分布式并网太阳能路灯控制装置

1.一种分布式并网太阳能路灯控制装置，其特征在于：包括光伏电池阵列、集中控制系统、蓄电池阵列和逆变器，所述光伏电池阵列、蓄电池阵列分别与所述集中控制系统连接，所述集中控制系统与所述逆变器连接，所述逆变器的交流输出端与安装在道路上的路灯序列电源连接，所述集中控制系统包括传感器子系统和用以根据光照强度与预设阈值大小比较选择性地控制光伏电池阵列将太阳能转换为电能储存在蓄电池阵列中或蓄电池阵列放电并通过逆变器向路灯序列供电的上位机控制中心子系统；所述传感器子系统包括用以检测路灯工作环境的光照强度的日照传感器。
2.如权利要求1所述的分布式并网太阳能路灯控制装置，其特征在于：所述逆变器连接吸收式单刀双掷式受控开关的一端，所述吸收式单刀双掷式受控开关的第一输出端与所述路灯序列连接，所述吸收式单刀双掷式受控开关的第二输出端与市电电网连接。
3.如权利要求1或2所述的分布式并网太阳能路灯控制装置，其特征在于：所述传感器子系统还包括：用以检测光伏电池阵列工作环境温度的温度传感器，用以检测光伏电池阵列工作环境湿度的湿度传感器。
4.如权利要求2所述的分布式并网太阳能路灯控制装置，其特征在于：所述吸收式单刀双掷式受控开关的第二输出端与所述市电电网之间的线路上连接用以计量并网过程中供电与用电的差值的正反方向旋转的电表；所述吸收式单刀双掷式受控开关的第一输出端与路灯序列之间的线路上连接用以计量路灯系统使用市电的电量的正向旋转的电表。

分布式并网太阳能路灯控制装置\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及太阳能路灯系统及其检测与控制领域，尤其是涉及分布式光伏微网的路灯控制装置。 \n背景技术\n[0002] 随着经济的发展，能源短缺是全世界各个国家都面临的问题。同时作为最重要的可利用的石化能源物质如煤炭、石油、天然气等正面临着枯竭的危险，能源短缺问题正变得越来越严重，并影响到人们的生活水平。另一方面，石化能源所带来的环境污染、气候变暖等问题已无法忽视，影响了可持续发展、节能环保理念的发展与推广，正越来越受到人们的关注。在众多的新型能源中，太阳能具有清洁无污染、安全可靠、制约少、用之不尽取之不竭、可持续利用等优点，从而具有不可比拟的优势。分布式发电能就地消化电力，节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗；而且与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性。\n[0003] 我国太阳能资源非常丰富，在我国研究太阳能、微型电网等相关技术不仅具有现实的经济、社会、环境等效益，也具有优良的条件。太阳能作为清洁新能源正被广泛地应用于各个领域。太阳能路灯系统在运行过程中节能、经济且环保，具有显著的经济效益和社会效益，日益受到政府的重视和社会的认可。政府各界正积极加大太阳能路灯照明的推广力度，不断完善制度和管理，实现太阳能路灯照明事业的健康、可持续发展，为节能减排可持续性发展做出贡献。现有的太阳能路灯系统都是独立的系统，如专利申请号为：\n201010152706.1、200910106054.5等中国发明专利申请公开说明，通常包括光伏电池板、控制器、蓄电池、照明灯具、灯杆及相关防护装置等，如附图1所示。若照明灯具是使用交流电，该系统还需包括一个微型逆变器。该独立系统将光伏电池板固定在灯杆的顶端，蓄电池和控制器被安装在灯杆中间或埋在路面下。光伏电池板在光照度强时将阳光转为电能给蓄电池充电。光线度渐弱时，控制器自动起动开关，蓄电池为照明灯供电；光照度渐强时，蓄电池停止为照明灯供电，光伏电池板重新开始转化太阳能为电能，蓄电池继续充电。由于太阳能路灯具有环保，施工无须开挖路面，适宜偏远地区等优点，受到了各地特别是政府部门的青睐。然而在具体的实施过程中，现有的太阳能路灯系统方案存在着许多缺陷：\n[0004] 1)每盏路灯都独立成一个微型光伏系统，成本高不经济。目前光伏电池和蓄电池是整个光伏系统中成本最高的组件，大规模的光伏系统可以提高光伏电池和蓄电池的利用效率，降低应用成本。\n[0005] 2)考虑到连续阴雨天气的因素，蓄电池的容量和光伏电池的功率必须在负载日耗量的6倍以上，初期投资也被放大6倍。同时由于冬季和夏季光照强度和时间差异的影响，能源和设备存在巨大的浪费，而且在冬季蓄电池常常处于过放的运行状态，缩短了蓄电池的使用寿命。\n[0006] 3)每盏灯的控制系统都分散独立，由于传感器件和光控不稳定因素的影响，路灯的开关时间不一致，无法统一控制，而且不能满足城市防空或其他方面的灯光管制要求。\n[0007] 4)在灯杆高处安装大面积的光伏电池和蓄电池，由于风力的剪切作用对灯杆的应力极大，存在安全隐患，而且灯杆的制作成本高于普通灯杆，也加大了初期投入。\n[0008] 5)由于路灯分散，且光伏电池和蓄电池在高处，日常维护不方便，光伏电池板和蓄电池被盗严重。\n[0009] 6)现有方案只能应用于新的路灯系统中，无法利用现有的路灯系统设施将其改造为太阳能供电的系统。\n[0010] 综上所述，现有的太阳能路灯系统方案并不经济实用。\n发明内容\n[0011] 为了克服已有的太阳能路灯的稳定性差、光伏电池和蓄电池利用率较低、应用成本较高、维护性较差的不足，本实用新型提供一种稳定性高、光伏电池和蓄电池利用率较高、应用成本较低、维护方便的分布式并网太阳能路灯控制装置。\n[0012] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：\n[0013] 一种分布式并网太阳能路灯控制装置，包括光伏电池阵列、集中控制系统、蓄电池阵列和逆变器，所述光伏电池阵列、蓄电池阵列分别与所述集中控制系统连接，所述集中控制系统与所述逆变器连接，所述逆变器的交流输出端与安装在道路上的路灯序列电源连接，所述集中控制系统包括传感器子系统和用以根据光照强度与预设阈值大小比较选择性地控制光伏电池阵列将太阳能转换为电能储存在蓄电池阵列中或蓄电池阵列放电并通过逆变器向路灯序列供电的上位机控制中心子系统；所述传感器子系统包括用以检测路灯工作环境的光照强度的日照传感器。\n[0014] 进一步，所述逆变器连接吸收式单刀双掷式受控开关的一端，所述吸收式单刀双掷式受控开关的第一输出端与所述路灯序列连接，所述吸收式单刀双掷式受控开关的第二输出端与市电电网连接。\n[0015] 再进一步，所述传感器子系统还包括：用以检测光伏电池阵列工作环境温度的温度传感器，用以检测光伏电池阵列工作环境湿度的湿度传感器。\n[0016] 更进一步，所述吸收式单刀双掷式受控开关的第二输出端与所述市电电网之间的线路上连接用以计量并网过程中供电与用电的差值的正反方向旋转的电表；所述吸收式单刀双掷式受控开关的第一输出端与路灯序列之间的线路上连接用以计量路灯系统使用市电的电量的正向旋转的电表。\n[0017] 本实用新型的技术构思为：本实用新型将分布式微网的控制方法与电力调度策略引入到太阳能路灯照明系统，设计了一种新型的分布式并网太阳能路灯的控制方法与架构装置。\n[0018] 由光伏电池阵列、集中控制系统、蓄电池阵列、逆变器、双向电量计量等几部分组成，采用特有的控制方法与调度策略为路灯序列供电，如附图2所示。其中光伏电池阵列与蓄电池阵列为太阳能转换与存储装置。光照度强时光伏电池阵列将太阳能转换为电能存储在蓄电池阵列中，光照度弱时蓄电池阵列放电，逆变器将蓄电池输出的直流电转换为与市电相同的交流电供路灯系统照明。路灯序列为目前既有的通用路灯照明系统，只需将路灯系统的市电电源输入端加入到本系统逆变器输出端即可，同时将市电电源输入由集中控制系统管理，能在不改变现有路灯系统设施的前提下，采用太阳能为路灯系统供电。\n[0019] 本实用新型的有益效果主要表现在：本实用新型的有益效果主要表现在：\n[0020] 1)在现有的路灯设施上实现了太阳能供电的路灯照明，有利于环保与节能减排，而且无需对既有的系统整改，无需定制非标准的照明灯具和强化灯杆，实用性强，实施方便；\n[0021] 2)实现了光伏电池与蓄电池的规模化集成，提高了设备的资源利用率，降低了项目实施难度与初期投入；\n[0022] 3)通过并网发电与用电，一方面将夏季多余的电力馈给市电电网，另一方面实现了一年四季中不同气候和光照条件下路灯系统稳定可靠地照明，减少了光伏电池和蓄电池的备用余量，避免了能源浪费和资源浪费；\n[0023] 4)实现了整个系统集中实施与集中管理，采用了可视化的管理中心，增强了系统功能，方便系统维护，增强了系统的稳定性和可靠性，并降低了维护成本；\n[0024] 5)路灯系统采用统一的光控和时控，保证了路灯开启和关闭时间一致，稳定可靠。\n而且实现了路灯的按需控制，以满足城市道路的特殊照明与灯光管制的要求，控制灵活。\n附图说明\n[0025] 图1是现有的独立太阳能路灯控制结构图；\n[0026] 图2是本实用新型中分布式并网太阳能路灯装置结构图；\n[0027] 图3是本控制系统结构框架；\n[0028] 图4是路灯系统控制方法与调度策略\n具体实施方式\n[0029] 结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。\n[0030] 参照图2～图4，一种分布式并网太阳能路灯的控制装置，由光伏电池阵列、集中控制系统、蓄电池阵列、逆变器、双向电量计量等几部分组成，采用特有的控制方法与调度策略为路灯序列供电，如附图2所示。其中光伏电池阵列与蓄电池阵列为太阳能转换与存储装置。光照度强时光伏电池阵列将太阳能转换为电能存储在蓄电池阵列中，光照度弱时蓄电池阵列放电，逆变器将蓄电池输出的直流电转换为与市电相同的交流电供路灯系统照明。路灯序列为目前既有的通用路灯照明系统，只需将路灯系统的市电电源输入端加入到本系统逆变器输出端即可，同时将市电电源输入由集中控制系统管理，能在不改变现有路灯系统设施的前提下，采用太阳能为路灯系统供电。\n[0031] 所述的光伏电池阵列其功率对应于路灯序列负载的一日耗电量，充电时间按冬季当地最少阳光照射时长计算，计算公式为：Ps＝WR/t·C，其中WR为路灯负载一日耗电量，t为一天最短日照时长，C为系统的综合效率，Ps即所需的光伏电池阵列的功率。光伏电池阵列同时作为光敏元件判断环境光照度的强弱，并反馈到控制中心以便决策路灯的开启与关闭。\n[0032] 所述的蓄电池阵列容量为路灯负载的一日耗电量，其充放电由控制系统集中管理，并在控制模块中集成了较为准确的过充与过放点保护，能延长蓄电池的使用寿命。\n[0033] 所述的逆变器将蓄电池释放的直流电转为市电标准的交流电，一方面能接入既有的路灯系统供路灯照明，另一方面可以与市电并网，在光伏电池阵列电力充裕的情况下向市电网供电。\n[0034] 所述的路灯序列为通用既有的路灯系统，无需对现有的路灯系统进行改造。而且灯具、灯杆等配件为成熟的标准配件，市场采购方便降低系统成本，进而降低初期投资[0035] 所述的集中控制系统其特征在于：系统由6个子系统组成，包括上位机控制中心子系统、蓄电池阵列管理子系统、光伏电池最大功率点跟踪与控制子系统、光伏电池板的自动阳光追踪与控制子系统、路灯智能开关子系统、传感子系统以及孤岛探测与控制子系统，如附图3所示。控制系统集中控制着光伏电池阵列、蓄电池阵列、逆变器等协调工作，并具有历史事件记录，蓄电池过充与过放保护、光伏电池最大功率点跟踪与自动阳光追踪、防孤岛效应以及智能路灯开关等功能。\n[0036] 所述的上位机控制中心子系统其实体为一套智能监控软件，能实时显示各部分设备的工作状态，并根据其工作状态向各部分设备发送控制指令。同时该控制中心能记录各部分设备的历史事件，以方便维护与可追溯性检查。\n[0037] 所述的蓄电池阵列管理子系统具有过充与过放的保护功能和充电过程中温度补偿功能。为了减小充电过程中电流对蓄电池的冲击，充电过程采用3段的充电策略，即快充阶段、恒压充电阶段和浮充阶段。当蓄电池接近全充满时，为防止过充而进入浮充阶段，即采用比正常充电更低的充电电压Vf进行充电。浮充阶段充电电压Vf的计算公式为：Vf＝V0+(T-25)·C。其中V0为蓄电池基准充电电压，T为当前温度，25℃为基准温度，C为温度补偿系数。当蓄电池达到过充点时，控制子系统切断充电电路，并反馈给控制中心，由控制中心调度逆变器将多余的电力通过并网向市电电网供电；当蓄电池达到过放点时，控制子系统切断蓄电池供电电路，并反馈给控制中心，由其调度市电电网的电力为路灯照明。\n[0038] 所述的最大功率点跟踪与控制子系统根据传感系统得到的日照强度、温度、湿度等环境参数，采用自适应模糊神经推理系统(Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System--ANFIS)自动调整输出电压，以使光伏电池阵列达到最大的输出功率。\n[0039] 所述的光伏阵列自动阳光追踪与控制子系统能根据当地阳光运行规律按差异阶梯步进(Difference Step Ladder--DSL)的方法自动调整光伏电池板的倾斜角，以保证电池板始终以最好的角度正向太阳，最大限度地接收太阳光的照射。\n[0040] 所述的路灯智能开关子系统根据传感子系统得到并行多路传感数据，采用数据融合的方法确定光照信息值，与内设的光照强度阈值比较得到光照强度开启信号，然后与时间开启信号取“与”逻辑，由控制电路自动开启或关闭路灯序列，同时该子系统能接受控制中心的指令以随时开启或关闭路灯序列，以满足城市街道的灯光管制或其他特殊的光照要求。\n[0041] 所述的传感子系统采用区域分布式的拓扑结构，采集设施工作环境中的温度、湿度、日照强度等，并将环境参数打包为现场总线数据包，然后采用TCP/IP通信协议传递给控制中心以供决策。\n[0042] 所述的电量计量系统其实体为一个能正反两个方向计量用电量的电表和一个只能正向计量用电量的电表，用以计量该路灯设施在并网过程中与市电电网发生能量交换的量值。其中正向旋转的电表用以计量路灯系统使用市电的电量，正反方向旋转的电表用以计量并网过程中供电与用电的差值。\n[0043] 所述的孤岛探测与控制子系统在路灯系统并网过程中采用主动频率偏移法(Active Frequency Drift--AFD)探测本路灯设施系统与市电网的供电状态，当路灯设施系统处于孤岛状态时控制中心控制逆变器停止向市电电网供电。\n[0044] 所述的控制中心并网调度策略其特征为：蓄电池阵列的容量按照路灯序列负载的一日耗电量配置，光伏电池板的功率按冬季最短日照时间配置，在夏季或其他季节光照充裕的时间里，光伏电池阵列发电量远大于路灯序列的用电量。当蓄电池阵列电量满后，控制中心将启动逆变器与市电电网并网，将剩余的电量向电网供电。在冬季或连续多日的阴雨天气，当蓄电池处于过放阶段时，控制中心将调度市电电网向路灯序列供电，如附图4所示。该策略一方面提高了设备利用率，大幅减小了设备的配置，减小了初期投入，另一方面保证了路灯照明系统在任何时间稳定而可靠地工作。\n[0045] 本实施例为杭州市内一条行人公交道路的路灯系统的改造，道路长5公里，共有\n330盏高压钠灯，每盏路灯250瓦，正常天气情况下最长亮灯时间为10小时，一日耗电量为\n825千瓦·时，而一天最短日照时间即光伏电池阵列有效工作时间为8小时。\n[0046] 该并网太阳能路灯系统由光伏电池阵列、集中控制系统、逆变器、蓄电池阵列以及现有的路灯设施组成，如附图3所示。按照功率容量关系计算得到光伏电池阵列总功率为\n110kW，蓄电池阵列为370个12V@200Ah的铅酸密封蓄电池，总容量为48V@18500Ah。控制系统集成了上位机控制中心子系统、蓄电池阵列管理子系统、光伏电池最大功率点跟踪与控制子系统、光伏电池板的自动阳光追踪与控制子系统、路灯智能开关子系统、传感子系统以及孤岛探测与控制子系统。上位机控制中心为一套智能监控软件，采用面向对象的VC++编程方式编写，并具有历史事件记录功能以方便事件的可追溯性查询和方便维护。蓄电池阵列管理子系统具有蓄电池过充与过放保护功能。蓄电池充电过程采用3段的充电策略，即快充阶段、恒压充电阶段和浮充阶段，并且根据蓄电池阵列特性，浮充电压Vf计算公式中温度补偿系数C取值为0.015。光伏电池最大功率点跟踪采用自适应模糊神经推理系统(ANFIS)算法根据温度、光照度、负载特性等参数自动调整光伏电池阵列的工作参数以得到最大功率输出。光伏阵列自动阳光追踪与控制子系统采用差异阶梯步进(DSL)的方法能根据当地阳光运行规律按自动调整光伏电池板的倾斜角，以保证电池板始终以最好的角度正向太阳，最大限度地接收太阳光的照射。孤岛探测与控制子系统采用主动频率偏移(AFD)法能在路灯系统并网过程中主动探测本路灯设施系统与市电网的供电状态，当路灯设施系统处于孤岛状态时控制中心将控制逆变器停止向市电电网供电。智能路灯开关子系统采用多组光照度参数得到光照度开关开启信号，然后与时间开启信号取”与”逻辑得到路灯序列开关信号。\n[0047] 光伏电池阵列安装在道路旁的一厂房的屋顶上，控制中心、蓄电池阵列与逆变器等被安放在厂房一楼的专用房间内，并有专人负责维护。在屋顶的光伏阵列旁安装温度与光照强度传感器，监控系统与蓄电池旁安装温度、湿度传感器，传感器所采集的环境数据被打包为ModBus数据包，然后以TCP/IP通信协议传递至控制中心。\n[0048] 太阳能路灯控制方法与电力调度策略如图4所示。在冬季或阴雨天气，该系统的光伏电池与蓄电池阵列的功率与容量足够路灯序列在夜间稳定地照明工作，而在连续阴雨天气的情况下，蓄电池处于过放状态时，控制系统能自动切断蓄电池供电，并将路灯序列接通市电电网，由市电网供电。在夏季或春秋季阳光充沛的时间，光伏电池阵列发电在充满蓄电池后仍有剩余。当控制系统探测到蓄电池处于过充状态时，能自动切断充电电路，并开启孤岛探测子系统，然后开启逆变器将多余的电力通过并网向市电网供电，而在此时，由于城市中大量使用空调而出电能短缺的状况，正好起到了市电电网峰值调节的作用。\n[0049] 路灯序列采用光控与时控相结合的智能控制，并直接使用光伏电池阵列作为光敏传感器来识别光照强度的强弱。当控制系统探测到光伏电池阵列的输出电流小于设定阈值时，而且时间计时器计时到达时，控制系统将向路灯序列供电，能统一整齐地点亮路灯，反之将统一关闭路灯。同时在城市灯光管制或路灯设施维护时，控制系统能按需要随时灵活地开启或关闭路灯系统。\n[0050] 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。