CN102523662A - 一种基于风光互补的公路隧道分布式照明*** - Google Patents

Abstract

一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，包括有设置在每个隧道口的独立的小型风光互补发电***及监控中心，监控中心主要是将小型风光互补发电***通过无线网络连接起来进行集中监控，采用单向并网模块无需三相并网，只有在风光互补发电及蓄电池供电不足时采用电网供电，这样可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，有效减小了***成本，降低电能消耗，具有减少维护成本、节能、经济和环保的特点。

Description

一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***

技术领域

本发明涉及一种隧道照明***，具体涉及一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***。

背景技术

随着我国公路交通的迅速发展,特别是高速公路的发展,公路隧道也日趋增多,为了保障行车安全,根据国家标准,长度超过100 m的公路隧道都必须安装照明***。目前公路隧道照明***面临的问题主要有两方面。一方面是节能，公路隧道照明费用是一笔巨大的开支，对于能源短缺也是一个巨大的考验。另一方面是可靠性，由于国内对用电量的需求急速膨胀，对电网供电***的安全与稳定性带来很大威胁。

此外对于一些环境特别偏僻独立隧道，采用电网供电成本太高。

而目前广泛应用于隧道照明的供电***还是通过电网供电，这样供电一方面不利于环保节能，另一方面由于电网可靠性较差，因此带来的控制难度大，维修过程复杂，故障波及范围大，而且无法达到供电全局最优。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，全面利用风能，太阳能很好的互补特点，采用分布式供电***提供隧道照明，具有可靠性高和供电稳定，便于管理和维护的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，包括有设置在每个隧道口的独立的小型风光互补发电***及监控中心，监控中心主要是将小型风光互补发电***通过无线网络连接起来进行集中监控，监控中心与维修站通过Internet网络连接，当出现故障时可以发送到维修站实现及时检修。

所述的独立的小型风光互补发电***包括有主控制器，风电模块，光伏模块，储能模块，隧道照明控制器与单向并网模块组成，风电模块、光伏模块、储能模块及单向并网模块的输出端均为直流，其输出端都并联到直流母线上，直流母线连接隧道照明控制器，为LED照明供电；主控制器对电压电流数据采集分析后，驱动功率开关管控制风电模块、光伏模块、储能模块及单向并网模块的供电回路的开通与关断，主控制器通过串口通讯模块与小型风光互补发电***进行通讯。

所述的光伏模块由光伏电池组和DC/DC变换器组成，光伏电池组与DC/DC变换器的输入端相连，DC/DC变换器的输出端接入直流母线，为LED照明灯供电。通过PWM控制DC/DC变换器的控制端实现功率变换与调节，为LED照明平稳供电。

所述的风电模块由风力发电机、整流装置，DC/DC转换器组成，即小型风力发电***。风力发电机输出为三相交流电，将其三相端子a、b、c分别与整流装置相连，将风能转化为直流电能，其直流输出端与DC/DC转换器输入端相连，DC/DC转换器的输出端与直流母线并联，为LED照明灯供电；光伏阵列与DC/DC变换器的输入端相连，DC/DC变换器的输出端接入直流母线，为LED照明灯供电；蓄电池与直流DC母线相连；通过PWM控制DC/DC转换器的控制端实现功率变换与调节，为LED照明平稳供电。

所述的主控制器是整个发电***中的核心，采用DSP2000系列芯片TMS320F2812，通过其2×8路A/D转换通过连接电流电压传感器实现对太阳电池的输出电流电压，风力发电的输出电流，蓄电池电流及直流母线电流的信息采集，主控制器的通用IO口即GPIOA口是一个16位的IO口，其中GPIOA6，GPIOA7用于PWM发生器引脚，因此剩余14个IO引脚可连接驱动14个功率开关管，开关管分别串联到风电模块，光伏模块，储能模块及单向并网模块这4个供电模块的供电回路，通过控制功率开关管开通或关断相应的供电回路，来达到稳定负载供电的目的。

所述的主控制器内的PWM发生器采用定时器T1PWM发生器与T2PWM发生器，其输出引脚为GPIOA6、GPIOA7，输出引脚GPIOA6通过DC/DC转换器的控制端与风电模块相连，输出引脚GPIOA7通过DC/DC变换器的控制端与光伏模块相连。

将主控制器的16位通用IO口B即GPIOB和4位通用IO口D即IOPD连接LCD液晶显示LCD12864，完成其工作状态（风力供电、光伏供电或电网供电）、电池信息，等的显示，方便进行故障检修。主控制器的RS232串口通过RS232转GPRS模块与监控中心相连实现分布式风光互补照明***与监控中心的无线通讯。

所述的隧道照明控制器采用80C51作为微控制器，将其通用IO口P0和P1口与A/D芯片相连，通过A/D转化器采集光亮传感器的输出电压，然后微控制器通过串口与PLC相连，根据检测到的环境光亮度，微控制器通过PLC的IO点控制各照明回路的开启和关闭，实现隧道内的柔性照明。

所述的储能模块是指蓄电池，将蓄电池并联到直流母线上，控制功率开关管开通或闭合其充放电回路。 

所述的单向并网模块是指将单相电网电压通过整流装置转换为直流电压，作为后备电能与直流母线并联。

发明的优点在于：

1）采用小型风光互补照明***全面利用风能、太阳能自然能源实现隧道照明供电，节能，经济，环保。

2）采用单向并网模块无需三相并网，只有在风光互补发电及蓄电池供电不足时采用电网供电，这样可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，有效减小了***成本，同时减轻电网的负荷，对本地负荷用电起到了平峰填谷的作用。

3）采用分布式供电保证各个隧道之间的照明相互独立，维修方便，节省电线电缆，适合各个地区普及使用。

4）对于一些偏远且电网布线不方便的地区，如果用电网供电成本太高，而采用分布式供电则可以方便独立。大大地降低了经济成本。

5）应用LED照明设备,提高光效,减少能耗,增长使用寿命,减少***维护成本。

附图说明

图1为本发明分布式隧道照明结构示意图。

图2为本发明小型风光互补照明***结构图。

图3为本发明小型风光互补照明***具体电路结构图。

图4为本发明主控制器的连接图。

图5为本发明电压电流检测原理图，其中图5（a）为图4中的电压检测电路图，图5（b）为为图4中的风电模块检测电路与光伏电流检测电路图。

图6为本发明主控制器的卸荷控制原理图。

图7为本发明隧道照明控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，为每个隧道配置一个独立的小型风光互补照明***1，将独立的小型风光互补发电***1通过GPRS无线网络连接到监控制中心2，监控制中心2再通过Internet网络与维修站相连。

其中小型风光互补照明***1将风能、太阳能转换为稳定直流电能，为LED隧道照明供电。监控中心2与每个隧道的小型风光互补发电***1的主控制器进行无线通讯，主控制器采用TMS320F2812，在主控制器的RS232串口接一个RS232转GPRS模块。这样就可以实现在线观察每个风光互补照明***的工作情况，并当个别风光互补照明***出现故障时，向维修站发出维修信号，进行及时维修。

参见图2，主控制器3与监控中心2相连，主控制器3分别与风电模块6、光伏模块7、储能模块8及单向并网模块5相连，风电模块6、光伏模块7、储能模块8及单向并网模块5的输出端均为直流，都并联到直流母线上，直流母线直接连接隧道照明控制器9的电源输入端，隧道照明控制器9的IO点连接LED照明灯10，通过控制器9中的软件编程控制LED照明，实现照明强度控制。

其中光伏模块是由光伏阵列13与DC/DC变换器15组成，其作用是通过光伏阵列13将太阳能转化为电能，通过DC/DC变换器15进行功率变换与调节达到LED照明灯10所需的恒定电压。风电模块由风力发电机17，整流器、DC/DC转换器18组成，其作用是通过风力发电机17将风能转化为电能，通过DC/DC变换器16进行功率变换与调节达到LED照明灯10所需的恒定电压。储能模块8采用蓄电池11完成储能任务，其作用是当风光发电设备供电过剩时，输出恒定的母线电压，并给蓄电池充电，当风光发电设备供电不足时，则蓄电池释放能量，为照明提供电力。单向并网模块5通过整流降压将单相电网电压转换为稳定的直流母线电压，其作用是防止连续阴雨无风天气时，蓄电池电力过低时，则由电网通过单相整流装置将电网的交流电能转换为直流电能然后向负载供电，稳定***的直流母线电压，保证正常照明。直流母线通过隧道照明控制器9控制LED照明10。 

