感知天氣的太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)

羅素芹，李常青，魏亞坤

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

1 引言

太陽(yáng)能LED路燈以其高效節(jié)能、不依賴電網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在廣大農(nóng)村以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)或電力短缺的偏遠(yuǎn)地區(qū)得到迅速的推廣應(yīng)用[1,2]。

對(duì)于LED太陽(yáng)能路燈控制器的研究，分為充電控制和放電控制。目前充電控制主要是集中在最大功率點(diǎn)跟隨控制方法和策略[3～6]。放電控制主要考慮充放電對(duì)蓄電池壽命的影響[7,8]。文獻(xiàn)[9]對(duì)LED太陽(yáng)能照明控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了MPPT、充電策略和LED 放電控制的研究，并采用MATLAB /Simulink 對(duì)主電路和控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。對(duì)LED太陽(yáng)能路燈進(jìn)行模糊控制的研究[10～16]目前很少，文獻(xiàn)[16]建立一種模糊充電控制策略，給出了LED太陽(yáng)能路燈充電的模糊規(guī)則，同時(shí)給出了放電的Fuzzy/PID控制算法，并進(jìn)行了仿真。

目前的LED太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)考慮了緯度、年平均日照時(shí)間等因素，對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)以及各種充放電策略展開(kāi)研究。但是，太陽(yáng)能路燈的電能供應(yīng)完全依賴于天氣，每天的充電量具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性，第二天的充電量又不能準(zhǔn)確預(yù)知。目前的LED太陽(yáng)能路燈控制策略是，不考慮天氣因素，每晚路燈工作時(shí)輸出功率都是一樣的。在我國(guó)南方的梅雨季節(jié)，出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣，LED太陽(yáng)能路燈蓄電池充電不足，電能很快被用完，因?yàn)椴荒芗皶r(shí)補(bǔ)充電，導(dǎo)致路燈不亮和蓄電池?fù)p壞。因此，不考慮天氣因素的LED太陽(yáng)能路燈控制策略是不完整的。

本文考慮天氣及充電量的情況，結(jié)合蓄電池剩余電量對(duì)LED太陽(yáng)能路燈工況進(jìn)行模糊控制。采用調(diào)整亮度、亮燈時(shí)長(zhǎng)優(yōu)先的控制策略。解決了連續(xù)陰雨天氣，蓄電池的電能過(guò)快被用完的問(wèn)題，又保證晴朗天氣和蓄電池的電能充足時(shí)，路燈全功率高亮度輸出。

2 太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能LED路燈主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、LED路燈及控制系統(tǒng)組成。太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)將白天太陽(yáng)能電池板送來(lái)的電能儲(chǔ)存至蓄電池，通過(guò)測(cè)量和累計(jì)，得到充電量。同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量光照和溫度等參數(shù)，識(shí)別出天氣情況，得到天氣的模糊量。在蓄電池充電和放電時(shí)，測(cè)量蓄電池內(nèi)阻、極化電壓和端電壓，得到模糊量蓄電池剩余電量。

控制器依據(jù)模糊量天氣、蓄電池剩余電量及充電量，利用模糊控制器決策，調(diào)整LED燈的輸出功率(亮度)。從而實(shí)現(xiàn)晴朗天氣，蓄電池剩余電量充足，輸出功率大，燈亮度大。反之，陰雨天氣，蓄電池剩余電量不足，輸出功率小，燈亮度也小。各輸出功率使LED燈的亮度為“很亮”、“較亮”、“中亮”、“欠亮”和“不亮”五個(gè)等級(jí)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Solar LED street light control system

3 識(shí)別天氣

天氣是一個(gè)模糊量，可以分為很多情況，與本文主要是根據(jù)天氣與非降雨變量特性[17]的關(guān)系，識(shí)別出不同的天氣，非降雨變量如日照強(qiáng)度、日照時(shí)間和氣溫。不同的天氣對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電功率的影響非常大，如100瓦的單晶硅太陽(yáng)能電池，在陽(yáng)光直射的情況下可以輸出70瓦電功率，在陰天輸出電功率僅10瓦左右，雨天的輸出電功率僅3瓦左右。不同的天氣的日照時(shí)間也差別較大，氣溫也會(huì)影響發(fā)電量。

根據(jù)不同天氣對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電量的影響，把天氣分為“晴朗”、“少云”、“多云”、“陰天”、“雨天”五種。通過(guò)光照、溫度傳感器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)分類(lèi)方法，研究五種天氣的隸屬函數(shù)，得到模糊量天氣的輸出信號(hào)。圖2分別為典型的“晴朗”、“少云”、“多云”和“雨天”的日照情況。本文通過(guò)采集日照強(qiáng)度、溫度等天氣數(shù)據(jù)，每五分鐘記錄一次，記錄一年各個(gè)季節(jié)的典型天氣，統(tǒng)計(jì)歸納出“晴朗”、“少云”、“多云”、“陰天”、“雨天”天氣的特征，從而根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別出模糊量天氣。例如，溫州地區(qū)典型的晴天天氣的日照強(qiáng)度曲線與上半正弦函數(shù)相似，見(jiàn)圖2(a)，其日照強(qiáng)度符合文獻(xiàn)[18]太陽(yáng)輻射照強(qiáng)的95%，少云、多云、雨天的日照情況，見(jiàn)圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)，溫州地區(qū)典型的少云、多云、陰天和雨天天氣日照強(qiáng)度分別符合文獻(xiàn)[18]太陽(yáng)輻射照強(qiáng)度的80%、50%、20%和5%。

