本科生毕业设计60W风光互补LED路灯系统设计

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1、摘 要随着科技的发展，能源需求已经成为一个非常重要的社会问题。人们对各种可再生能源进行了研究，特别是风能和太阳能。太阳能与风能有着很好的互补特性，因此在部分远离电网的区域可以采用小型的风光互补发电系统供电。近年来 LED 照明技术得到快速发展，LED照明得到越来越广泛的应用。研究一种基于风光互补发电的LED路灯，对节能和城市照明具有重要的意义。本文设计了一套独立式风光互补LED路灯系统，并对风力发电机、太阳能电池、蓄电池和控制器进行了分析和设计。其中在最大功率跟踪策略方面，分别采用了双输入升降压斩波硬件电路实现风能和太阳能的最大功率输出，并分别采用变步长扰动控制算法和改进扰动观察控制算法作为最

2、大功率点跟踪（MPPT）控制策略。在蓄电池充放电控制上采用双向直流升/降压式变换电路来实现蓄电池的充放电能量管理。在智能控制器设计方面上，设计了一种以DSP为控制核心的风光互补LED路灯控制系统。系统以TMS320F2812为主控芯片，主要设计了控制系统的数据采集模块，PWM信号驱动模块，控制系统的辅助电源模块，LED照明驱动电路以及系统时钟模块。最后根据设计要求进行了参数计算和设备选择。关键词：风光互补；最大功率跟踪；能源；LEDAbstractWith the development of science and technology, the demand for energy has

3、become a very important social issue. Human research on many renewable energy, especially wind and solar power.Solar and wind power has a very good complementary characteristics and therefore Small scale Wind and Solar complementary electricity generating system can be used in part of the region far

4、 from the grid.LED lighting technology developed rapidly in recent years, LED lighting has been used more widely. Research on LED lights based on wind and solar power have great significance to energy saving and urban lighting.This paper designs a general structure scheme of a wind and solar LED str

5、eet light,and analyze and design wind turbine and solar cell and storage battery. And in terms of the intelligent controllers maximum power tracking control strategy, this paper uses two-input buck-boost chopper hardware circuit to achieve the wind and solar maximum power output,and uses the variabl

6、e step control algorithms and improve disturbance observation control algorithms as themselves maximum power point tracking (MPPT) control strategy, the variable disturbance step can be taken place of the traditional fixed-step in the control process, which to improve the efficiency of power generat

7、ion. In terms of the intelligent controllers battery charging and discharging control strategy, this paper uses the bi-directional DC buck/boost converter to achieve the battery charging and discharging energy management. This project designed a wind and solar LED street light control based on DSP.

8、In hardware design, TMS320F2812 is the MCU of this control system , we design the PWM signal driver modules, auxiliary power module of the control systems, LED lighting driver circuit.Final, According to the requirements of design parameter calculation and equipment selection.Key words：wind and sola

9、r street light；maximum power tracking；energy；LED目 录第1章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 风光互补发电研究现状21.2.1 风力发电研究现状21.2.2 光伏发电研究现状21.2.3 风光互补研究现状31.3 风光互补LED路灯总体结构设计方案3第2章 风力发电机的设计42.1 风力发电机的工作原理及运行特性42.1.1 风力发电机工作原理42.1.2 风力发电机运行特性42.2 最大功率跟踪控制策略72.2.1 风力发电机的基本控制策略72.2.2 风机最大功率跟踪控制策略72.2.3 功率扰动控制策略8第3章 太阳能电池板的设计10

10、3.1 太阳能电池的工作原理及运行特性103.1.1 太阳能电池原理103.1.2 太阳能电池工作特性103.2 最大功率跟踪控制123.2.1 太阳能电池板扰动观察法控制策略123.2.2 本文采用MPPT控制策略133.2.3 MPPT电路实现14第4章 蓄电池组的设计164.1 蓄电池工作原理及运行特性164.1.1 蓄电池的工作原理164.1.2 蓄电池的特性参数174.1.3 蓄电池的工作状态174.1.4 蓄电池的运行方式184.1.5 影响蓄电池寿命的因素及充放电保护194.2 蓄电池充放电方法194.3 充放电系统电路实现21第5章 参数确定及设备选择225.1 发电量与用电量

11、计算225.2 设备参数确定225.3 LED路灯的选择235.3.1 LED的原理235.3.2 LED灯的特点235.3.3 LED路灯设计24第6章 风光互补路灯智能控制器的设计266.1 风光互补发电系统主电路设计266.2 风光互补LED路灯控制器硬件设计276.2.1 TMS320F2812最小系统286.2.2 信号采集电路设计306.2.3 PWM驱动电路设计316.2.4 辅助电源设计336.2.5 实时时钟设计366.2.6 LED驱动设计376.3 系统软件设计386.3.1 主程序设计386.3.2 充放电程序设计396.3.3 LED照明管理程序设计40第7章 总 结

12、41参考文献42致 谢43附 录 锦州气候背景44附 录 外文资料及翻译45第1章 绪论1.1 研究背景与意义现阶段，人们主要使用的能源都是煤、石油、天然气等化石燃料以及少量的核能，随着现代人口的快速增长，以及人们对高质量生活的追求，化石能源的消耗量在进一步增加。今年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，同时也认识到常规能源利用过程中对环境造成的污染和对生态造成的破坏，加大了新能源和可再生能源的人力和物力的投入。使新能源和可再生能源技术在过去的30年中得到快速发展。在可再生能源研究中光能和风能是最受关注的几种中的两种。太阳能是太阳内部连续发生核聚变反应释放的能量，任意时刻到达地球的太阳能都