参见图3，图3为小型风光互补照明***1的具体电路结构图，风力发电机17输出为三相交流电，将其三相端子a、b、c分别与整流装置16相连，这样将风能转化为直流电能，其直流输出端与DC/DC转换器18输入端相连，DC/DC转换器18的输出端与直流母线并联，为LED照明灯10供电。根据LED照明灯10的用电功率的需求通过软件计算PWM占空比控制DC/DC转换器18的控制端实现功率变换与调节，从而达到平稳供电的目的。

光伏阵列13输出为直流电，将其输出接到DC/DC变换器15的输入端子，DC/DC变换器15的输出端接入直流母线，为LED照明灯10供电。其作用是将太阳光能转换为电能，然后根据LED照明灯10的用电功率的需求通过软件计算PWM占空比控制DC/DC变换器15的控制端实现功率变换与调节，从而达到平稳供电的目的。

蓄电池11与直流DC母线相连，储存风力发电与光伏发电多余的电能，通过主控制器3的GPIOA口管脚驱动对应的功率开关管25的驱动电路接通该供电回路即可实现开通或关断充放电回路，其作用是当风光发电设备供电过剩时，输出恒定的母线电压，并给蓄电池11充电，在风光发电设备供电不足时，由蓄电池11释放能量，提供照明用电。

单向电网电压通过整流降压19转换为直流母线电压，在没有足够电力供应的情况下向LED照明灯10供电。通过主控制器3的GPIOA口管脚驱动对应的功率开关管驱动电路25接通该供电回路即可实现电网供电，其中功率开关管采用MOSFET型号，主要是防止在连续阴雨无风天气且蓄电池11电力过低的情况下，能够保证正常照明。

主控制器3利用通用IO口通过驱动电路驱动功率开关管分别控制风电模块、光伏模块、隧道照明控制器、储能模块及单向并网模块为LED照明灯供电，主控制器主要通过电压电流数据采集电路采集风电模块6中的风力发电机17输出电流、DC/DC转换器18输出电流、光伏模块中DC/DC变换器15的输出电流，储能模块8中蓄电池11的电流，单向并网模块5中整流降压19输出的电压电流信息及直流母线电压电流，通过主控制器3内部软件分析然后控制通用IO口连接功率开关管25控制这几个模块的供电回路的开通与关断，从而实现它们之间的协调工作。在风电模块中还有一个卸荷20控制回路，根据上述检测到各种电压电流信息，判断风力发电机所发出的电能是否超过蓄电池存储量与照明用电量，如果超过则控制功率开关管25的驱动电路开通卸荷控制回路，释放多余电能。此外主控制器3通过串口通讯模块与监控中心2进行通讯。

参见图4，为本发明主控制器的连接图，主控制器通过IOPA0-IOPA5口与充放电回路、太阳能供电、光伏供电、电网供电相连，充放电回路、太阳能供电、光伏供电、电网供电的功率开关管25的驱动电路相连，主控制器的IOPA6口通过载荷控制回路20与风电模块6相连，风电模块6通过风电电流检测电路24与主控制器3的A/D转换相连，主控制器3的A/D转换上还连接有光伏电流检测电路23，光伏电流检测电路23与光伏模块7相连，风电模块6还通过DC/DC转换器18与主控制器3的PWM发生器相连，储能模块8分别通过充放电电流检测电路22、电压检测电路21与主控制器3的A/D转换相连，光伏模块7通过DC/DC变换器15与主控制器3的PWM发生器相连，主控制器3的串口输出端通过RS232转GPRS与监控中心2相连，主控制器3的IOPD和GPIOB两个IO口连接有液晶显示器14。

所述的主控制器3是整个分光互补照明***的核心，其主要功能是对采集到的风电模块，光伏模块和储能模块的电压、电流信息，进行分析，判断该***的运行情况，然后经过软件控制算法控制通用IO口即GPIO对各回路进行相应的开通或关断，从而实现它们之间的协调工作。同时对***输入输出电量起到调节与分配作用，并实现***级的管理，人机交互（充、放电指示灯，液晶显示屏），网络通讯功能。

