李 建

(西南兵器工業(yè)有限責任公司，重慶 400042)

0 引言

高速公路固定測速系統能夠有效地對行駛車輛速度進行監(jiān)控，并將反饋信息及時準確地發(fā)送到執(zhí)法監(jiān)控中心，以督促駕駛員控制車速，降低事故發(fā)生率。高速公路固定測速系統持久、高效、穩(wěn)定的電力供給是保證其功能正常實現的前提。

目前，高速公路固定測速系統供電主要有市電和太陽能兩種方式。

市電供電是現有高速公路固定測速系統的主要供電方式。市電供電電壓波動較大，且固定測速系統中用電設備長期處于過壓供電狀態(tài)，不僅造成電力資源浪費，而且嚴重影響到測速系統使用壽命；對于偏遠且市電難以到達的核心高速公路路段，測速系統市電供電方案線路建設和維護成本過高，電能在傳輸過程中損耗較大[1]。

太陽能供電是通過建設獨立光伏發(fā)電系統實現固定測速系統的電力供給。太陽能資源取之不盡用之不竭，只要光照條件滿足，就可建設光伏發(fā)電系統。

光伏發(fā)電系統輸出穩(wěn)定直流電，通過DC-DC 和DC-AC變換，能夠滿足測速系統中所有用電設備的供電需求。相比市電而言，太陽能供電方式效率高，輸出電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效延長測速系統使用壽命，同時具有安裝點選取靈活、系統建設和維護成本低、安全性高、資源占用少等特點[1]。

隨著全球能源需求的增長，煤、石油、天然氣等不可再生資源的日益消耗及環(huán)境污染的加劇，對太陽能的開發(fā)利用越來越擺在了最突出的位置。按照當前能量消耗的預估，太陽輻射到地球一天的總能量能夠供給全球人類使用27 年之多[2]。光伏發(fā)電基于光電效應，把太陽能轉化為電能，具有清潔、安全、長壽命、適用廣泛、免維護、自然資源充足和巨大潛在經濟價值等特點，是利用太陽能最重要的技術之一[3]。

重慶地處南北氣候分界線附近，長期處于冷空氣與暖濕氣流交匯地帶，少光照，多陰雨。全年日照時數僅為1 000～1 400 h，年輻射總量3 344～4 180 MJ/m2，相當于115～140 kg 標準煤燃燒所發(fā)出的熱量，與四川、貴州同屬五類地區(qū)，是我國太陽能資源最少的地區(qū)[4]。目前，在典型低日照地區(qū)應用獨立光伏發(fā)電系統給固定測速系統供電并制定相應供電策略的案例很少，并且相關研究文章也鮮有發(fā)表。

本文依托重慶高速公路固定測速系統的實際應用，根據典型低日照地區(qū)的光照條件，設計開發(fā)了專用光伏發(fā)電系統，并對核心控制器涉及的太陽能電池板最大功率點跟蹤技術和蓄電池充放電算法進行了設計；在對固定測速系統設備構成、用電及功能分析的基礎上，提出了具有針對性的節(jié)電策略與方法，在確保其功能實現的同時，力求達到測速系統用電效率高和使用壽命長。

1 光伏發(fā)電系統設計

本光伏發(fā)電系統依據重慶等典型低日照地區(qū)的實際日照條件設計，由太陽能電池板、蓄電池、控制器和負載四大部分組成，如圖1 所示。

圖1 光伏系統構成

1.1 太陽能電池板

采用多晶硅或者非晶硅，相比單晶硅，多晶硅和非晶硅太陽能電池板能夠在白天光照較弱的條件下，高效地將太陽能轉化為電能，并且通過增加接收光照面積的方式可以達到和單晶硅相同的光電轉化量，較單晶硅成本低廉，更適宜在重慶等太陽能資源較少的地方使用[3]。

1.2 蓄電池

采用光伏系統專用蓄電池，根據日負載需求、最大放電深度、獨立運行天數、安裝地氣溫等條件選擇性價比高的鉛酸免維護蓄電池。蓄電池之間先進行兩兩串聯，再把所有串聯線路并聯，然后通過將所有輸出正負極線分別并聯的方式構成一個蓄電池組，從而得到所有蓄電池總的正極和負極輸出，保證充放電時蓄電池之間電壓和能量平衡。

1.3 控制器

根據組成光伏系統各個部分實際工作條件要求，設計了光伏專用控制器。通過MPPT 算法的優(yōu)化設計，實現高效光電轉化；針對蓄電池不同充電狀態(tài)設計相應充電方式，避免過充，有效提高蓄電池充電效率和使用壽命；放電過程中根據蓄電池電壓變化，采取相應放電策略，避免過放，使蓄電池始終保持較高的活性[5]。

1.3.1 太陽能電池板充電的MPPT 算法優(yōu)化設計

針對太陽能電池板，充電采用MPPT 算法實現高效光電轉換[6]。太陽能電池板P-V 曲線具有非線性特征[7]，如圖2 所示，在曲線2 段存在最大功率點，通過改變太陽能板的輸出電流占空比，可以改變輸出電壓，使輸出功率在最大點時刻輸出。

