CN101459997B - 具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器 - Google Patents

具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器 Download PDF

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Abstract

具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器，其特征是设置控制中心，通过分别检测风力发电机整流滤波后的电压电流、太阳能板的电压电流、蓄电池端口电压电流，以确定充放电控制模式和控制参数；设置带前馈的负反馈PWM控制器，通过PWM信号控制充电电路的电压转化和充电效率；设置用户模式输入接口和状态指示接口。本发明根据风力大小和太阳能功率自适应调节，使得风能和太阳能的互补效果达到最优，并保证实际的充电效果。

Description

具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器
技术领域
本发明为一种具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器，属于路灯；涉及可再生能源利用和路灯照明技术领域，特别涉及风能、太阳能利用智能控制的技术领域。本发明可用于市政照明、高速公路照明和城乡照明等领域。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着我国经济的快速增长，能源需求大幅增加，能源供需矛盾突出，路灯是其中的用电大户，路灯每年所消耗的总电量占照明用电的三成以上。目前广为使用的主要是市电供电的普通路灯和太阳能路灯。
对于采用市电供电的普通路灯，不仅由于其功率大、照明时间长，导致耗电量相当大；而且，普通路灯需要挖沟埋设电缆供电，每隔一定距离就需要一个大功率的变电设备，不仅建设成本提高，而且增加了线路损耗。
随着太阳能技术的不断完善，成本逐渐降低，一些特定场合的路灯也采用了太阳能路灯，如专利号为“94206228”的“太阳能供电照明路灯”实用新型专利。但是，太阳能路灯存在明显的缺陷，它严重依赖于日照条件；当连续阴雨天或冬季日照不足时，太阳能板不能收集足够的电能，蓄电池将迅速亏电，导致路灯无法正常工作。
风能和光能天然具有互补性，利用风能、光能同时发电对路灯供电可以弥补太阳能路灯的缺陷。然而，风能发电具有很大的不确定性，特别是瞬时不确定性，这需要有效的控制方法。而目前关于“风光互补路灯”的相关技术，很多仍处于概念状态。如授权公告号为“CN2921572Y”的实用新型专利“风光互补路灯”，就提出了一种由风力发电机、太阳能电池板、风力发电机充电控制器、太阳能电池板充电控制器和蓄电池、低压钠灯组成的路灯框架。目前风光互补路灯通常存在两个问题：1.采用不同的控制器分别对太阳能和风能加以控制，使得风能和太阳能互补效果难以达到最优；2.对风能、太阳能的资源不确定性考虑不足，其实际充电效果难以保障。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器，根据风力大小和太阳能功率自适应调节，使得风能和太阳能的互补效果达到最优，并保证实际的充电效果。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器的结构特点是设置：
一控制中心，通过分别检测风力发电机整流滤波后的电压电流、太阳能板的电压电流、蓄电池端口电压电流，以确定充放电控制模式和控制参数；
一带前馈的负反馈PWM控制器，通过PWM信号控制充电电路的电压转化和充电效率；
一用户模式输入接口和状态指示接口；
所述充电电路的输入电压Vi是风能三相输入经整流后得到的直流信号或太阳能板经防反向导通后的直流信号，所述输入电压Vi经过二阶低通滤波器Z1(s)之后接入由比例控制器F(S)、比例调节器K1(s)、非线性控制器G(S)、随动控制器Gvd(s)组成的负反馈PWM控制电路；
所述负反馈PWM控制电路是由比例控制器F(S)、比例调节器K1(s)、非线性控制器G(S)、和随动控制器Gvd(s)组成闭环，其中，比例控制器F(S)为充电电路的前向转换比例；控制中心所采集到的信号经比例调节器K1(s)调节后与参考电压Vref比较；非线性控制器G(S)为PWM控制器，Gvd(s)是PWM信号的随动传递函数，所述的充电电路中从比例控制器F(S)输出的信号经二阶低通滤波器Z2(s)滤波后输出输出电压，以充电电路的输出电压作为蓄电池端口充电电压。
本发明具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器的结构特点也在于：
设置拨码开关，用于读入用户选择的控制模式，并控制LED路灯的亮灯模式。
所述控制中心设置有风力发电机和太阳能板的启停功能开关控制器，依据所采样的蓄电池电压电流和当前风能发电是否处在安全区域开启或关闭开关控制器。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明是一种集发电、储电、用电于一体的独立路灯系统，无需挖沟埋设电缆、不破坏路面，利用可再生能源，不消耗常规能源，真正起到了节能、环保的效果；
2、本发明利用风能发电和太阳能发电的互补性，采用带前馈的负反馈PWM控制方式，具有根据资源条件自适应调节的能力，充电效率高，可以弥补单太阳能路灯发电不足的缺点，有效延长路灯工作时间；
3、本发明在控制中心设置风力发电机和太阳能板的启停功能开关控制器，作为一种保护功能，用于保护控制器和蓄电池，包括：在外界条件险恶，如台风天气，自动关闭风机以保护系统；在蓄电池充满时自动关闭太阳能输入，以保护蓄电池。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明控制电路原理图。
图3为本发明充电模式方框图。
图中标号：1风力发电机；2太阳能板；3为LED路灯；4灯杆；5控制箱；6蓄电池组；7水泥基础，Vi为输入信号；Vref为参考电压；Vo为蓄电池端口的充电电压；Z1(s)、Z2(s)是二阶低通滤波；F(S)是比例控制器；K1(s)为比例调节器；K2(s)为开关控制器；G(S)为PWM控制器；Gvd(s)是随动控制器。
以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1，本实施例路灯由风力发电机1、太阳能板2、LED路灯3、灯杆4、控制箱5、蓄电池组6和水泥基础7组成。灯杆采用一体化设计，风力发电机1位于灯杆4的顶端，太阳能板可以360°旋转，以确保能朝向正南方向；LED路灯3固定在灯杆4上；控制箱5和蓄电池组6置于灯杆底部的储物空间内；灯杆底端与路面之间的水泥基础7用于防止雨水倒灌。风力发电机1和太阳能板2直接连接到控制箱5内，分别利用可再生的风能和太阳能发电，通过控制器将所产生的电能储存到蓄电池组6中；控制器监控电路状态，负责蓄电池组6的充电模式控制，
参见图2，蓄电池组6通过控制器与LED路灯相连，控制器根据拨码开关所输入的用户模式，控制LED路灯的工作模式，并指示电路工作状态。
本实施例中，控制器的控制中心以微处理器Atmega8为核心，与检测电路、模式控制电路、充电电路和蓄电池组一起构成了充电管理模块。控制器检测的信号包括风力发电机输入经整流滤波后的电压电流信号、太阳能发电经单向导通电路后的电压电流信号以及蓄电池端口的电压电流信号；根据所检测的信号对充电模式进行控制。
参见图3，本实施例中，设置充电电路模块，根据电路中检测到的信号状态，通过带负反馈的PWM控制电路自适应的调节电压转换比例和充电电流大小，以提高充电效率。以风能三相输入经整流后得到的直流信号或太阳能板经防反向导通后的直流信号为输入电压Vi，输入电压Vi首先经过一个二阶低通滤波器Z1(s)以削弱高频干扰和纹波干扰。由F(S)、K1(s)、Z21(S)、G(S)、Gvd(s)组成的闭环是一个负反馈PWM控制电路；其中，F(S)是比例控制器，为充电电路的前向转换比例；K1(s)为比例调节器，控制中心所采集到的信号经K1(s)调节后与参考电压Vref比较；G(S)指代PWM控制器，这是一个非线性的控制器，可以用电流型PWM控制器TL3845实现；Gvd(s)是PWM信号的随动传递函数，可以由两个PNP、NPN三极管组成的推挽输出电路实现。Z2(s)与Z1(s)功用相同，均为二阶低通滤波器。本实施例中的二阶低通滤波器、比例控制器、TL3845、推挽输出电路、开关控制器均可采用电子领域的常规电路实现。
如图2、图3所示，控制中心除了对充放电模式进行管理和保护外，还提供风力发电机启停、太阳能启停控制功能，即图3所示的开关控制器K2(s)。控制中心根据所采样的蓄电池电压电流状态和当前风能发电是否在安全区域来决定是否开启或关闭K2(s)，从而启停外界能源输入。