13、需要消耗大量的化石能源才能产生与之相当的效果。太阳能取之不尽用之不竭，基本没有什么污染，而且无处不在不需要长距离的运输，太阳能将会成为主要的能源之一，有着广泛的应用前景。风能发电与煤电、油电和核电相比具有最低的成本，而且在很多地方都有较好的风力资源，风能的利用也有着广泛的前景。而将风能和太阳能发电综合起来，组成风光互补发电系统，具有更广泛的应用价值，一般晴天的时候，阳光充足，可以使用太阳能提供能源，当阴天雨天的时候，风力资源比较丰富，此时可以采用风能作为能量输出。因此风能和太阳能相结合能够很好的弥补单个应用的不足。路灯是城市生活中必不可少的公共设施，随着城市的发展，路灯耗能也随之增长，路灯节能

14、问题已经成为一个重要的研究课题。随着LED照明技术的成熟，越来越多的照明设备选用LED作为光源，与以前的日光灯，白炽灯等相比，LED具有工作电压低，能效高，使用寿命长等优点。因此在设计风光互补发电路灯系统时采用LED作为光源。风光互补LED路灯将风光互补发点与LED照明相结合，用于城市路灯设计中，具有很好的实际意义。首先采用风光互补发电系统为路灯供电，可以不需要专门从电网中获取电能，可以缓解紧张的城市用电压力；其次，不需要铺设冗长的电缆，节省大量的开支和维护费用。小型的风光互补发电系统发出的电能直接使用蓄电池进行存储，给LED提供直流电源，不需要进行专门的电能转换，而且LED作为光源相比以前的

15、光源具有更长的使用寿命。而且在相对偏远的郊区也可以采用这种路，不仅能够节能，同时给郊区的夜晚带来光明。所以风光互补LED路灯符合现阶段国家提倡的节能减排的概念，具有良好的实际研究意义。1.2 风光互补发电研究现状1.2.1 风力发电研究现状近代风力发电技术始于上世纪八十年代北欧国家的研究，后来逐渐推广到全世界。欧洲国家在风力发电领域的研究和应用上有先进的技术和丰富的经验。由于在改善生态环境，优化能源结构，促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。在风力发电系统中对风力机的控制是非常重要的，由于空气动力学的不确定性和发电机、电力电子装置的复杂性，

16、风力发电系统的模型很难准确的描述。因此，风力发电控制器的稳定性是很关键的。随着模糊数学在控制领域的广泛应用，因为模糊控制不需要获得精确的数学模型，可以高效的综合专家经验，具有较好的动态特性等优点，所以近年来在风力发电系统的控制方法上也开始大量的使用先进的模糊控制技术，并给与其高度关注。上海交大的刘立群等人对分布式风力发电系统MPPT 控制进行了研究，针对分布式风力发电机,传统的扰动观察法和模糊法在风速变化频繁的实际系统中输出效率较低,不能充分发挥同步发电机的最佳性能,提出了将模糊法和扰动观察法相结合的最大功率点跟踪(MPPT)方法。1.2.2 光伏发电研究现状自20世纪70年代全球发生石油危机

17、以来，太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视，各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持太阳能光伏发电技术在控制方法上。我国在20世纪70年代也对光伏发电进行了研究，但是当时基本是没有任何外加控制的应用，随着能源危机的到来，人们对光伏发电进行了深入的研究，使光伏发电的效率得到巨大的提升。如今，获取最大输出功率的控制方法主要有以下几种：开环控制方法如恒定电压法、短路电流比例系数法和插值计算法等；闭环控制方法有扰动控制法、电导增量法等。随着模糊控制在控制领域的广泛应用，基于模糊控制、基于神经网络等人工智能的控制方法也开始被研究。如合肥工业大学教育部光伏系统工

18、程研究中心的吴红斌，陶晓峰，丁明对光伏并网发电系统的MPPT电压控制策略进行了仿真，根据光伏并网系统的结构，采用外环为电压环、内环为并网电流环的双环控制。通过abc/dq0变换将并网电流解耦为有功分量和无功分量，引入最大功率点跟踪提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分量，引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量，实现了具有MPPT和电压控制能力的三相光伏并网发电技术。1.2.3 风光互补研究现状风光互补发电由于综合了风能和光伏发电的优点，弥补了风力发电和光伏发电的不足，现在国内外已经对风光互补发电展开了研究。美国NREL实验室和Colorado State Unive

19、rsity联合研制一种系统仿真软件hybrid2，只要输入具体的负荷性能，风能特性以及光照强度等数据，便能够对风光互补发电系统进行仿真并得到仿真结果，其功能强大，该软件的缺点是它只能够进行仿真，而不能进行优化设计。国内的一些科研机构也对风光互补发电进行了详细的研究，应用精准的表征组件特性并通过实际的观测获取更加精确的风光资源模型，能够模拟出系统的实时状态风光互补发电系统的设计除了在以上方向取得长足进展以外，还通过利用电力电子技术和现代控制技术的发展来推进风光互补发电的发展，进一步的提高其工作效率和可靠性。对各种DC/DC变换技术的研究解决获取最大输出功率技术的问题。通过传感设备采集系统的关键参