圖2 太陽能電池板P-V 曲線

圖3 逐次逼近-擾動跳變算法

1.3.2 蓄電池充電

根據蓄電池充電電流曲線[9-11]，采用脈沖、恒流和涓流多種充電方式[12]。蓄電池充電流程如圖4 所示。太陽能電池板充電伊始，充電電流較小，通過采用較小的充電電流占空比，可使太陽能充電電壓保持較高的數值，有效激發(fā)蓄電池活性并提高充電效率，同時根據MPPT 算法可知，充電功率始終保持在太陽能板最大功率點附近。隨著充電過程的進行，蓄電池電壓(Vb)和充電電流(Is)逐漸增大，當Vb＜V1時，繼續(xù)采用MPPT 充電算法，否則判斷Vb是否大于V2。當Vb＜V2時，判斷Is是否大于I3，當Is＜I3時，繼續(xù)采用MPPT 充電算法，否則就采用直流充電，此時太陽能電池板充電電壓穩(wěn)定，輸出電流幾乎不再變化，同時蓄電池電壓低于充電電壓，充電量最大，太陽能利用率最高；當Vb≥V2時，判斷Vb是否大于V3，當Vb＞V3時，關閉充電，否則改為涓流充電，涓流充電是蓄電池即將飽和時的充電方式，通過采用微小電流的脈沖充電，可以確保蓄電池真正飽和，延長蓄電池的使用時間。

圖4 蓄電池充電算法流程

1.3.3 蓄電池放電

針對蓄電池放電[5]，必須要做到有計劃、有步驟，使蓄電池始終保持在良好的運行狀態(tài)，避免過放[13]。蓄電池的放電流程如圖5 所示。圖中對蓄電池放電電壓做了回差處理，避免在對大功率負載放電時，控制器短時間內頻繁切換充、放狀態(tài)，保護蓄電池和控制器[14]。

圖5 蓄電池放電流程圖

2 高速公路固定測速系統節(jié)電策略

作為本文設計的專用光伏發(fā)電系統的負載，對固定測速系統中用電設備的具體分析，直接決定了其節(jié)電策略與方法的制定。實際高速公路固定測速系統主要設備構成、用電及功能分析如表1 所示。

根據表1 對固定測速系統設備功能實現及用電情況的分析，在專用獨立光伏系統供電的基礎上，提出以下節(jié)點策略和方法：

表1 高速公路固定測速系統主要設備構成、用電及功能分析

(1)采用直流接口。測速系統中的主要用電設備所需工作電壓為直流5 V、12 V 和24 V，直接采用直流供電，可避免直流轉交流再轉直流帶來的資源浪費，同時提高系統穩(wěn)定性。若固定測速系統中直流轉交流效率為90%，交流轉直流效率為90%，電能總的利用率也只有80%，而實際應用中直流交流電轉化效率通常達不到90%，加上轉換設備的電力消耗以及交流電壓頻率對系統穩(wěn)定性造成的影響，使得系統整體性價比直線下降。

(2)靈活補光。智能頻閃燈和LED 補光燈開關的設計以實際光線強弱為標準，通過控制器檢測太陽能板輸出電流和充電電壓來判斷光照強弱和時間，從而采用靈活、可變的補光方式，使抓拍攝像機、全景攝像機和交調攝像機的功能實現始終保持在標準光強下。靈活補光的算法流程如圖6 所示。V6和I4為預先設定參數值，當太陽能板電壓Vs大于V6時，認為在此時間段內不需要LED補光燈工作；當太陽能充電電流大于I4且光伏系統處于充電狀態(tài)(Vb＜Vmax，Vmax設置為蓄電池的最大電壓)或者Vb≥Vmax(此時關閉充電Is=0 A)，認為此時間段內光照很強，不需要智能交通頻閃燈補光。

圖6 補光算法流程

(3)采用休眠模式。在夜間或道路無車輛等系統非運行狀況下，關閉測速系統中主要用電設備，包括抓拍攝像機、交調攝像機、智能頻閃燈、LED 補光燈，保證光端機、雷達檢測儀等基本設備在線即可。

(4)采用首車抓拍方式。在交通高峰時期，每當遇到一連串車輛行駛過固定測速點，并且兩輛車之間的間隔時間很短時，只需測定并記錄首輛通過測速點的車輛信息，就可以確定其后車輛是否超速行駛。當上述情形持續(xù)時間超過設定時長t 后，測速系統將開啟下一次抓拍動作。

3 實際監(jiān)測數據分析與結論

通過DTU 無線數據傳輸模塊和本地上位機接收軟件，得到重慶一高速公路固定測速點中光伏發(fā)電系統的實際運行數據并作圖如圖7、圖8 所示。

圖7 系統充放電1

圖8 系統充放電2

此固定測速點光伏系統配置8 塊額定功率為196.5 W的多晶硅太陽能電池板、6 塊12 V 100 AH 免維護鉛酸蓄電池、8 個專用光伏控制器，其中1 個控制蓄電池組的放電。固定測速系統在無車輛通過情況下，交調攝像機、全景攝像機、測速雷達、微波雷達監(jiān)測儀等用電設備開啟，當單車道有車輛通過時，開啟一組抓拍攝像機和智能頻閃燈；當雙車道都有車輛通過時，開啟兩組抓拍攝像機和智能頻閃燈；夜間加開LED 補光燈。由圖7 和圖8分析可知，所設計的光伏系統有較高的光電轉換效率，且電能利用率高，控制器能夠實現MPPT 算法和充放電算法的設計要求。該固定測速系統實際運行穩(wěn)定，效果良好。

4 結論

本文有針對性地提出了一種基于光伏發(fā)電技術的高速公路固定測速系統供電方法，并根據重慶等典型低日照地區(qū)的日照條件，對組成光伏系統的各部分進行了專項研究設計，對核心控制器涉及的太陽能電池板最大功率點跟蹤技術和蓄電池充放電算法進行了設計，并進行了試驗驗證，結果表明控制器高效、穩(wěn)定，實際應用中能實現固定測速系統全年不間斷電力供給，供電效率高，電壓、頻率穩(wěn)定。下一步將深化控制器設計，逐步進行研究試驗成果轉化。