圖2 各種典型天氣的光照情況Fig.2 Lighting condition under various weather

4 蓄電池剩余電量

蓄電池剩余電量是另一個(gè)模糊量，不容易直接測(cè)量，一般是通過(guò)放電法來(lái)測(cè)量。蓄電池剩余電量與蓄電池內(nèi)阻、端電壓和極化電壓有關(guān),可通過(guò)在線測(cè)量蓄電池內(nèi)阻、端電壓和極化電壓，預(yù)測(cè)蓄電池剩余電量。

蓄電池內(nèi)阻與荷電程度有較高的相關(guān)性(0.88左右)，通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其剩余電量，并可在電池的整個(gè)使用期內(nèi)在線測(cè)量。蓄電池內(nèi)阻測(cè)量方法是給蓄電池加上比極化過(guò)程變化快的交流信號(hào)(如1KHz)，測(cè)量電池端電壓、電流以及兩者之間的夾角，得到蓄電池的內(nèi)阻，從而預(yù)測(cè)蓄電池的剩余電量[19]。

本文將蓄電池剩余電量分為五個(gè)狀態(tài)：“滿”、“較滿”、“中”、“少”、“虧電”，分別對(duì)應(yīng)于蓄電池剩余電量的90%以上、70%～90%、40%～70%、20%～40%和20%以下。

5 控制規(guī)則

太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng)是一個(gè)模糊控制器，輸入為模糊量天氣、充電量及蓄電池剩余電量，輸出為L(zhǎng)ED燈的工作電流，控制LED燈的亮度。由于LED的亮度與工作電流成非線性關(guān)系，工作電流減少1/2，亮度約下降30%。本文將輸出模糊量LED燈亮度分為五個(gè)等級(jí)：“很亮”、“較亮”、“中亮”、“欠亮”和“不亮”，其中“很亮”為L(zhǎng)ED燈額定工作電流下的亮度。

為了實(shí)現(xiàn)天氣晴朗，充電量充足，燈盡量“亮”；陰雨天氣，充電量不足，亮燈時(shí)間盡量“長(zhǎng)”控制策略，制定相應(yīng)的控制規(guī)則，不僅考慮當(dāng)天的天氣情況，還要考慮短期的天氣情況。控制規(guī)則舉例如下：

規(guī)則1：當(dāng)天天氣“晴朗”，亮燈亮度增加0.2級(jí)；

規(guī)則2：當(dāng)天天氣“少云”，亮燈亮度增加0.1級(jí)；

規(guī)則3：當(dāng)天天氣“多云”，亮燈亮度不變；

規(guī)則4：當(dāng)天天氣“陰天”，亮燈亮度減少0.5級(jí)；

規(guī)則5：當(dāng)天天氣“雨天”，亮燈亮度減少1級(jí)；

規(guī)則6：昨天天氣“晴朗”，亮燈亮度增加0.1級(jí)；

規(guī)則7：前天天氣“晴朗”，亮燈亮度增加0.05級(jí)；

……

規(guī)則N：蓄電池剩余電量“虧電”，亮燈亮度為零(停止放電，保護(hù)蓄電池)。

6 仿真結(jié)果與討論

根據(jù)溫州氣象臺(tái)提供的天氣數(shù)據(jù)，對(duì)2012年全年日照時(shí)間最少的一季度(1月1日～3月31日)的100天，進(jìn)行太陽(yáng)能LED路燈運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)表1，普通型太陽(yáng)能LED路燈的亮燈率只有38%，而感知天氣型太陽(yáng)能LED路燈的亮燈率為100%。可見(jiàn)，這種感知天氣的控制策略是否有效，以犧牲部分亮度為代價(jià)大大提高了亮燈率。

表1 2012年1季度路燈運(yùn)行仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Simulation result of street light on the first season in 2012

2012年12月，將100只40W感知天氣太陽(yáng)能LED路燈控制器安裝在溫州某地實(shí)地運(yùn)行，截止2013年1月～5月，路燈的亮燈率為100%，用戶對(duì)路燈亮度為“較亮”和“中亮”表示可以接收， 100%的亮燈率得到了用戶的好評(píng)。

7 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能LED 路燈將清潔的太陽(yáng)能與發(fā)光效率高的LED的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，尤其是不依賴電力的特點(diǎn)，使其在廣大農(nóng)村及電力短缺偏遠(yuǎn)地區(qū)得到大力推廣。本文設(shè)計(jì)的感知天氣的控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能LED 路燈的核心，保證在連續(xù)的陰雨天氣下，路燈有很高的亮燈率。同時(shí)也解決了連續(xù)的陰雨天所導(dǎo)致的蓄電池電量不足而可能引起的一系列問(wèn)題，對(duì)保護(hù)蓄電池、延長(zhǎng)蓄電池使用壽命也有這重大的積極意義。

[1] 孟昭淵. 太陽(yáng)能電池在照明燈具上的應(yīng)用(上) [J].光源與照明, 2003,16(4):21～24.

[2] 孟昭淵. 太陽(yáng)能電池在照明燈具上的應(yīng)用(下) [J].光源與照明, 2004,17(1):25～27.

[3] Salas V，Olías E，Barrado A，et al. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells，2006，90(11): 1555～1578.

[4] Desai H P，Patel H K. Maximum power point algorithm in PV generation: an overview[A]. IEEE PEDS’07 [C].2007:624～630.

[5] Femia N，Petrone G，Spagnuolo G，et al. Perturb and observe MPPT technique robustness improved [A]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics [C].2004:845～850.

[6] