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新能源及其智能化技术是提高道路照明节能增效及管控的有效途经

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-09-04  来源:《电气&智能建筑》  作者:鲁维德
近年来,随着计算机网络技术、无线通讯技术、物联网技术、电力电子自动化技术的飞速发展,城市路灯控制方式也步入到智能化、自动化、信息化、网络化管理模式。为此改造和保证原有设备的安全性,达到路灯节能增效,建设城市路灯及景观灯智能的城市照明智能管理系统。就应然而,随着新能源与存储技术及驱动器技术的发展使城市路灯控制与节能方式有了新的突破。除了上述技术之外,其中以新一代LED道路照明源和应用新能源供电等多个方面成为发展趋势。值此本文将对新能源供电与新一代LED道路照明源等多方面技术提高道路照明节能及管控的有效途经作研讨,并以新能源中锂离子电池储能的技术特征及基于锂电储能技术的风光互补路灯管理与监控系统的应用为重点作分析说明。为叙述方便又以锂离子电池储能的技术开拓道路照明源是新潮的问题为首述。
 
1 锂离子电池储能的技术开拓道路照明源是新潮
 
如今新能源尤其是风力、光伏发电的比重将快速增加,对其利用效率和可靠接入方式提出了更高要求。但由于风电、太阳能在转化为电能时存在间歇和不可控的特性,导致其大规模接入会给电网的调度带来很大困难,同时影响电网的安全稳定。而储能技术的引入在相当程度上可改善新能源发电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网,提高其经济效益。其储能系统对于电网的意义在于:一方面可保障大型太阳能、风能等新能源发电大量接入与充分利用,同时可提高输配电设备的利用率,提高电网安全度,提高智能电网互动水平。
 
可见储能技术及储能系统的未来战略地位及其广阔的市场显得愈来愈重要,尤其是储能电池换为锂离子电池在这一领域应用是解决实际问题的一种有效途径。而伴随基于锂电储能技术的风光互补路灯管理监控系统的应用与监管又已成为引领道路照明又一举措,并是制造厂商与设计人员十分关注的重要课题。
 
2 锂离子电池的技术特征
 
锂离子电池是一种应用广泛的可充电电池,它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长,可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。之所以锂离子电池均是风光发电储能系统与专用智能型风光互补控制器的核心部件,取决于它具备传统铅酸蓄电池所没有的特征。众所周知,传统太阳能路灯的蓄电池主要采用铅酸蓄电池。该铅酸蓄电池在生产过程中和使用后的旧电池中的酸液和铅、铬等重金属,对人体、自然环境具有长期的破坏。尤其是旧的铅酸蓄电池随意抛弃的现象比较普遍,回收率较低。如今现在采用新型环保、大容量锂离子蓄电池是不失为一种有效选择。
 
锂离子电池是新型绿色环保蓄电池,主要结构分为正极、负极、电解液、隔膜。当放电时,锂离子从负极释放出进入正极,充电时,锂离子从正极释放进入负极。与其它蓄电池相比,锂离子电池的主要优点是储能密度高(300~400kWh/m3,130kWh/t),储能效率高(接近100%)和使用寿命长(每次放电不超过储能的80%时可充3000次)。其锂离子储能电池的优越性基本上可归纳为:比能量大(每公斤可达165WH,是铅酸电池、氢-镍电池的3倍);体积小(比氢-镍电池小30%);质量轻(比传统电池轻70%);循环寿命长(循环次数在2000次以上);自放电率低(每月自放仅为3%);无记忆效应(充电放电深度,不影响电池的容量及寿命);无毒、无污染(电池材料不存在有毒物质)。
 
锂离子电池按正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸亚铁锂等。如典型的太阳能路灯风光互补锂电池为磷酸锂铁电池(12V110Ah)其参数为:标称电压 12.8V,标称容量(0.5C)110Ah,模块尺寸(L×W×H), 260×158×245,模块重量15kg,最大持续电流50A,截止电压10V,充电上限电压14.6V,标准充电大于2.5h,直流内阻8mΩ,防水防尘。又可根据需求配电池保护板,可串并联使用。
 
3 锂电池在风光发电储能系统中的应用
 
3.1 风光发电站储能系统架构
 
储能系统在电网中的应用目的主要考虑“负荷调节、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷”等几大功能应用。比如:削峰填谷,改善电网运行曲线。其储能系统是在电站中的应用是一典型。据此储能电站就像一个储电银行,可以把用电低谷期富余的电储存起来,在用电高峰的时候再拿出来用,这样就减少了电能的浪费;此外储能电站还能减少线损,增加线路和设备使用寿命;优化系统电源布局,改善电能质量。而储能电站的绿色优势则主要体现在以下方面:科学安全,建设周期短;绿色环保,促进环境友好;集约用地,减少资源消耗等方面。那么,风光发电站储能系统架构如何,下文就值此以光伏并网发电站储能系统方案为例作说明。
 