20、数，将采集的信号传给微处理器，微处理器通过计算，产生输出信号控制电力电子设备是风光互补发电系统工作在要求的状态，使系统能够稳定的自动运行。1.3 风光互补LED路灯总体结构设计方案图1.1 风光互补LED路灯结构风光互补路灯结构如图1.1包括风力发电机、太阳能电池板、智能控制器、蓄电池组和LED路灯。其路灯灯高8m，灯杆高10m，灯具间距25m，灯杆采用Q235优质钢结构标准灯杆，灯头采用60WLED路灯。对环境和资源的要求：(1)年平均风速大于3.5m/s，同时年太阳能辐射总量不小于500；(2)工作温度：-20+45；(3)相对湿度：20%90%；(4)海拔不超过1000m。第2章 风力发

21、电机的设计2.1 风力发电机的工作原理及运行特性2.1.1 风力发电机工作原理现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非推动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，理论上风力机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%。风力发电机主要包含三部分风轮、机舱和塔杆。风轮叶片由复合材料制造。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度：在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置

22、令机舱和风轮自动转向 ，面向来风。风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机。在风电工业中，配有变速箱的风力发电机是很普遍的。设于塔底的变压器可提升发电机的电压到配电网电压。所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法是失速调节和斜角调节。使用失速调节的风力机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。叶片中嵌入了避雷条，当

23、叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流引导到地下去 。2.1.2 风力发电机运行特性风力机的运行特性主要包括以下四部分。叶尖速比与风能利用系数根据风力机的空气动力学特性，风力机输出机械功率可表示为 （2-1）其中，为风能利用系数，A为风轮扫掠面积，为空气密度（），为风速。由公式（2-1）可知，在叶片大小、风速和空气密度一定时，影响功率输出的唯一因素是风能利用系数，输出功率与成正比，而是叶尖速比的函数，可以表示为 （2-2）其中，为叶尖速比，为风机角速度（），R 为叶轮半径（m）因此，风力机特性通常用和之间的关系来表示，典型的关系曲线如图2.1所示。从图中可以看出，在随着的变化过程中，存在着一点可以获

24、得最大的风能利用系数，即最大输出功率。最大输出功率曲线把式（2-2）带入式（2-1）可得 （2-3） 图2.1 典型曲线 图2.2功率-转速特性曲线在某一风速下，风力机的输出机械功率随风轮转速的变化而变化，其中存在一个最佳转速，使风力机输出最大机械功率，它与风速的关系是最佳叶尖速比关系。实际上，在每一个风速下，都对应有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率，如果将这些最大功率点连接起来，就可以得到一条最大输出机械功率曲线，由于这条曲线上的任何点的转速与风速均为最佳叶尖速比关系。因此在不同风速下控制风力机转速向最佳转速变化就可以实现最大功率控制。不同风速下风力机的功率-转速特性曲线如图2.2所示

25、。实际输出功率考虑到风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性和调速装置，吸收的风能和风力机转速受到限制，式（2-1）可以改写为： （2-4）其中：、分别为风力机的切入风速、额定风速和切出风速，为风力机的额定功率。风力机的转矩-转速特性风力机是通过风轮叶片捕捉流过的风能，并将其转化为机械能的装置。根据空气动力学原理，风轮叶片产生的转矩与叶片的转速有如图2.3的关系。图中A点为特定风速下的启动转矩，在AB段，叶片转矩随风轮的转速增加而增加，这段曲线属于不稳定区域；在BC段，叶片转矩随风轮的转速增加而减少，故此段曲线为风力机的稳定区域。在B点风轮转矩最大，是最大功率点。图2.3 风力机的转矩-转速特性

26、曲线2.2 最大功率跟踪控制策略2.2.1 风力发电机的基本控制策略风速和风向在一天中时刻发生着改变，风力机不能及时对这种快速的变化作出相应的调整，因此不可能达到100%的将风能完全转化为机械能。风力机的机械输出功率为，其中为风力机的实际风能利用系数，根据贝兹极限理论可知0.593。与的关系曲线是风力机的基本特征之一，如图2.1所示。对于定桨距风机来说，处于某一定值时，达到最大值，风力机输出最大机械功率，称为最佳叶尖速比。提高风能的利用系数也就是要控制风机工作在最佳叶尖速比附近。由于风能具有随机性，风速时刻在发生着变化，使得经常不能工作在最大值点上，风机常常处于低效状态。我们可以通过改变风机转

27、速，在很大的风速范围内让处于或者接近最大值运行，使得叶尖速比在附近，实现最大程度的风能利用，也就是最大功率点跟踪控制。2.2.2 风机最大功率跟踪控制策略1）固定（叶尖速比）TSR控制策略在这种控制策略中，风机持续运行在最佳TSR状态，这是给定风力机的特性。该最优值作为参考TSR存储在控制计算机中。风速被连续地测量，并与参考TSR 相比较，然后将误差信号送入控制系统，这将改变风力机转速以减少误差。控制框图如图2.4所示。此时风轮必须运行在参考TSR状态，以发出最大功率。这种控制方案的缺点在于需要测量当地风速，而这具有很大的误差。图2.4 固定TSR控制策略框图2）最大负载功率曲线控制策略最大负

28、载功率曲线控制的主要思想是：首先通过实测得到风力发电机的最大负载功率特性曲线，然后应用控制方法使风力发电机在每一种风速下都能跟踪最大功率点的变化。控制方法分为两类：风速自动跟踪控制和风机转速反馈控制。风速自动跟踪控制方法该控制方法原理较为简单：首先按照已知的最大负载功率曲线图，用风速仪测量当前风速值，根据这个风速值应用算法在特性曲线上找到对应的理论功率输出值，然后与发电机的输出功率观测值进行比较，最后将偏差量经过PI调节器，给出发电机可控参数值，调节发电机输出电流，最终实现发电机输出功率的调节。风机转速反馈控制方法该控制方法的原理是：当风带动风轮转动至发电机发电运行的转速范围内时，根据转速以及

29、风轮机的特征参数计算出给定功率，并与发电机输出功率的观测值进行比较，将偏差量经过PI调节器，给出发电机可控参数值，调节发电机的输出电流，最终实现发电机输出功率的调节。最大负载功率曲线控制策略框图如图2.5所示。图2.5 最大负载功率曲线控制策略框图2.2.3 功率扰动控制策略该方案与上述两种控制策略不同，其主导思想是离散迭代控制。从风力机的功率特性曲线可以看出，他在某一特定风速下是凸函数，因此可以在系统处于稳态阶段时，给控制量一个微小的扰动，将引起输出功率的变化。若该变化量大于零，则在系统趋于稳态的时候，加上与前次相同符号的扰动量，直到输出功率变化量开始小于零时才改变下一次扰动量的符号。这个过

30、程一直持续到风力发电机运行在最大功率点附近为止，功率扰动控制策略框图如图2.6所示。图2.6 功率扰动控制策略框图功率扰动控制策略具有以下特点：由于算法中不需要风速和发电机转速等参数，因此不用测量装置；由于是离散迭代控制过程，因此不需要知道风力发电机明确的功率特性；在这种控制策略下，即使风速稳定，发电机最终的功率输出也会有小幅度的波动，这种波动是系统调节上的需要；系统有自动跟随和自适应能力。为了弥补功率扰动控制算法输出功率小幅波动的缺点，本文采用变步长扰动MPPT控制算法。该算法是固定步长扰动法的改进方法。这种方法是通过改变DC/DC直流变换器占空比D来实现的。其控制框图如图2.7所示。当功率

31、变化出现变号时，只改变扰动步长的数值，而扰动方向不改变。当加入扰动后，若，保持原来的扰动值和跟踪方向；若，扰动值折半为，按原来的方向跟踪。为数值很小的正数，为当前负载功率与前一采样时刻负载功率的差值。为最小占空比扰动值，其值取决于系统的结构、动态响应特性等。图2.7 变步长扰动MPPT控制策略流程图第3章 太阳能电池板的设计3.1 太阳能电池的工作原理及运行特性太阳能电池板是离网型风光互补路灯照明系统中的另一个电能产生环节，它的主要作用是将光能转换成电能。3.1.1 太阳能电池原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换为电能。这个把太阳能（或其他光能）变换成为电能的能量转换器，就叫

32、做太阳能电池。太阳能电池工作原理的基础，是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生的电动势和电流的一种效应。其工作原理图如图3.1所示，可将半导体太阳能电池的发电过程概括为如下四点：首先是收集太阳光照射到太阳能电池板上；太阳能电池吸收一定能量的光子后，激发出非平衡载流子电子-空穴对，这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失；这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 PN 结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，从而产生光生电动势，就是所谓的光生电压；在太阳能电池PN 结的

33、两侧引出电极，然后接上负载，则在电路中产生光生电流。通过以上过程，太阳能电池就把光能转换为电能。图3.1 太阳能电池工作原理图3.1.2 太阳能电池工作特性太阳能电池的伏安特性曲线如图3.3所示。当负载R从0变到时，负载R两端的电压U和流过的电流I之间的关系曲线，即为太阳能电池的伏安特性曲线。通过实验测试的方法，在太阳能电池的正负极两端，连接一个可变电阻R，在一定的太阳光照和温度下，改变电阻值，使其由0变到，同时测量通过电阻的电流和电阻两端的电压。图3.3 太阳能电池伏安特性曲线根据特性曲线定义太阳能电池的几个重要参数如下：1）短路电流（）：在给定温度日照条件下所能输出的最大电流；2）开路电压

34、（）：在给定温度日照条件下所能输出的最大电压；3）最大功率点电流（）：在给定温度日照条件下最大功率点上的电流；4）最大功率点电压（）：在给定温度日照条件下最大功率点上的电压；5）最大功率点功率（）：在给定温度日照下所能输出的最大功率。改变日照强度而保持其它条件不变，得到一组不同日照量下的I-V和P-V特性曲线，如图3.4和3.5所示。图3.4 太阳能电池在不同辐照度下的I-V特性曲线图图3.5太阳能电池在不同辐照度下的P-V特性曲线图从图中可以看到，随着辐照强度的降低，输出电流和输出功率逐渐减小。3.2 最大功率跟踪控制太阳能电池板的输出功率随着天气变化会有很大的变动。因此，进一步提高太阳能电

35、池板的转换效率是太阳能发电系统的一个主要研究方向。通过最大功率跟踪控制方法，使太阳能电池板工作在最大功率点，不仅可以充分利用光能资源，而且可以减少发电系统的太阳能阵列容量，降低成本。由前面介绍的太阳能电池板的工作特性可知，不同光照强度、环境温度以及负载特性条件下，太阳能电池板最大功率输出点对应的电压值各不相同。根据这个特性，通过实时调节太阳能电池板的输出电压，使其工作在最大功率点电压处，从而保证太阳能电池板的输出功率始终处于最大值，这就是太阳能电池板最大功率跟踪控制原理。最大功率跟踪算法常用的有：电压反馈法、功率反馈法、扰动观察法、增量电导法、直线近似法和实际测量法等。对上述方法进行分析，并在

36、此基础上提出了扰动观察法的改进方法。3.2.1 太阳能电池板扰动观察法控制策略扰动观察法也称为爬山法，其基本工作原理如下：当太阳能电池板工作在稳定状态时，通过控制器周期性的给太阳能电池板输出电压加扰动，这个扰动量会引起系统功率输出的变化，比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小，如果功率增加则在下一个周期以相同方向加扰动,否则改变扰动的方向，不断重复这个过程，一直到太阳能电池板工作在最大功率点附近。扰动观察法的优点是结构简单，被测参数少，容易实现，而且是一种真正的最大功率点跟踪。它的缺点为： 引入扰动的最终结果是系统在最大功率点附近很小范围内来回振荡； 步长的大小将决定最大功率点的跟踪速度，步

37、长较小时光伏阵列很可能长时间工作于低功率输出区，当步长较大时最大功率点附近的波动又会加大； 当外部环境发生较快变化时，扰动观察法则会损失较大的功率，并且很有可能发生误判。扰动观察法的控制框图如图3.6所示。图3.6 扰动观察法控制框图3.2.2 本文采用MPPT控制策略扰动观察法可以通过减小开关管改善太阳能电池板最大功率点附近出现的振荡现象，但是过小会降低系统对光照强度变化的响应速度。为了兼顾快速性和稳定性，应该根据太阳能电池板的工作点不断调整开关管的大小。本文采用一种简单的变步长 MPPT 控制方法。这种控制方法将开关管分为两个级别，较大的用在外界环境突变的情况下对最大功率点的控制；较小的用

38、于太阳能电池板工作点在最大功率点附近的控制，从而降低功率振荡。两种之间的转换是通过在最大功率点两侧的符号来判断的。具体的判断方法由式（3-4）和式（3-5）表示。 未达到最大功率点 （3-4） 最大功率点附近 （3-5）当时，太阳能电池板没有达到最大功率点，这时选用较大的以快速跟踪外部环境的变化能力；当时，太阳能电池板处于最大功率点附近，这时选用较小的，从而降低功率振荡，提高太阳能电池板的平均输出功率。在外界环境变化不明显时，由于此时功率变化较小，即使选用较小的，仍能使太阳能电池板快速恢复到最大功率点附近；在外界环境变化剧烈时，由于此时功率变化较大，导致太阳能电池板工作点远离最大功率点，这时较

39、小的就不能满足系统跟踪快速变化的外界环境，此时赋值S等于零，选用较大的，以适应外界环境的剧烈变化。改进扰动观察法控制框图如图3.13所示。图3.7 改进扰动观察法控制框图3.2.3 MPPT电路实现由电路理论可得：在线性电路中，当外部负载等效阻抗与电源内阻抗成共扼时，外部负载可以获得最大输出功率。MPPT的实现电路实质上就是一个阻抗变换器。DC/DC直流变换电路正是通过改变开关器件的占空比来实现阻抗变化。把风力发电机或者太阳能电池板等效看成直流电源，DC/DC变换电路看成外部阻性负载，由于风力发电机和太阳能电池板工作特性随外界环境的变化而不断改变，其等效内部阻抗也时刻发生变化，因此通过调节DC

40、/DC变换电路的等效阻抗，使之在不同的外部环境下始终跟随风力发电机或太阳能电池板的内阻变化，两者动态负载匹配就可以在DC/DC变换器的输出直流侧获得最大输出功率，实现风力发电机或者太阳能电池板的最大功率跟踪控制。在本设计系统中，风力发电系统输出电压始终小于蓄电池端电压（24V），因此选用升压式斩波电路；太阳能系统输出端电压始终大于蓄电池端电压，因此选用降压式斩波电路。将这两种电路组合起来，就构成了本系统所需要的双输入升降压斩波电路，其电路结构如图3.8所示。这种电路结构具有如下优点：由于风力发电和太阳能发电是相互独立的两个系统，不仅能够同时向负载和蓄电池提供直流电能，而且在其中某一发电系统失效

41、时，另一个发电系统依然能够保证对负载的正常供电，从而提高整个系统的供电稳定性；风能和太阳能两组发电系统可以各自通过控制该电路中的功率开关管的通断来达到最大功率输出地目的。图3.8 双输入升降压斩波电路结构示意图第4章 蓄电池组的设计4.1 蓄电池工作原理及运行特性在离网型风光互补路灯照明系统中，蓄电池是不可缺少的辅助装置。蓄电池是一种化学能源，它可以将直流电能转换为化学能储存起来，需要时再把化学能转换为电能。常见的蓄电池有铅酸蓄电池和碱性蓄电池。本设计采用铅酸蓄电池。4.1.1 蓄电池的工作原理铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是哥来德斯东和特利浦两人提出的“双硫酸

42、化理论”。该理论的含义为铅酸蓄电池在放电后，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物硫酸铅；当充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅。具体化学过程见式（4-1）和（4-2） 正极板： （4-1）负极板： （4-2）结合两个极板的反应方程为一个，则总的化学反应过程可用式（3-3）来表示。 （4-3）从反应方程式（4-1）、（4-2）和（4-3）中可以看出，在放电期间，铅酸蓄电池正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质海绵状铅与电解液硫酸进行化学反应生成硫酸铅，引起电解液硫酸的减少，而且在正极板上不断生成水，从而引起电解液比重的降低。在充电期间，正极板上的硫酸铅氧化生成了二氧化铅，而此时负极板

43、上的硫酸铅还原成铅（海绵状），同时生成硫酸，并消耗水，这样电池中的电解液比重就增加。应该指出，上述充电过程是人们所期望的主反应。在传统的非理想的充电模式下，往往伴随着一个很难回避的副反应，即水的电解。在传统充电方式的后期，由于正、负极板上的硫酸铅已经大部分转变成二氧化铅和海绵状铅，充电电流如果超过剩余活性物质的需求，则充入的电能将主要消耗与水的电解。结果在电池的负极就会有氢气析出，在正极则会有氧气析出，造成十分强烈的冒泡现象。其中电解水的反应是：负极： （4-4）正极： （4-5）总反应： （4-6）所以在充电末期必须注意充电电流的大小，否则会导致气泡产生过于剧烈，冲刷极板，容易造成极板上的活

44、性物质脱落损坏，降低蓄电池的容量和寿命，同时还会导致水的大量消耗，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的难度。4.1.2 蓄电池的特性参数（1）充放电容量充电容量：蓄电池充电时消耗的电量。用式（4-7）表示。 （4-7）式中，为充电电流，为充电时间。放电容量：当蓄电池完全充满电时，在一定条件下放出的电量。用式（4-8）表示。 （4-8）式中，为放电电流，为放电时间。（2）荷电状态（SOC）：充入到蓄电池中的电量与蓄电池额定容量的比值。用式（4-9）表示。 （4-9）式中，是蓄电池的实际带电量，是蓄电池的额定容量。（3）放电深度（DOC）：蓄电池放电量与额定容量比值。用式（4-10）表示。 （4

45、-10）放电深度是影响蓄电池寿命非常重要的参数。在一定范围内，如果蓄电池放电深度过大，就会减少蓄电池的使用寿命，缩短蓄电池的使用年限。当然，这并不是说明放电深度取得越小越好，因为放电深度越小，蓄电池不能放出的储备容量越多，就会造成电能的浪费，还要增加系统的成本。一般铅酸蓄电池的放电深度取 DOC = 60% 70%即可。通常使用控制电路保持蓄电池的放电深度在一定的范围内，从而提高蓄电池的使用寿命。4.1.3 蓄电池的工作状态蓄电池主要具有三种工作状态：放电状态、充电状态和浮充状态。蓄电池处于放电状态时，将储存的化学能转化为电能供给负载；蓄电池处于充电状态时，将电能转化为化学能存储起来；蓄电池处

46、于浮充状态时，其储能不会因为自放电而损失。放电、充电和浮充三个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。图4.1详细地描述了铅酸蓄电池在一个完整的工作循环中，工作电压、工作电流以及蓄电池温度的变化特性。图4.1 铅酸蓄电池循环工作状态图从图中可以看出，蓄电池开始时处于满荷电状态，当以恒定的电流进行放电时，蓄电池电压陡降，而后电压回升。当回升到一定电压后，随着蓄电池的继续放电，电压也继续降低。这是一个复杂的过程，它受到包括放电率、环境温度和蓄电池初始荷电状态等一系列放电工作条件的影响，同时也与蓄电池的类型有关。随着放电程度的不断加深，蓄电池电压下降速度会不断增加。当下降到一定值后会急速降低，这表明蓄电

47、池已经接近终止放电状态。蓄电池应在达到过放电压时停止放电，以保护蓄电池。蓄电池达到过放电压后，切断负载，此时蓄电池电压明显回升。如果外加一个大于蓄电池开路电压的电压，蓄电池便进入充电状态。充电过程中首先以恒定的电流给蓄电池充电，此时蓄电池电压会逐渐升高，当上升到浮充电压时，充电电流按照指数规律递减，否则会导致电解水反应而产生气体和温升，不能提高蓄电池的充电效率。此过程一直持续到蓄电池充满，而后保持蓄电池满荷电状态所需的电流。4.1.4 蓄电池的运行方式蓄电池通常有三种运行方式：循环充放电制、定期浮充制和连续浮充制。充放电制也称循环制，蓄电池在这种工作方式下一般是完全放电，然后进行充电，再完全放

48、电，再进行充电如此循环。蓄电池组在浮充制工作方式下通常并接在负载回路上，蓄电池只保持少量的充电电流，并对波动的负载电流起补偿作用，正常情况下总有太阳能直流电压加在蓄电池两端柱上，只要蓄电池电压低于直流电源，电源就对蓄电池充电，当直流电源不够时，才启用蓄电池对负载供电。从以上分析可以看出浮充制运行方式比较适合于独立运行风光互补发电系统，因为独立运行风光互补发电系统作为边远地区的独立供电系统，需要提供不间断的电力能源，蓄电池在这样的系统中基本上是以浮充制方式运行的。浮充制的蓄电池充电过程分为三个阶段：（1）快速充电阶段：在此阶段将对蓄电池充入80%90%的电能；（2）渐减充电阶段：在此阶段充电速率