主控制器3采用DSP2000系列芯片TMS320F2812实现。下面从其A/D采集，GPIO口控制，PWM控制，LCD显示，RS232串口通讯五个方面来说明。

A/D采集：主控制器3自带2×8路A/D转换，通过连接电流电压传感器便可实现对光伏阵列13的输出电流电压，风力发电机15的输出电流、蓄电池11电流、单向并网模块5电压及直流母线电流电压的信息采集。

参见图5，电压采集电路如图5（a）所示，采用专用的电流传感器CHB－25NP和电压传感器CHV—25P进行采集，其中图5（a）为图4中的电压检测电路图，其中+HT与-HT之间为被测电压信号，输出端经R1将电流信号转换为电压信号，然后接入到DSP的A/D转换芯片；图5（b）为图4中的风电模块检测电路与光伏电流检测电路图，电流传感器接在各被测电流的导线上，通过电磁感应所测得的电流信号经M端R3变为0－3V电压，接到主控制器3的A/D转换芯片。

GPIO控制：主控制器3的通用IO口A口是一个16位的IO口，其中GPIOA6，GPIOA7用于PWM引脚，因此剩余14个IO引脚可连接驱动14个功率开关管驱动电路25，而功率开关管分别串联到风电模块6，光伏模块7，储能模块8及单向并网模块5这4个供电模块的供电回路，通过控制功率开关管驱动电路25开通或关断相应的供电回路，来达到稳定负载供电的目的。

参见图6，图6为卸荷控制回路，卸荷控制是当风力发电超过所设定的限定值时，通过控制功率开关管驱动电路25进行开通或关断卸荷控制回路，由大功率电阻完成多余能量的消耗吸收。

PWM控制：主控制器3内部具有PWM发生器，PWM发生器采用定时器T1PWM发生器与T2PWM发生器，输出引脚GPIOA6通过DC/DC转换器18的控制端与风电模块6相连，输出引脚GPIOA7通过DC/DC变换器15的控制端与光伏模块7相连，根据检测到的风能，太阳能及负载变化情况，通过软件设置与控制算法调节PWM占空比，即调节DC/DC转换器18、DC/DC变换器15的控制端子的电压，实现最大功率跟踪控制。

下面举例说明控制过程：如有风无光时，检测到的电流信息Is为0，此时通过IOPA口对应的位控制功率开关管25的驱动电路关闭光伏供电回路，若风力发电功率Pw大于负载功率Pl时，则打开充电回路给蓄电池充电，当检测风力发电功率大超过设定值Pb，则开启卸荷回路，完成卸荷控制，若Pw小于Pl时，则开通蓄电池供电回路，稳定负载供电。

LCD显示：将主控制器3的16位通用IO口B口即GPIOB和4位通用IO口D口即IOPD与20位的LCD液晶显示LCD12864相连，通过编写程序完成其工作状态（风力供电、光伏供电或电网供电等）、电池信息等的显示，方便进行故障检修。

RS232串口通讯：主控制器3的RS232串行通讯端口通过RS232转GPRS与监控中心2相连实现分布式风光互补照明***1与监控中心2的无线通讯。

参见图7，所述的隧道照明控制器用来调节隧道照明的明暗程度。其连接关系是：隧道照明控制器可以采用80C51作为微控制器，将微控制器的通用IO口P0和P1口与A/D相连，通过A/D转化器采集光亮传感器的输出电压，微控制器通过串口与PLC相连，根据检测到的环境光亮度，微控制器通过PLC的输出IO点直接控制各照明回路的开启和关闭，实现隧道内的柔性照明。处于隧道内的光亮传感器检测到亮度以后，输出信号经过A/D转换后传给微控制器，微控制器根据隧道照明控制策略通过PLC控制相应的照明回路开启或关闭，实现隧道内的柔性照明。

LED隧道照明设备：根据隧道分区段计算使用不同功率的LED照明灯。

发电模块具体的技术实施方案：

风光互补发电***主要是为隧道照明供电，采用LED隧道照明，按全天功率最大值计算，假设全天最大功耗为E。假设设备安装区域太阳能平均有效利用时间为每天4h，风能平均有效利用时间为每天5h，无风无光也无可用光源最坏情况连续5天。

