放电电池的实时检测，当蓄电池进入浮充阶段或风速过大时，控制器通过PWM整流对风机实行点刹以防止蓄电池过充；当蓄电池电量不足时，蓄电池通过强行关闭路灯负载以避免蓄电池过放，延长蓄电池的使用寿命。控制器与上位机实现串口通信，通过人机交互界面实现对该控制系统实时工作状态的了解。

2、电力电子技术在风光互补路灯系统中的应用

风光互补路灯系统中采用电力电子技术将太阳能电池及小型风力发电机产生的电能变换为蓄电池能够顺利充电的12V/24V电能，再对直流负载(光源)供电，使用电设备在其最佳的供电电源下工作，获得最大的技术经济效益。

2.1 DC/DC变换器

为最大化利用风能和太阳能，就必须将能量值相对较小的风能和太阳能合理利用起来，故风光互补路灯系统在设计时采用DC/DC升压电路，通过改变电路的工作状态，进而实现对能量的控制。

2.1.1 直流斩波电路

光伏充电控制器的主电路采用如图2所示的直流斩波电路。在图2所示的直流斩波电路中，输入电容C的作用是储能和调节光伏板的输出电压，当开关管一直断开时，光伏板向电容充电，直到电容电压达到光伏板的开路电压时充电电流为零，此时电容电压不再上升；当开关管一直导通时，电容向蓄电池放电，直到电容电压降到蓄电池的端电压时，电容电压不再下降，光伏电池直接向蓄电池进行充电。

这种电路与降压电路、升降压电路相比省去了功率电感，因为光伏电池输出电压高于蓄电池组，充电控制器不需要升压就能充电，同时可以避免开关变换器的因电感线圈的铜损造成效率下降。

2.1.2 直流升压-降压变换器

风能充电控制器的主电路采用如图3所示的直流升压-降压电路(Buck-Boost变换电路)。

Buck-Boost变换器通过调节开关管占空比的大小可以使变换器的输出电压高于或低于输入电压，输出极性被反置。随着开关管的开与闭，充电器主电路在两种不同的工作状态切换。如图3所示，在状态1期间，开关管闭合，二极管被反相偏置，输入电容电压经过开关管加在电感两端，为电感充电，电感电流开始上升，同时输入电容电压下降；在状态2期间，开关管断开，电感以与蓄电池组电压相同大小的电压向蓄电池组充电，同时电感电流以一定斜率开始下降，电感中的能量向蓄电池转移，而输入电容电压在整流输出电压的充电下电压逐渐上升。

风力充电控制器的主电路不采用与光伏充电控制器相同的直流斩波电路的原因有二：一是风力充电控制器电路中有电感和电容两个储能装置，与直流斩波电路相比具有更大的能量处理能力。二是直流斩波电路时降压电路，当整流电压低于蓄电池组电压时就不能进行充电，会出现在微风条件下无法发电的情况。而Buck-Boost变换电路既可升压，也可降压，在整流电压低于蓄电池组电压时，使变换器工作在升压状态，在整流电压高于蓄电池组电压时,使变换器工作在降压状态，这样既有利于微风发电，又可以提高强风条件下的风能利用率。

2.2 AC/DC变换器

由于风力发电机输出为三相交流电，而智能控制器所需为直流电，因此需增加将风力发电机输出的交流电转化为直流点的AC/DC整流电路。其整流电路如图4所示。

3、结论

在整个社会都大力推广清洁能源利用的背景下，风光互补路灯系统以风能和太阳能互补的形式改善了单一资源供能不稳定的缺陷，提高了储能系统的可靠性，其相比传统路灯系统具有环保、投资低、运行安全、效率高的优点，但也还存在着太阳能利用效率低，蓄电池储能效率受环境影响波动较大等问题。但随着电力电子技术以及控制技术的不断发展、进步和完善，相信这些问题都会得到解决，风光互补发电技术将不仅限于道路照明系统的应用，其必能在人们的生产实践中发挥更大的作用。

参考文献:

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文章来源：罗杰.风光互补路灯系统以及电力电子技术在其中的应用[J].电子测试,2021(15):115-116.