在方案中,储能系统主要配合光伏并网发电应用,因此,整个系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统(BMS)、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。图1为光伏发电站储能系统架构图。
 
从图1可知,光伏组件阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能,然后对锂电池组充电,通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电;智能控制器根据日照强度及负载的变化,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或交流负载;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,保证了整个系统工作的连续性和稳定性;并网逆变系统由几台逆变器组成,把蓄电池中的直流电变成标准的380V市电接入用户侧低压电网或经升压变压器送入高压电网。锂电池组在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来,以备供电不足时使用。
 
3.2 储能子系统的构建
 
当今储能子系统采用模块化组件储能系统方案,其构建如图2所示。
 
考虑到要兼顾分布式储能与规模并网的应用,储能系统宜采用模块化组件搭建方式,主要包含电池组(模块)、电池管理系统(BMS)、双向储能变流器DC/AC与大功率PCS拓扑(Pole Changing Switch-换极开关)、监控(主机)保护系统四层构架。该模块化组件储能系统主要用于平抑太阳能光伏发电/风力发电的波动,改善电网对新能源的吸纳能力,同时兼有部分对电网谷电储能峰值供电作用。
 
3.2.1 储能电池组电池选用依据
 
它作为配合光伏发电接入,实现削峰填谷、负荷补偿,提高电能质量应用的储能电站。储能电池是非常重要的一个部件,必须满足以下要求:容易实现多方式组合,满足较高的工作电压和较大工作电流;电池容量和性能的可检测和可诊断,使控制系统可在预知电池容量和性能的情况下实现对电站负荷的调度控制;高安全性、可靠性:在正常使用情况下,电池正常使用寿命不低于15年;在极限情况下,即使发生故障也在受控范围,不应该发生爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障;具有良好的快速响应和大倍率充放电能力,一般要求5~10倍的充放电能力;较高的充放电转换效率;易于安装和维护;具有较好的环境适应性,较宽的工作温度范围;符合环境保护的要求,在电池生产、使用、回收过程中不产生对环境的破坏和污染。
 
3.2.2 电池管理系统(BMS)的要求
 
在储能电站中,储能电池往往由几十串甚至几百串以上的电池组构成。由于电池在生产过程和使用过程中,会造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。这种差异表现为电池组充满或放完时串联电芯之间的电压不相同,或能量的不相同。这种情况会导致部分过充,而在放电过程中电压过低的电芯有可能被过放,从而使电池组的离散性明显增加,使用时更容易发生过充和过放现象,整体容量急剧下降,整个电池组表现出来的容量为电池组中性能最差的电池芯的容量,最终导致电池组提前失效。因此,若对于磷酸铁锂电池电池组而言,均衡保护电路是必须的。当然,锂电池的电池管理系统不仅仅是电池的均衡保护,还有更多的要求以保证锂电池储能系统稳定可靠的运行。
 
3.2.3 大功率PCS拓扑实现
 
应符合大容量电池组电压等级和功率等级,结构简单、可靠稳定,功率损耗低,能够灵活进行整流逆变双向切换运行。随着新型电池技术的出现、功率器件和拓扑技术的发展,采用DC/DC+DC/AC两级变换结构,通过DC/DC先将电池组输出升压,再通过DC/AC逆变。适合大功率电池应用的DC/DC变换器拓扑主要采用非隔离型双向Buck/Boost电路,多模块交错并联实现扩容;DC/AC部分主要包括多重化、多电平、交错并联等大功率变流技术,以降低并网谐波,简化并网接口。若对较高电压等级(5~6kV)的电池组的PCS系统一般采用多电平技术,功率管采用IGCT或IGBT串联。至于储能变流器的实现,可用IGBT为代表的现代电力电子器件技术和以DSP、FPGA为代表的现代数字控制技术,以快速推动在中压、低压应用时日臻成熟完善。
 