所述的风力发电模块，风力发电最小功率为E/5h，考虑风力发电组件设备的***损耗和误差率，取可靠系数1.4。综合考虑最不得因互，风力发电机的功率应为

Ee=E×1.4×5/5h

根据计算结果选取合适的风力发电机与DC/DC转换模块。

所述的太阳能方案：太阳能电池板最小功率E/4h=66.25w考虑太阳能组件设备的***损耗和衰减率，取可靠系数1.4，综合考虑最不利因素，太阳能电池板的功率应为

Es=E×1.4×5/4

根据计算结果选取合适的太阳能电池板与对应的DC/DC转换模块。

所述的蓄电设备：为保证在无可用风力和无可用光能的情况，***至少能连续稳定工作5天，根据用电设备组全天功耗及额定电压，可知***平均电流为

Is=E/(24×24v)

考虑蓄电池的放电效率和衰减率，取可靠系数3.5。综合考虑最不利因素，蓄电池的额定容量就为

Ei=Is×3.5×24 ×5。

根据计算结果选取合适额定容量的蓄电流组。

Claims (9)

1.一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，包括有设置在每个隧道口的独立的小型风光互补发电***（1）及监控中心（2），监控中心（2）将小型风光互补发电***（1）通过无线网络相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的小型风光互补发电***（1）包括有主控制器（3）、风电模块（6）、光伏模块（7）、储能模块（8）、隧道照明控制器（9）与单向并网模块（5）组成，风电模块（6）、光伏模块（7）、储能模块（8）及单向并网模块（5）的输出端并联到直流母线上，直流母线连接隧道照明控制器（9），隧道照明控制器（9）与LED照明灯相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的主控制器（3）通过串口通讯模块与小型风光互补发电***（1）通讯。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的主控制器通过IOPA0-IOPA5口引脚与功率开关管25的驱动电路相连，功率开关管25串联在充放电回路、太阳能供电、光伏供电、电网供电回路中，主控制器的IOPA6口通过载荷控制回路（20）与风电模块（6）相连，风电模块（6）通过风电电流检测电路（24）与主控制器（3）的A/D转换相连，主控制器（3）的A/D转换上还连接有光伏电流检测电路（23），光伏电流检测电路（23）与光伏模块（7）相连，风电模块（6）还通过DC/DC转换器（18）与主控制器（3）的PWM发生器相连，储能模块（8）分别通过充放电电流检测电路（22）、电压检测电路（21）与主控制器（3）的A/D转换相连，光伏模块（7）通过DC/DC变换器（15）与主控制器（3）的PWM发生器相连，主控制器（3）的串口输出端通过RS232转GPRS与监控中心（2）相连，主控制器（3）的IOPD和GPIOB两个IO口连接有液晶显示器（14）。

5.根据权利要求2所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的光伏模块（7）由光伏电池组和DC/DC变换器（15）组成，光伏电池组与DC/DC变换器（15）的输入端相连，DC/DC变换器（15）的输出端接入直流母线。

6.根据权利要求2所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，所述的风电模块（6）由风力发电机（17）、整流装置，DC/DC转换器组成，风力发电机（17）输出为三相交流电，将其三相端子a、b、c分别与整流装置（16）相连，其直流输出端与DC/DC转换器（18）输入端相连，DC/DC转换器（18）的输出端与直流母线并联，为LED照明灯（10）供电；光伏阵列（13）与DC/DC变换器（15）的输入端相连，DC/DC变换器15的输出端接入直流母线，为LED照明灯（10）供电；蓄电池（11）与直流DC母线相连。

7.根据权利要求2所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的主控制器（3）采用DSP2000系列芯片TMS320F2812。

8.根据权利要求2所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的主控制器（3）内的PWM发生器采用定时器T1PWM发生器与T2PWM发生器，其输出引脚为GPIOA6、GPIOA7，输出引脚GPIOA6通过DC/DC转换器（18）的控制端与风电模块（6）相连，输出引脚GPIOA7通过DC/DC变换器（15）的控制端与光伏模块（7）相连。

9.根据权利要求2或8所述的一种基于风光互补的公路隧道分布式照明***，其特征在于，所述的隧道照明控制器（9）采用80C51作为微控制器，微控制器的通用IO口P0和P1口与A/D芯片相连，微控制器通过串口与PLC相连。

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