实现风光互补的LED路灯控制器

在风光互补LED路灯中，控制器主要包括风电控制单元、光电控制单元和蓄电池充放电控制单元三部分。控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化、蓄电池的充电状况来控制风力发电机组、太阳能电池阵列的运行方式和开断情况，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。一方面把调整后的电能直接送往直流负载，另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，从而保证负载的正常供电以及系统各个部分的安全运行和整个系统工作的连续性和稳定性。

控制器是由一些电子元器件组成，如电阻、电容、半导体器件、继电器等。简单地说，控制器就是一个“开关”。对于风力发电部分，当风力发电机发出的交流电经整流后，如蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路导通，风力发电机向蓄电池充电，当蓄电池电压上升达到保护电压时，充电控制开关电路断路，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充电。但是，根据蓄电池的充电特性，这时，蓄电池电压会慢慢下降，为防止蓄电池充电不足，当其电压下降到一定值时，充电控制开关导通，对蓄电池进行自动补充充电，该状态一直保持到下一次充电保护为止。

控制器是整个风光互补LED路灯的管理和控制的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，高性能的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点，恢复连接点等。在选择控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果控制器各参数点设置不当，则可能缩短蓄电池和用电负载的使用寿命。

在风光互补LED路灯中的控制器必须具备蓄电池过充保护、过放保护、防反接等保护功能。

在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿功能，以及具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。对于风光互补LED路灯的设计，成功与失败往往就取决于控制器的选型设计，如果没有一个性能良好的控制器，就不可能有一个性能良好的风光互补LED路灯。

控制器防止反充电功能的实现方法是在发电回路中串联一个二极管防止反充电，这个二极管应选用肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管实现防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低。而控制器的防过充电控制功能的实现方法是在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，由电压控制电路控制晶体管的开关，将风光互补发电部分产生的过盈电能通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。

控制器的防过放电功能的实现方法是设置放电截止电压，因风光互补LED路灯的负载功率相对于蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。由于蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以风光互补LED路灯的控制器应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3～-7mV/℃，通常选用-4 mV/℃。

由智能控制器驱动的MOSFET充电模块，可根据系统的不同，选取不同电压等级的MOSFET，来实现系统对蓄电池的充放电管理。控制模块根据不同的MOSFET栅极电压设计，由智能控制器控制MOSFET模块的输出状态。智能控制器由LCD液晶显示模块、键盘、MCU组成，是风光互补LED路灯控制、管理的核心，驱动MOSFET充电模块实现对蓄电池的双标三阶段充电，以及实时保护和数据再现与传输等功能，同时提供风力发电机的磁电限速保护，在风力发电机过功率时，给风力发电机反向磁阻力矩，降低风力发电机转速。

风光互补LED路灯控制器应可以同时利用太阳能和风能，以提高风能和太阳能的综合利用效率。控制器必须具有风力发电充电电路和光伏充电电路，两充电通道要各自独立和有效隔离。控制器的风电充电电路的最大功率要大于或等于风力发电机组额定输出功率的2倍。控制器的光伏充电电路的最大功率应大于光伏发电系统功率的1.5倍。控制器应具有通信接口，并预留直流充电接口。同时，控制器的电磁兼容应符合相关规范要求。

风光互补LED路灯控制器是集风能、太阳能发电控制于一体的智能型控制器。控制器不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池所发出的电能对蓄电池进行充电，而且还提供系统所需的各种控制和保护功能。

控制器采用PWM无级卸载方式控制风机和太阳能电池对蓄电池进行智能充电，在太阳能电池和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时，控制系统必须将多余的能量消耗掉。普通的控制方式是将整个卸荷负载全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被消耗在卸荷负载上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分阶段接上卸荷负载，阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。最好的控制方式是采用PWM（脉宽调制）方式进行无级卸载，可达到上千级的卸载。所以，在正常卸载情况下，使用这种方法可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，只是将多余的电能释放到卸荷负载上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。

由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。风光互补控制器通过微处理器实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风力发电机的输出电流和光伏发电单元的输出电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏，从而确保了蓄电池的使用寿命。

风光互补控制器以微处理器为核心，由于采用现代电力电子模块化技术使得外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，从而实现高充电效率，低空载损耗等优异的性能。风光互补控制器的主要功能有以下几方面