49、逐渐减小，直到蓄电池充满电；（3）涡流充电阶段：当蓄电池充满电后，采用涡流充电来补充蓄电池的自放电。整个充电过程蓄电池的端电压和电流变化情况如图4.2所示。图4.2 蓄电池充电过程中电压和电流变化情况4.1.5 影响蓄电池寿命的因素及充放电保护影响蓄电池寿命的因素有：放电深度（DOC）及过充电程度等。在离网型风光互补路灯照明系统中，蓄电池的放电深度并不是恒定的，它随天气状况和季节而变化。在光照强度大、风力强盛的夏季，蓄电池的放电深度小；而在天气阴沉、风力微弱的冬季，蓄电池放电深度大。过充电程度也随季节天气而变化，在夏季，蓄电池可能经常是充满的；而在冬季，蓄电池可能从没有充满过。为了延长蓄电池的

50、使用寿命，必须合理的控制蓄电池的充放电，防止蓄电池的过充和过放现象的发生,即实现蓄电池的能量管理，这也是本论文的一项重要工作。4.2 蓄电池充放电方法由于风能的随机性较强，不可能随时都保持较高的输出电压，而且输出电压的变化范围很大；光照强度也存在一定的不确定性，例如阴天下雨时，很难达到理想的光照强度，因此很难实现蓄电池比较理想的充放电控制。综合本文风力发电MPPT控制策略、太阳能发电MPPT控制策略和蓄电池阶段式充电方法的各自特点，对现有蓄电池充放电控制方法进行分析，采用了一种新型的高效快速充电控制方法。这种控制方法分两种情况来实现:1）蓄电池在恒流或恒压充电方式下，如果能够接受风光互补发电系

51、统输出的最大功率时，对蓄电池的充电采用常规的控制方法，即三阶段充电控制方式；2）蓄电池在恒流或恒压充电方式下，如果不能接受风光互补发电系统输出的最大功率时，通过高效快速充电方法提高蓄电池的充电接受能力，使蓄电池得到快速充电，提高蓄电池的荷电水平。如前文所述，在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池内部就不会产生析气现象。如果在整个充电过程中能使实际充电电流始终等于或接近蓄电池可接受的充电电流，则充电速度就可大大加快，而且析气率也可控制在很低的范围内，这就是快速充电的基本理论。根据马斯快速充电的第二和第三定律，可以通过放电来提高蓄电池的充电可接受电流。这样在蓄电池充电接受能力下

52、降时，在充电过程中加入放电来提高接受能力。图4.3为通过加入大电流放电脉冲来提高充电能力的过程。图中曲线a为蓄电池的固有充电电流可接受特性，曲线b，c，d为经脉冲放电后，蓄电池可接受特性发生的变化。由图可知，如果按照正常接受率充电时间为，才能将蓄电池充满，而采用快速充电时，只需要时间即可，由图可见缩短了不少时间。放电脉冲是当充电电压接近析气电压时而产生的。图4.3 高效快速充电示意图当充电电流大于蓄电池接受能力进行充电时，多余的电流将在蓄电池内部促进水的电解反应，在蓄电池内部将产生大量的气体，这样会严重影响到蓄电池的寿命，而这种现象产生的主要原因就是由于蓄电池内部极化严重引起的。因此，要实现快

53、速充电，就必须将充电过程中产生的极化消除，常用的方法是在蓄电池充电的过程中实时地暂停充电，并适当加入合适的放电脉冲。蓄电池一旦接近全满时，其内部的活性物质大部分已经恢复为原来的状态，这时候为防止过充，采用浮充电压对蓄电池进行充电。浮充电压根据蓄电池的实际要求设定，对于12V的铅酸蓄电池来说，一般在13.414.4V之间。蓄电池进行放电时，系统控制是维持直流母线电压的稳定。当蓄电池的电压接近过放电压时，给出警报，如果低于了过放电压，则蓄电池停止放电，并断开与直流负载路灯的连接，在蓄电池开路电压低于设定启动电压时不允许再次使用，这样可以延长蓄电池的使用寿命。4.3 充放电系统电路实现蓄电池充放电系

54、统采用双向直流升/降压式变换电路作为蓄电池与太阳能和风能输出端直流电压的功率平衡控制，蓄电池充放电系统的电路如图4.4所示，主要的控制元件为一对功率开关管（Q1和Q2）。当太阳能和风能系统提供的功率小于负载所需时，为了维持直流侧电压的稳定，将升/降压变换器工作在升压模式（Q1截止，Q2导通），蓄电池实现放电：当太阳能和风能系统提供的功率大于负载所需时，为了维持直流侧电压的稳定，将升/降压变换器工作在降压模式（Q1导通，Q2截止），蓄电池实现充电。图4.4 蓄电池充放电系统电路图 第5章 参数确定及设备选择5.1 发电量与用电量计算根据设计要求，路灯功率为60W，工作10h系统总功率，根据所查阅

55、的锦州气象资料：风力发电机与太阳能电池组件同时不能发电的最大连续时间为3d,太阳能电池组件不能发电的最大连续时间为12d,风机不能发电的最大连续时间为6d。（1）发电量计算。经查阅资料锦州属于类太阳能资源，每年风速3m/s以上时间超过3500h地区，。在太阳能资源属类可利用区，lWh太阳能电池转换太阳能辐射量为45005500MJ/年，为安全计，取转换太阳能辐射总量为4500MJ/年，配置的太阳能电池组件的日均发电量应为，式中：0.8为安全系数。由于道路照明灯具的安装地点的障碍物状况不确定性，灯具安装地点的年平均风速为4m/s，配置的风力发电机的平均功率为0.1kW，日均发电量应为,式中：0.

