风光互补路灯控制系统的设计_林闽

由 开 关 管 T5、 电 感 L、 续 流 二 极 管 D3、 电 容 C1 构成一个 常 规 的 DC/DC 降 压 斩 波 电 路 （BUCK 电路），由这个电路完成系统充电的最大功率跟踪 控制。 首先，由霍尔传感器采集当前的充电电流， 经 AD 转换处理后的电流信号送给单片机； 再由 当前充电电流和当前蓄电池电压得到一个当前的 输入功率；单片机输出 PWM5 信号，改 变 T5 的 占 空比； 此时霍尔传感器可采集到一个新的充电电 流值， 单片机亦可采样得到一个新的蓄电池端电 压，计算出一个新的输入功率值，用扰动观测回探 法进行比较计算 ， 实 现 MPPT 控 制 。 这 里 ，T5 是 MPPT 充电控制 MOS 管，D3 是续流二极管， 电感 L 起到储能作用，C1 起储能、滤波作用。
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是 保 险 ，当 负 载 发 生 短 路 时 ，R 熔 烧 断 ，此 时 单 片机检测到的电压是太阳能电池或风机的开路 电压，直接用逐步刹车法把风机刹住，把太阳能 电池断开，彻底停机，并发出报警信号。 T6 是 过 载 、 短 路 、 过 放 保 护 用 的 MOS 管 ， 一 般 情 况 下 ，R 熔 不 易 烧 毁 。 T6 的 控 制 方 法 较 为 简 便 。 4 测试与工程实践
风光互补路灯系统应具有风机过载保护（即 风机最大充电电流保护）、 风机过流保护和大风 刹车保护功能。 通过计算和试验得到最大风速时 风机的电流值，在风机运行时，控制器对充电电 流采样，一旦达到最大电流设定值时，采取刹车 措施，也即采取上述的逐步刹车保护法。 3 逐步刹车保护法的工作原理
风光互补控制器系统原理如图 2 所示[3]。 风电经过一个三相整流桥 Z， 光电经过一 个 防 反 向 二 极 管 D1，同 时 给 蓄 电 池 充 电 。 在 正 常 充 电 时 ， 开 关 管 T1，T5 是 常 闭 的 ， 即 T1，T5 的 栅 极 是 高 电 平 ； 开 关 管 T2，T3，T4 是 常 开 的 ，
由 MOS 管 T1，T2，T3，T4；二极管 D1，D2 和卸 载器 1、卸载器 2 构成风光互补系统的过充、过电 流保护电路。 逐步刹车保护法的工作过程如下：当 蓄电池过充时， 单片机给 T1 的栅极输出低电平， T1 断开，太阳能 电 池 停 止 充 电 ；同 时 单 片 机 给 T2 的 栅 极 输 出 高 电 平 ，T2 闭 合 ，接 通 卸 载 器 1，风 机 边充电边给卸载器 1 供电，由于负载加大，风机的 转速有所下 降 ；延 时 t1 后 ，单 片 机 给 T3 的 栅 极 输 出高电平，接通卸载器 2，风机的转速继续下降；延 时 t2 后，单片机给 T4 的栅极输出高电平，T4 闭合， 风机输出被短路；此时由于风机转速已很低，其输 出功率很小，电流也不大，不会对 MOS 管 T4 造成 很大冲击， 风机很容易被短路刹车。 风机被刹车 后，经过延时 t3，单片机给 T1 的栅极输出高电平， 给 T2，T3，T4 的栅极输出低电平，风机和太阳能电 池又开始给蓄电池充电，延时 t4 后，蓄电池又达到 过充，又重复上述的逐步刹车保护方式；在延时时 间≤t4 时，蓄电池就达到过充，则必须经过时间 t5， 才再打开充电。
林 闽，等 风光互补路灯控制系统的设计
从图中可以看到： 以 4.2 A 小电流充电，当 达 到 过 充 时 ， 控 制 器 开 始 实 施 充 电 保 护, T2，T3 实施 PWM 充电，处于卸荷保护状态（图 4）。 从图 5 可以看到， 卸 荷 保 护 的 MOS 管 T2，T3 的 栅 极 电压处 于 高 低 电 平 交 替 状 态 ，是 PWM 充 电 工 作 模式。 图 6 中，刹车 MOS 管 T4 的栅极电压处于 低电平，开路状态。
另一种常用的保护控制方法：在控制器上接 有卸载器，在蓄电池过充时，把风机输出回路切 换到卸载器上，充电动作停止，通过卸载器消耗 风机能量。 但此类方法并不完善，从器件来看，卸 载器是发热元件，在经常有过充动作发生的情况 下会产生大量的热， 因此必须采用散热措施；卸
载器的寿命有限，一旦发生损坏，风机将失去刹 车功能，容易发生危险。 2.3 新的控制方法— ——逐步刹车保护法
继续调节柱形调压器， 同时给控制器加上 120 W 的 负 载 ， 充 电 电 流 变 大 ， 风 机 以 15 A 左 右的电流给蓄电池充电； 由于电流过大，5 s 后 风机开始刹车保护, 也即大风刹车保护 (图 7～ 10)。 从 图 7 可 见 ，刹 车 保 护 动 作 后 ，电 瓶 电 压 趋 于 稳 定 。 图 9 显 示 了 卸 荷 MOS 管 从 PWM 状 态 转 为 持 续 高 电 平 。 图 10 显 示 ， 刹 车 MOS 管 T4 的栅极电压在动作瞬间跳到高电平和短路状 态，将风机刹住。
测试步骤：调节柱形调压器，风机初始以 0.9 A 左右的电流向蓄电池充电，风机充电时电 压 幅 值 为 25.6 V； 卸 荷 驱 动 MOS 的 电 压 ， 幅 值 为 0；刹车时 MOS 的电压幅值为 0；继续调节柱 形调压器，风机以 4.2 A 左右的电流向蓄电池充 电，蓄电池进行过充保护，风机开始卸荷，其波 形如图 3～6 所示。
