CN101977465B - 离网型风光互补路灯*** - Google Patents

Abstract

一种电力电子控制技术领域的离网型风光互补路灯***，包括：蓄电池、三相交流永磁风力发电机、太阳能电池板、直流LED路灯和控制器，蓄电池的正极和负极分别与控制器的电池输出端相连接，三相交流永磁风力发电机的三相输出与控制器的三相电压输出端相连，太阳能电池板的直流输出端与控制器的直流输入端相连，两盏直流LED路灯分别与控制器的负载端相连接。本发明具有效率高、安全运行的特点的同时具有继电保护功能。

Description

离网型风光互补路灯***

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子控制技术领域的装置及控制方法，具体是一种离网型风光互补路灯***。

背景技术

人类节能与环保意识的不断增强加速了社会向节能型社会转变。这一转变促进了清洁能源的利用和发展，并推动了清洁能源在路灯方面的应用。

采用风光互补的方式为路灯提供电能是一种很有发展前景的技术。风能和太阳能都是绿色环保、可再生的能源，而且有很强的互补性。风光互补发电可以弥补两者间歇性强，经济性、可靠性差等不足，实现不间断供电，从而减少蓄电池的用量，提高***的经济性和运行的可靠性。所以，风光互补发电***性价比高于单纯使用其中一种能源，适用于功率小，数量多的路灯***。

目前已有的离网型路灯控制***存在效率不高、安全运行性能差等不足。为了保证照明时间，这种路灯就需要增大蓄电池的容量，以及增加配置的风电机组、光伏电池等的容量。

经过对现有技术的文献检索发现，何朝阳等人在《电子技术》(2006年第12期，第70-73页)上发表了题为“太阳能路灯控制器的设计”的文章，该文设计了一种能指示蓄电池过压、欠压等运行状态，具有两路负载输出的太阳能路灯控制器，同时对负载过流、短路有保护功能。

但是该现有技术的电源来源只有一种，即太阳能电池板。一旦太阳能电池板发生故障就无法长久供电，因此，供电可靠性并不高；另一方面，太阳能有很大的间歇性和周期性，到了晚上就无法为蓄电池充电，这样就要增大蓄电池容量和太阳能电池板的输出功率来保证夜间的不间断供电，***的经济性不高；此外，单纯使用太阳能供电限制了产品的适用范围，不适合用于风力资源较丰富但太阳能资源不够丰富的地区。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种离网型风光互补路灯***，具有效率高、安全运行的特点的同时具有继电保护功能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：蓄电池、三相交流永磁风力发电机、太阳能电池板、直流LED路灯和控制器，其中：蓄电池的正极和负极分别与控制器的电池输出端相连接，三相交流永磁风力发电机的三相输出与控制器的三相电压输出端相连，太阳能电池板的直流输出端与控制器的直流输入端相连，两盏直流LED路灯分别与控制器的负载端相连接。

所述的控制器包括：整流模块、测量模块、保护模块和单片机控制模块，其中：测量模块和单片机控制模块的作为输入的I/O口连接并传输由电压、电流、温度、转速等物理量转换成的0～3V电压信号，保护模块和单片机控制模块的作为输出的I/O口相连并传输控制信号。

所述的整流模块为三相不可控整流桥，它将风力发电机产生的三相交流电整流为直流电，为蓄电池充电。

所述的测量模块内置电压测量单元、电流测量单元、温度测量单元和风机转速测量单元，上述测量单元分别与单片机控制模块相连接并传输状态信息。

所述的电压测量单元包括蓄电池电压测量和太阳能电池板电压测量。

两者都采用电阻分压，将蓄电池和太阳能电池板的最大电压按比例缩小到单片机AD输入口的额定电压，必要时可以在单片机输入口和地之间加上电容和稳压管。

所述的电流测量单元用来测量流过路灯的电流，该电流测量单元通过串接于路灯供电回路中的微型电阻及与之相连的电流表得以实现，该微型电阻的阻值为单片机控制模块的输入口额定电压值除以直流LED路灯的允许最大电流，所述的额定电压值即为流过直流LED路灯的电流在电阻上的压降。