Claims (3)

1.具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器，其特征是设置：
-控制中心，通过分别检测风力发电机整流滤波后的电压电流、太阳能板的电压电流、蓄电池端口电压电流，以确定充放电控制模式和控制参数；
-带前馈的负反馈PWM控制器，通过PWM信号控制充电电路的电压转化和充电效率；
-用户模式输入接口和状态指示接口；
所述充电电路的输入电压Vi是风能三相输入经整流后得到的直流信号或太阳能板经防反向导通后的直流信号，所述输入电压Vi经过二阶低通滤波器Z1(s)之后接入由比例控制器F(S)、比例调节器K1(s)、非线性控制器G(S)、随动控制器Gvd(s)组成的负反馈PWM控制电路；
所述负反馈PWM控制电路是由比例控制器F(S)、比例调节器K1(s)、非线性控制器G(S)、和随动控制器Gvd(s)组成闭环，其中，比例控制器F(S)为充电电路的前向转换比例；控制中心所采集到的信号经比例调节器K1(s)调节后与参考电压Vref比较；非线性控制器G(S)为PWM控制器，Gvd(s)是PWM信号的随动传递函数，所述的充电电路中从比例控制器F(S)输出的信号经二阶低通滤波器Z2(s)滤波后输出输出电压，以充电电路的输出电压作为蓄电池端口充电电压。
2.根据权利要求1所述的具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器，其特征是设置拨码开关，用于读入用户选择的控制模式，并控制LED路灯的亮灯模式。
3.根据权利要求1所述的具有自适应调节能力的风光互补路灯智能控制器，其特征是所述控制中心设置有风力发电机和太阳能板的启停功能开关控制器，依据所采样的蓄电池电压电流和当前风能发电是否处在安全区域开启或关闭开关控制器。
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