经过实践检 验 ，采 用 逐 步 刹 车 保 护 法 的 300 多台风光互补路灯系统一直工作正常，没有出现 过故障。 5 结论
过电流保护的刹车保护方法和过充保护一样， 都是逐步刹车保护法， 只是所采样为充电电流，当 充电电流达到 Imax 时， 开始上述的逐步刹车保护动 作，而开关控制过程和延时控制过程是一样的。
风 光 互 补 控 制 器 系 统 中 ，D2 是 防 反 向 保 护 二 极管，用于防止蓄电池短路；C2 是滤波电容；R 熔
目前，风光互补路灯应用的还较少，真正能 很好地达到经济性、可靠性和安全性的系统还不 多， 其重要的原因之一是没有一个好的控制系 统。 风光互补路灯要工作在无人值守状态，对控 制器的技术要求较高， 在满足使用功能的前提 下，还要做到控制智能化、可靠化，寿命长，稳定 性 好 [2]。
常规的光伏控制器在蓄电池充满以后，可以 启动开路保护模式， 但是对于风光互补路灯，在 蓄电池过充时，由于风机不能开路，一般都采用 电子保护方式，在过充、大风等保护时，对风机实 施电子式短路刹车。
Design of wind-PV hybrid streetlight control system
LIN Min， ZHANG Yan-hong， XIU Qiang， RE Zi-wang
0 引言 近年来， 国内外太阳能路灯系统发展得较
快，在资源条件具备的地区，风光互补路灯更具 有经济优势。
“风光互补”是指对负载在能量上的相互补 充 [1]。 采 用 风 光 互 补 路 灯 主 要 考 虑 其 经 济 性 、 可 靠 性和安全性。
本文剖析了国内外光电工程中存在的问题， 结合多年的实践经验，提出了风光互补路灯的控 制 新 方 法— ——逐 步 刹 车 保 护 法 ， 设 计 了 控 制 电
路，并经过了实践的检验。 1 系统的构成
风光互补路灯系统由风力发电机、太阳能电 池、蓄电池与控制器（或控制逆变器）和卸载器等 组成（图 1）。
2 风光互补控制方法 2.1 理想的风光互补路灯系统
风光互补路灯中所用的风力发电机不同于农 村的户用小型风力机，更不同于并网型风力机，严 格来讲， 国内目前还没有一种适合于路灯系统的 风力机。对风光互补路灯系统的风力机的要求：① 既要考虑路灯的美观，又要考虑路灯的强度。因为 灯杆不带拉筋，因此叶轮不能太大，对动静平衡的
图 2 风光互补控制器系统原理图 Fig.2 The function diagram of wind-PV hybrid controller system
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可再生能源
2011，29（6）
即 T2，T3，T4 的 栅 极 是 低 电 平 ； 开 关 管 T6 是 管 放电的，平时是断开的，其栅极是低电平，用电 时，给栅极一个高电平，开关闭合使用，给负载 R 供电。
收稿日期： 2011-03-03。 基金项目： 国家支撑计划支持项目（2008BAD96B09-03）。 作者简介： 林 闽(1968-），男，高级工程师，硕士，主要从事新能源利用技术的研究。 E-mail：linmin1968@
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林 闽，等 风光互补路灯控制系统的设计
要 求 更 高 ；② 起 动 风 速 低 ， 工 作 风 速 范 围 宽 （3～20 m/s），额定风速宜取 8～11 m/s；③刹车等制动保护 不能采取侧偏风轮等机械方式，最好是定桨距、固 定尾翼，且直对风向，如果采用变桨距，则要求变 桨准确灵活，叶轮强度大；④电机起动力矩低，输 出功率范围宽,采用适合高转速的压力轴承，电机 效率要高，最好采用永磁稀土电机；⑤回转体部分 的结构简单可靠，旋转灵活。
风光互补控制器是风光互补路灯中最关键 的设备，也是最容易出问题的环节。 风光互补控 制器，既要有足够的安全裕量，还要有较高的效 率，而且静态损耗要低。 本文针对风光互补控制 器在过充或大风保护时容易烧坏开关器件的问 题，提出了逐步刹车保护法。
在控制器上连接有两个或多个卸载器，在 蓄电池过充时，将卸载器逐步加载，使风机逐渐 减 慢 ， 再 通 过 MOSFET （ 开 关 管 ） 短 路 刹 车 ； 同 时，控制延时打开，只有在一定时间后或电压降 到 恢 复 点 时 ，再 重 新 打 开 MOS 进 行 充 电 。 这 样 的卸载是一个逐步的过程， 在转速和电流得到 控制时彻底刹住， 对风机和控制器的冲击相对 较小，卸载器工作时间短，发热少，各部件不易 损坏，安全性高。
第 29 卷 第 6 期 2011 年 12 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.29 No.6 Dec. 2011
风光互补路灯控制系统的设计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
林 闽， 张艳红， 修 强， 热孜望 （新疆维吾尔自治区新能源研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011）