所述的温度测量单元为热敏电阻和常值电阻分压式结构。

所述的风机转速测量单元采用非线性光耦，其输入为风机三相交流电输出的任意两相。

所述的保护模块包括：太阳能电池板反向充电保护单元、蓄电池反接保护单元、风机过速刹车保护单元、蓄电池过压保护单元和防雷保护单元，其中：风机过速刹车保护单元、蓄电池过压保护单元各自与单片机控制模块的一个作为输出的I/O口连接，由单片机传输控制信息。保护单元之间互相独立，相互之间没有直接连接且没有信号交流。

所述的太阳能电池板反向充电保护单元具体是一个串联于太阳能电池正极与蓄电池正极之间的功率二极管，该功率二极管的允许电流方向为太阳能电池正极流向蓄电池正极方向。当天黑时，光伏电池端压会低于蓄电池端压，功率二极管会阻止电流返流。

所述的蓄电池反接保护单元具体通过串联于蓄电池充电回路中的保险丝得以实现，该保险丝的熔断电流值小于蓄电池最大允许充电电流和三相不可控整流桥最大电流中的最小值。当蓄电池反接时，由于蓄电池端压必然大于三相不可控整流桥的导通电压，所以整流桥会导通，引起蓄电池短路，加装保险丝可以及时切断电路。

所述的风机过速刹车保护单元具体是一个双开闭继电器。

所述的蓄电池过压保护单元具体是一个单开闭继电器。

所述的防雷保护单元由六个压敏电阻组成，所述压敏电阻中三个分别连接于风机三相输出和地之间、一个连接于太阳能电池正极与地之间、两个分别连接于直流LED路灯正极与地之间。

所述的单片机控制模块由Atmega48单片机、5V直流电源和驱动电路组成。该单片机控制模块采用宽压输入非隔离稳压输出的DC-DC模块，将蓄电池端电压转换成5V电压，为单片机和驱动电路供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.使用了风能和太阳能两种能源。两种能源互补性强，一天中给蓄电池有效充电的时间明显增长。实验证明：如果单纯使用太阳能电池板，11月份晴天一天有效供电时间约为11小时，但是采用风光互补供电，11月相同天气下最好情况全天都能有效充电，一般情况为一天有效供电时间20小时。而且，对环境的适应度增强，在阳光不足但有风的阴天或是风速很低的晴天都能保证给蓄电池充电。

2.使用了双路灯，根据不同的时间段采取双灯开和单灯开两种工作模式，有效地减少了行人稀少的下半夜电能浪费的现象，同时，又保证了必要的照明量度，使得路灯***可以使用更小容量的蓄电池，减少了初次投资费用。假设路灯100W，每天从晚7点开到第二天早5点(10小时)，若采用双灯全开，一晚消耗电能2千瓦时，若开灯4小时后(11点后)只开一只灯，一晚消耗电能1.6千瓦时，节省的0.4千瓦时相当于一块150W的太阳能电池满发近3小时的电能。

3.本***在硬件上对每个器件都加有保护模块，包括：防止光伏电池反向充电保护，蓄电池反接保护，风机过速刹车保护，蓄电池过电压保护，防雷保护，延长了路灯***的使用寿命。

4.在控制方法上，在过压和欠压临界点引入滞环，连续N次测得过压才动作，以及开灯允许标志位k的引入都有效得增加了***的容错能力和工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是控制器结构示意图。

图3为实施例工作示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：蓄电池1、三相交流永磁风力发电机2、太阳能电池板3、直流LED路灯4和控制器5，其中：蓄电池1的正极和负极分别与控制器5的电池输出端相连接，三相交流永磁风力发电机2的三相输出与控制器5的三相电压输出端相连，太阳能电池板3的直流输出端与控制器5的直流输入端相连，两盏直流LED路灯4分别与控制器5的负载端相连接。

如图2所示，所述的控制器5包括：整流模块6、测量模块7、保护模块8和单片机控制模块9，其中：其中：测量模块7和单片机控制模块9的作为输入的I/O口连接并传输由电压、电流、温度、转速等物理量转换成的0～3V电压信号，保护模块8和单片机控制模块9的作为输出的I/O口相连并传输控制信号。

所述的整流模块6为三相不可控整流桥，它将风力发电机2产生的三相交流电整流为直流电，为蓄电池1充电。

所述的测量模块7内置电压测量单元10、电流测量单元11、温度测量单元12和风机转速测量单元13，上述测量单元分别与单片机控制模块9相连接并传输测量状态信息。

所述的电压测量单元10包括蓄电池1电压测量和太阳能电池板3电压测量。

两者都采用电阻分压，将蓄电池1和太阳能电池板3的最大电压按比例缩小到单片机AD输入口的额定电压，必要时可以在单片机输入口和地之间加上电容和稳压管。

所述的电流测量单元11用来测量流过路灯的电流，该电流测量单元11通过串接于路灯供电回路中的微型电阻及与之相连的电流表得以实现，该微型电阻的阻值为单片机控制模块9的输入口额定电压值除以直流LED路灯4的允许最大电流，输入单片机控制模块9的信号就是流过直流LED路灯4的电流在电阻上的压降。

所述的温度测量单元12为热敏电阻和常值电阻分压式结构。

所述的风机转速测量单元13采用非线性光耦，其输入为风机三相交流电输出的任意两相。

所述的保护模块8包括：太阳能电池板反向充电保护单元14、蓄电池反接保护单元15、风机过速刹车保护单元16、蓄电池过压保护单元17和防雷保护单元18，其中：风机过速刹车保护单元16、蓄电池过压保护单元17各自与单片机控制模块9的一个作为输出的I/O口连接，由单片机控制模块9传输控制信息。保护单元之间互相独立，相互之间没有直接连接且没有信号交流。

所述的太阳能电池板3反向充电保护单元具体是一个串联于太阳能电池正极与蓄电池1正极之间的功率二极管，该功率二极管的允许电流方向为太阳能电池正极流向蓄电池1正极方向。当天黑时，光伏电池端压会低于蓄电池1端压，功率二极管会阻止电流返流。

所述的蓄电池1反接保护单元具体通过串联于蓄电池1充电回路中的保险丝得以实现，该保险丝的熔断电流值小于蓄电池1最大允许充电电流和三相不可控整流桥最大电流中的最小值。当蓄电池1反接时，由于蓄电池1端压必然大于三相不可控整流桥的导通电压，所以整流桥会导通，引起蓄电池1短路，加装保险丝可以及时切断电路。

所述的风机过速刹车保护单元具体是一个双开闭继电器。

所述的蓄电池1过压保护单元具体是一个单开闭继电器。

所述的防雷保护单元由六个压敏电阻组成，所述压敏电阻中三个分别连接于风机三相输出和地之间、一个连接于太阳能电池正极与地之间、两个分别连接于直流LED路灯4正极与地之间。

所述的单片机控制模块9由Atmega48单片机、5V直流电源和驱动电路组成。该单片机控制模块9采用宽压输入非隔离稳压输出的DC-DC模块，将蓄电池1端电压转换成5V电压，为单片机和驱动电路供电。

具体参数如下：

电压匹配：

(1)蓄电池1电压等级：24V(控制器5工作电压6.5V--32V，若电压等级为24V蓄电池1正常可充放电电压18V--28V)；

(2)太阳能光伏电池空载电压：＞28V；

(3)风机额定电压：交流有效值＞24V；

(4)直流路灯：24V 100W，

(5)保险丝：10A

能量匹配：

(1)蓄电池1：150Ah(3天)、200Ah(5天)

(2)光伏电池：28V～29V，150W(配150Ah电池)，200W(配200Ah电池)

(3)风机：DC24V，400W，额定转速900转/分，4对极

(4)LED路灯4：DC24V，100W

控制器5参数设定

(1)蓄电池1过压：28V

(2)蓄电池1欠压：18V

(3)风机转速：＞1125转/分停机(定为风机额定转速的125％)

(4)负载电流：＞8A关灯(100W为例，8A为流经两个路灯负载的电流之和)。

如图3a和图3b所示，本实施例通过以下方式进行工作：

(一)蓄电池电压控制(过压/欠压保护)

第一步，采样蓄电池两端电压。

第二步，如果蓄电池端压大于“过压+增量”，执行第三步；如果蓄电池端压在“欠压”设定值和“过压+增量”设定值之间，执行第四步；如果蓄电池端压低于“欠压”设定值，执行第五步。