56、8为安全系数。风光路灯配置的日均总发电量为1.178kWh，考虑到蓄电池的转换效率为0.7，则实际有效日均发电量为鉴于风能与太阳能的良好互补性，以年均资源换算而得的日均资源的可靠性良好，加之风光发电的计算值均取低值，并各考虑了0.8的安全系数，所得的日均发电量数据是安全可靠的。（2）用电量计算。按配置选用60W的LED灯，以每天亮灯10h计算，灯具每天耗用电量为0.60kWh。配置的蓄电池容量为蓄电池充满的情况下放电量按60%计算，连续放电的时间为，即蓄电池能满足3天不充电且每天可靠亮灯10h。5.2 设备参数确定（1）蓄电池组的确定由，式中：24V为蓄电池充放电电压，70%为放电深度，90%

57、为蓄电池误差余量。已知,得根据蓄电池的实际规格以及尽量减少蓄电池数量的原则，取C=140Ah，实际配置为2V140Ah蓄电池12块组。（2）风力发电机功率确定在太阳能电池不能发电的天气里，通常是连续阴雨天，此时风速和持续时间均大大超过年平均风速和时间，根据气象资料以及该站点的自然环境，在此取该时段内4级风，将C和P代人该式，计算得，根据风力发电机的规格和实际安装和使用的可靠性，取。实际配置为：1台150W风力发电机。（3）太阳能电池板功率确定太阳能电池功率的确定。在风力发电机不能发电的天气里，通常是连续晴天，而且每天日照时数大大高于年平均日照时数，根据气象数据和自然环境，取。代入C和P可计算得

58、，根据太阳能电池板的规格以及安装的方便美观，取，实际配置为：块。5.3 LED路灯的选择5.3.1 LED的原理LED是发光二极管(LightEmittingoiode)的简称,也被称作发光二极管,这种半导体组件一般是作为指示灯!显示板,它不但能够高效率地直接将电能转化为光能,而且拥有很长的使用寿命,与传统灯泡相比,同时具备不易碎,非常省电等优点。发光二极管是由嫁(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物制成的二极管,它是由一个PN结组成的,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发

59、辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。磷砷化嫁二极管发红光,磷化嫁二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光。5.3.2 LED灯的特点发光二极管作为一种新颖的半导体光源,其特点为:(l)节能。LED能耗较小,随着科学技术的进步,它将成为一种新型的节能照明光源,目前白光功率LED的出光效率已经达到16llm/W,超过了荧光灯的平均水平,远远高于白炽灯和卤钨灯的发光效率.预计到2020年,白光LED的发光效率将达到或超过2001/W,那时将超过所有的传统光源。(2)环保

60、。现在广泛使用的荧光灯、节能灯和汞灯、金卤灯等电光源中都含有危害人体的汞,而且积累性的,较难排出。这些光源的生产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染,LED则没有这些问题。LED的可见发射光不含有红外和紫外线,是一种清洁光源。另外,由于节能可以减少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物等有害气体排放,起到了保护大自然的作用。(3)美化生活。发光二极管已能发出各种颜色的光,而且发光效率很高,加上先进的驱动和控制技术,可以得到五光十色、鲜艳灵活的各种效果,照明得到了空前的发展,正向人性化、智慧化和艺术化方向发展。(4)寿命长。LED的寿命可以长达510亿小时,传统光源在这方面无法与之相比。白炽灯为1000小

61、时,荧光灯、金卤灯为10000小时,高压钠灯为20000小时。(5)启动时间短。L印的响应时间只有几十纳秒。白炽灯的响应时间为零点几秒,在一些需要快速响应或高速运动的场合,应用LED作为光源是很好的选择。(6)结构牢固。LED是一种全固态的光源,其结构中不含有玻璃、灯丝等易损坏的部件,所以耐振动、抗冲击,不易损坏。因此LED光源可以用于条件苛刻的环境。(7)可以做成薄型灯具。传统光源都是向周围发射,设计灯具为了提高光线利用率,常常采用反射器收集光线并向需要的方向照射,反射器与光源之间有一定的距离,而反射器又有一定的曲率,因此导致灯具就有相当的厚度。但是发光二极管具有很强的方向性,在大多数情况下不需要使用反射器,这样设计成的灯具厚度较小,就可以做成薄型美观的半导体照明灯具,尤其适合没有太多灯具安装空间的场合。中间视觉条件是LED路灯取代钠灯的主要原因。中间视觉是由人眼视网膜的生理构造决定的。视网膜是是觉得光学过程和电生理的接口。当光线通过透镜会聚到视网膜背面的感受细胞时,视觉过程就开始了。感受细胞根据其形状,可分为柱状细胞和锥状细胞。感受细胞的光敏色素就如同探测器,它能有效地把光能转化为神经脉冲,进而启动视觉过程。5.3.3 LED路灯设计LED路灯的整体效率由4个效率决定：功率LED的发光效率、二次光学设计达到的光线利用率、良好散热以保证LED发光效率的保持率、驱动电