1）按预先设定的风速值（一般为3～4m/s）自动启动风力发电机组，当风速大于最大运行速度（一般设定为25m/s）时实现自动停机。

2）光伏发电部分的控制采用微处理器实时对蓄电池电压、环境温度、太阳能电池的电压等参数进行检测判定，以实现各种控制和保护的功能。智能化跟踪最大功率，确保电能的最高利用率。采用升降压DC/DC变换技术控制其输出电压就可以实现控制风力发电机及太阳能电池阵列的输出电流，通过调节输出电流使得风光发电单元始终工作在最大功率点，即所谓的最大功率点追踪（MPPT）控制。(www.xing528.com)

3）风力发电部分的控制采用微处理器和PWM脉冲宽调制充电方式，可高效率地实现对蓄电池的充电，同时具备了完善的蓄电池电压监控、温度监控、自动关停风力机和充电指示等功能。

4）风光互补发电采用交错并联控制，由DSP对两个变换器进行分别控制，其输出电压的PWM脉冲相位相差180°，其电流波动幅度和电磁干扰与传统控制方式相比均能够降低。

5）直流母线电压控制。直流母线电压的稳定控制由蓄电池来完成，蓄电池经过一个能量可以双向流动的DC/DC变换器与直流母线相连接。

6）智能控制泄荷电流，保障最大输出电流。

7）具有DSP数据采集与存储系统，能够对太阳能电池阵列及风力发电机的发电数据以及用电数据进行采集和处理，并具有遇强风偏航/制动控制功能、数据远传功能、远程遥控功能。

8）数据监控。风光互补发电系统的数据监控具有以下功能：通过监控系统实时获取风光互补发电系统的运行数据并监控各种警告；为设备维护和管理提供基础运行数据。

风光互补发电控制是以微处理器为控制核心，可独立运行，并通过RS-485与上位机通信，组成监控系统。在系统中，上位机主要用于完成对键盘、液晶和指示灯的控制，交换数据及通信等功能。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可实现风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电三种运行模式。风光互补发电系统根据运行状态又可分为充电状态、负载状态（放电状态）、保护状态。系统同时监测光伏发电单元、风力发电单元、负载和蓄电池组的状况，在相应条件下，进入对应的状态。在每一状态中，系统不仅完成自身阶段的工作，还可裉据用户需要给出相应的系统参数显示、多系统之间的通信及系统与上位机之间的通信。系统在初始化中，完成参数的设定，如光伏发电单元电压、电流、负载、过压、过流保护参数；风力发电机的电磁保护参数；铅酸蓄电池双标三阶段充电的充电系数，同时也完成系统人机通信（键盘、液晶模块、LED等）的初始化和系统通用串行通信模块的设定。

系统通过实时采样模块、上位机触发信号和用户控制信号联合判断系统所处的状态。首先，通过实时采样模块采集系统的实时电压、电流，判断光伏发电单元、风力发电单元、储能蓄电池和负载的状况，从而决定系统应处的状态。其次，上位机触发信号和用户控制信号也联合控制系统状态，可强行控制系统从一种状态转入另一种状态。

系统在充电状态中以双标三阶段充电法对铅酸蓄电池进行充电，在线对系统中光伏发电单元、风力发电单元、蓄电池和负载的状态信息进行采集，合理完成灌充和过电压恒充，并以浮充状态维持蓄电池的电压和容量。

在负载状态（放电状态）中，需要提供直流电给负载，同时监测蓄电池组的状态，在到达设定条件时，与备用蓄电池组实现轮流充放电，以提高系统对能源的利用。另外，在负载状态时，蓄电池的状态也需实时监测，以免过放电对蓄电池造成损害。

当风光互补系统中的光伏发电单元、风力发电单元、蓄电池、负载以及系统内部的状态参数到达所设的保护值时，系统进入保护状态，避免了短路、过压、过流等对系统的危害，保障系统的正常运行。如对风力发电机的磁电限速保护、蓄电池的过放电保护，以及对负载的过压保护等。

同时，系统提供了方便的人机接口，可在线获取系统中充放电的电流、电压参数及系统的状态参数。通用串行通信模块提供了系统之间、系统与上位机之间的通信，方便的输入控制和多种显示输出以及灵活的通信不仅保障了系统的安全运行，也利于系统的维护、检修和管理。