第三步，判断是否已经连续N次采样都大于“过压+增量”。若是，从充电回路断开蓄电池，同时阻转风机(将风机三相短接)，过压指示灯亮；若否，则N计数加1，跳出。

第四步，连上蓄电池，不解除对风机的阻转，灭欠压指示灯，跳出。

第五步，连上蓄电池，欠压指示灯亮。

(二)路灯开关控制

第一步，采样蓄电池端压，太阳能电池端压，流过路灯电流

第二步，开灯允许标志位k是否保持k＝＝1状态达到5分钟，若是，将k赋值为0。

第三步，如果蓄电池端压大于“欠压”设定值，且太阳能电池端压小于“天黑电压”，例如光伏电池在黄昏时光强下的电压输出，且流过路灯的电流小于“过流”设定值，开灯允许标志位k＝＝0时，则执行第四步，否则，执行第五步。

第四步，如果没有连续四小时太阳能电池端压小于“天黑电压”，则两个LED直流路灯都开；如果已经连续四小时太阳能电池端压小于“天黑电压”，则只开一盏路灯，跳出。

第五步，关闭两个路灯。同时判断路灯电流有否过流。如果是，则将k赋值为1。

(三)风机过速刹车控制

风机过速刹车的基本思路是：每一周期(例如10秒)检查一次风机有无过速，即光耦输出脉冲计数是否超过允许值，一旦过速，立刻阻转风机。风机阻转一段时间后(例如5分钟)无条件解除对于风机的阻转，除了这一种情况外，皆不允许解除风机阻转，即使风机不再过速。注意：不能简单设置风机不过速就解除阻转。这样会造成大风时风机频繁阻转-解除阻转，达不到过速保护的目的。

第一步，每一周期(例如10秒)采样风机转速，执行第二步。

第二步，如果风机转速超过设定值，阻转风机并亮起过速指示灯，执行步骤三；如果风机转速没有超过设定值，跳出。

第三步，如果风机阻转持续了设定时间(例如5分钟)，解除风机阻转，跳出；如果持续时间未到设定时间(5分钟)，执行第三步。

Claims (2)

1.一种离网型风光互补路灯***，包括：蓄电池、三相交流永磁风力发电机、太阳能电池板、直流LED路灯和控制器，其中：蓄电池的正极和负极分别与控制器的电池输出端相连接，三相交流永磁风力发电机的三相输出与控制器的三相电压输出端相连，太阳能电池板的直流输出端与控制器的直流输入端相连，两盏直流LED路灯分别与控制器的负载端相连接，其特征在于：

所述的控制器包括：整流模块、测量模块、保护模块和单片机控制模块，其中：测量模块和单片机控制模块的作为输入的I/O口连接并传输由电压、电流、温度及转速物理量转换成的0～3V电压信号，保护模块和单片机控制模块的作为输出的I/O口相连并传输控制信号；

所述的测量模块内置电压测量单元、电流测量单元、温度测量单元和风机转速测量单元，上述测量单元分别与单片机控制模块相连接并传输状态信息；

所述的电压测量单元包括蓄电池电压测量和太阳能电池板电压测量，该电压测量单元采用电阻分压方式将蓄电池和太阳能电池板的最大电压按比例缩小到单片机AD输入口的额定电压；

所述的电流测量单元通过串接于路灯供电回路中的微型电阻及与之相连的电流表得以实现，该微型电阻的阻值为单片机控制模块的输入口额定电压值除以直流LED路灯的允许最大电流，所述的额定电压值即为流过直流LED路灯的电流在电阻上的压降；

所述的温度测量单元为热敏电阻和常值电阻分压式结构；

所述的风机转速测量单元采用非线性光耦，其输入为风机三相交流电输出的任意两相；

所述的保护模块包括：太阳能电池板反向充电保护单元、蓄电池反接保护单元、风机过速刹车保护单元、蓄电池过压保护单元和防雷保护单元，其中：风机过速刹车保护单元、蓄电池过压保护单元各自与单片机控制模块的一个作为输出的I/O口连接，由单片机传输控制信息，保护单元之间互相独立，相互之间没有直接连接且没有信号交流；

所述的太阳能电池板反向充电保护单元由一个串联于太阳能电池正极与蓄电池正极之间的功率二极管组成，该功率二极管的允许电流方向为太阳能电池正极流向蓄电池正极方向；

所述的防雷保护单元由六个压敏电阻组成，所述压敏电阻中三个分别连接于风机三相输出和地之间、一个连接于太阳能电池正极与地之间、两个分别连接于直流LED路灯正极与地之间。

2.根据权利要求1所述的离网型风光互补路灯***，其特征是，所述的整流模块为三相不可控整流桥。

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