偏远农村风光互补路灯控制系统设计

在偏远山区、农村由于电力缺乏，乡间道路上几乎都没有安装路灯，对居民晚间出行十分不利。风能与太阳能在发电方面的应用逐渐成熟起来，风光互补发电系统的并网使用又将其产业技术向前推进了一步。偏远山区、农村空气污染较小、建筑物遮挡较少、地势空旷，太阳能、风能较充足，因此可以充分考虑采用风光资源，安装风光互补路灯来改善居民生活环境。
1 系统方案
风光互补路灯控制系统方案框图如图1 所示:

图1 风光互补路灯控制框图
路灯控制系统过程为：控制器检测光伏电池的输出电压电流，并根据光伏阵列的输出电压、电流计算光伏阵列的输出的最大功率点，通过MPPT 算法控制DC/DC 电路，使DC/DC 输出电压始终高于蓄电池当前电压，从而提高蓄电池的充电效率。当光伏电池系统输出电压、电流不正常或出现故障时，切断光伏发电系统，对其进行故障保护。
控制器根据检测风速大小，启动风机发电系统，风机输出的三相交流电压经过不可控整流、滤波输出。控制器检测该输出电压、电流值，根据蓄电池的电压状况，为蓄电池提供合适的充电电压，当蓄电池已充满，而风机交流输出电压过高时，控制器启动卸载电路，对风机进行保护。当出现强风，超出风机风速要求时，风机自动刹车，控制器切断风机发电系统，直至风速正常。
控制器对蓄电池进行管理，通过巡测蓄电池的电压、电流、温度状况，控制蓄电池充放电，并对蓄电池进行过充、过放保护等。
2 系统控制电路
风光互补路灯控制系统电路主要分为光伏发电、风力电机发电、蓄电池管理、LED 电流控制四部分，各部分的电路及控制方法如下：
2.1 光伏发电DC/DC 变换电路
光伏发电存在的问题是光伏电池的输出特性受外界环境影响较大，电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。光伏电池在一个既定的温度和光照强度下会在一个特定的工作点达到最大输出功率，这个工作点称最大功率点（Maximum Power Point）。但是因为太阳能电池的输出特性是复杂的非线性形式,因此难以确定其数学模型,也无法用解析法求得最大功率。为了使电池充电过程始终工作在最大功率点，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking 简称MPPT)技术应运而生。即在光伏电池和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节，它既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电，其目的是使太阳能电池板在环境发生变化时仍然能迅速调整它的工作点保持在最大功率点。具有最大功率跟踪功能的系统设计主电路如图2 所示：

图2 MPPT 控制器主电路
电路原理：控制器通过检测主回路电压、电流，计算出太阳能电池的输出功率，并根据采样的电压、电流值结合MPPT 算法输出一个脉宽调制信号，通过改变MOSFET 的开关的占空比，达到CUK 电路的升降压控制，从而达到了最大功率输出，保证给蓄电池稳定地充电。
2.2 风力发电AC/DC 电路
风力发电机功率的选择要根据风速而定，当风速仪接收到风速信号时，便发出脉冲信号送给控制器。风力发电机根据风速状况产生不稳定的三相交流电压，该电压为蓄电池或负载供电时需要设计专门的转换电路，一方面把调整后的能量送往直流负载，另一方面把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电。转换电路如图3 所示：

图3 风力发电系统主电路
电路原理：风力电机的三相输出U、V、W 接三相整流电路输入端，三相整流电路采用不可控整流，再通过BUCK 电路将整流输出的直流电压转换为蓄电池充电所需要的直流充电电压。通过控制MOSFET（Q1）的导通时间，从而调节充电电流，这样防止蓄电池因大电流充电而缩短寿命。
2.3 蓄电池管理
铅酸蓄电池只能工作在一定电压范围内。以12V 铅酸蓄电池为例，工作电压为10.8～14.7V，控制器实时监测蓄电池的电压，当蓄电池电压低于或高于正常工作电压范围时进行欠压或过压保护。
为了延长风光互补控制系统寿命，必须对蓄电池的充电进行严格控制，可以根据蓄电池的状态按照涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段对蓄电池合理充电［6］，四个阶段充电曲线如图4 所示。

图4 蓄电池充电曲线
实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压（13.8V）相差5％时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。因此蓄电池应严格按照四个阶段进行充电，采用适当的浮充电压，免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。
2.4 LED 电流控制
大功率LED 路灯（如24V/80W）是由1W 及以上的高亮度LED 按一定的拓扑连接而组成的光源，LED 路灯的发光强度是和流过的电流成正比。由于LED 的电流、电压参数具有典型的PN 结伏安特性，其正向压降的微小变化会引起较大的正向电流变化。不稳定的工作电流会影响LED 的寿命和光衰，所以大功率LED 的驱动电路必须提供恒定的电流。其控制电路可采用DC /DC 升压驱动电路（Boost 电路），如图5 所示。

图5 LED 电流控制电路
电感L1、功率MOSFET Q1 和D1 构成升压型DC/DC 变换器，控制器通过控制Q1 的PWM 占空比获得一个稳定的输出电压，通过控制Q2 的PWM 的占空比获得一个稳定的负载电流，并通过R2 提供LED 照明驱动电路的电流反馈采样，从而实现LED的恒流控制。
3 结束语
风光互补路灯系统是一套独立供电系统，不受发、输、供电条件的影响，也不需要开挖路面做埋管工程，现场施工和安装都很方便。近年来随着农村道路基础建设的快速发展，道路亮化成为了现在新农村建设的主要工程，面对近年LED 节能灯在实际生活中的广泛应用，在农村道路照明中风光互补LED 路灯逐渐成为了新农村路灯安装的一种新趋势。