当今基本的电力电子变流拓扑结构已经非常成熟。其储能变流器与风电变流器、光伏逆变器属于电力电子同源技术,拓扑及控制方式可以相互借鉴移植。
 
4 基于锂电储能技术的风光互补路灯管理与监控系统
 
4.1 基本构建 
 
新型风光互补锂电储能路灯管理与监控系统的架构与图1类似。主要由光伏电池、风力发电机、智能型风光互补控制器、锂电池组、LED灯、驱动模块、锂离子电池专用智能型风光互补控制器及监视控制模块组成。该系统主要技术指标为:其一是光伏电池的利用率,在系统配置中,光伏电池的利用率大于90%(指光伏电池能提供最大功率的百分率);其二是光度与照明时间控制,根据用户需要,分级别和时间段调解;可分为6个级别,3个时间段时行控制;级别选择参考电池电压、昼夜时间,根据用电历史记录进行优化计算,合理分配用电级别,实现光控与时控。实现光控与时控;其三是LED驱动模块,效率≥95,测试条件锂电池平台电压23V,输出功率60W;输入电压DCl2~36V;输出电压65V,输出电流≤320mA;亮度可调,无频闪。
 
该系统的核心部分是锂电池组与监视控制模块以及LED驱动模块。其中锂电池组、光伏电池、风力发电机、LED灯是系统控制与管理的对象。据此将对此作重点分析研讨。
 
4.2 风光互补路灯管理与监控系统主要功能
 
(1)锂电池管理。管理包括过压保护、欠压保护、均恒、过流保护、短路保护、温度保护等功能。能读取各节锂电池的电压,判定锂电池的状态,对锂电池进行过压保护、欠压保护;读取电压判定压差,当压差大于30mV时,对电池进行被动均恒;过流保护,当充放电电流大于25A时,充放电将被关闭,过5min后自动恢复;短路保护,当电流大于50A时,充放电自动断路,断路后5min恢复;温度保护,读取电池温度,当温度大于63℃时,系统断开充放电,直到温度下降低于60℃后才能恢复。而其锂电池保护模块可适应6~7节锂电池;具有过压保护及欠压保护功能;过流保护及短路保护功能,过流保护电流20A,短路保电流50A;温度保护功能,锂电池下作限定温度-10℃~65℃;均恒功能,压差大于30mV,启动均恒。
 
(2)太阳能充电控制。太阳能充电由太阳能电池板对锂电池进行充电,根据电池电压合理选择电太能电池板的电压,使光伏电池的利用率大于90%.在充电时,使用MOSFET的低内阻特点与肖特基二极管的低压降和单向导电性相结合,在小电流时,仅让电流过肖特基二极管对电池进行充电,当电流大于1A时,打开MOSFET开关,从而消除因二极管导通压降而带来的能量损失。这样既能防止电池电流倒灌,又能降低充电时的损耗。
 
(3)风能充电控制部分。可适应24V输出500W及以下的风力机。风力发电机的充电回路与太阳能的充电回路类似,也是肖特基二极管与MOSFET相组合,当小电流充电时,仅通过肖特工极管进行充电,电流比较大时,则通过MOSFET对电池充电,以减小损失。风能充电控制与太阳能充电控制部分的硬件电路都有温度检测,一旦温度比较高时,会及时切断充电,以保护在异常情况下的硬件电路。
 
(4)太阳能电池板的电压检测。测试太阳能电板的电压,判定是白天还是黑夜,决定亮灯与否。确定白天的起始时间与夜晚的起始时间,为后面的智能控制提供必要的参数。
 
(5)锂离子电池专用智能型风光互补控制器智能型风光互补控制器适用于风光互补供电系统,可以将太阳能电池和风力发电机产生的电能对蓄电池进行充电,给负载使用;智能型风光互补控制器由微电脑控制,充放电各参数点,温度补偿系数可以编程任意设定;智能型风光互补控制器提供了太阳能电池接反、蓄电池过压、蓄电池欠压、输入过载、输出过载、超风速飞车等多种保护;可实时测量蓄电池电压,负载电流,总光伏电流,每路光伏电流,蓄电池温度等十几个参数;智能型太阳能电池控制器具有稳压、稳流精度高、纹波小、效率高、输入电压范围宽等特点;智能型风光互补路灯控制器智能判断天黑与天明,自动控制亮灯和熄灯,亮灯持续时间可设为固定时间或根据蓄电池电量情况自动调整。
 
(6)道路灯光的智能控制。系统记录白天充电的电量,以及夜晚放电的电量,记录白天的时间,锂电池的电压等参数。由于锂电池的电压与铅酸电池不同,它有电压平台,在这个平台电压上,难以判断锂电池的剩余电量,因此必须根据电量记录芯片的电池容量作为判断的基础;如果电池长期处于浅充浅放,即没有充满,也没有放完的情况下,电量记录是有累积误差的,时间长了,误差也就大了。因此,根据每天的充放电量及白天和夜晚的时间,结合人们的活动情况,合理控制功率输出、可以满足连续多日阴雨(阴天也能充电)的情况下仍能照明的需要。
 
(7)风光互补系统在景观路灯配制中的应用实例(以WG-H0201为例)
 
其风力发电机为200W,太阳能电池板为55W×2,蓄电池为60Ah×2,LED为24W,控制器为12VDC/200W.应用于楼顶、海边、湖边、广场、企业/政府电动门供电、游牧民供电、森林防火供电、通信基站供电、渔船供电、生态环保公园、林荫小道、别墅庭院等。其应用示意如图3所示。
 
同样也可用WG-H0401型风光互补发电系统可应用在景观路灯配制之中。其指标为:风力发电机为400W,太阳能电池板为55W×2,蓄电池为80Ah×2,LED为30W,控制器为24VDC/400W.
 
5 新一代LED道路照明源应用
 
5.1 高功率LED应用
 
作为新一代LED道路或街道照明源(如图4所示),其高功率LED具有许多优点,如省电,高效和冷启动。高功率LED比较环保,具有较长的使用寿命,降低了维护成本。在研发中,一个约100W的LED灯照明强度能够相当于250W高压钠灯的照明强度,具有显著的功率效率。LED需要低电压直流电源,因此,如果是AC电源,需要AC/DC转换。则LED电源需要满足以下要求:PF>0.9,功率效率>85%,符合能源法规,恒定电流输出;高可靠性,过载保护,低脉动、工作温度-40℃~+70℃.
 
根据上述的要求,则一个典型的LED路灯照明方案应有有以下模块构建:桥式二极管,功率因数校正(PFC),绝缘DC-DC转换器,LED恒定电流控制器和LED灯具;而LED灯具包括LED,透镜和散热器。根据不同的输出功率,PFC可能在非连续传导模式(DCM)、连续传导模式(CCM)或临界传导模式(DRM)工作。通常,当输入在90~264V范围时,PFC有一个稳定的400dc输出,输送到DC-DC转换器。绝缘式DC-DC转换器可以是fly-back式或LLC式。对于高于100W的LED灯,通常采用CCM PFC或CRM PFC和LLC绝缘转换设计理论。可以通过降压,升压或降压-升压拓扑结构实施的LED恒定电流控制。
 
需要注意的是,应考虑LED街灯的使用环境,以确保提供全方位的保护措施。
 
太阳能LED信号灯能够通过日光供电,这使得它们适用于电线无法到达但需要交通管理的地方。
 
5.2 太阳能信号灯电源系统的应用 
 
由于太阳能LED信号灯能够通过日光供电,这使得它们适用于电线无法到达但需要交通管理的地方。太阳能信号灯电源系统中安装有太阳能电池板,储存未使用的电能作为备用电源。这些LED信号灯一般包括三种独立颜色(红黄绿)的高亮度LED灯。LED灯受MCU控制,MCU根据预先设置的程序对LED驱动器发出开关指令;然后LED信号灯可以正确地运行。通过RS-485端口,MCU还可以接收交通信号箱或控制网中GPRS模块发出控制信息。此外,MCU能够监视太阳能电池和铅酸电池的工作状态,并判定是否如发生异常状况,是否需要调整。
 
6 结束语
 
(1)储能系统的安全性和可靠性
 
由于锂离子电池能量密度高,大规模集成后的安全性值得重点关注。这就需要从原材料的选用、单体电池结构的优化改进、制程过程的控制、电池管理系统、储能系统监控保护系统等各个环节层层把关,同时针对风电场、光伏电站的负荷波动规律,对电池和系统做到实时状态检测和故障分析,保障储能系统运行的安全性和可靠性。
 
(2)路灯智能监控系统中的应用势在必行
 
根据当今国内路灯城市与景观灯建设的实际情况,要达到路灯节能增效,提高城市照明智能化管理水平,建设城市照明智能管理系统就势在必行。
 
该系统采用当今最新的软硬件技术,智能化水平高,系统稳定可靠,开放式接口,方便与相关系统融合及扩展。系统除可以实现照明远程控制、远程设置、电力监控、移动控制终端、数据记录及统计等基本功能外,还可以实现路灯巡检、电缆防盗、视频监控等功能。同时,系统还可以内嵌GIS地理信息系统,可以对路灯等照明设施进行全面管控。该系统是一套先进的、完整的城市智能照明解决方案。
 
 
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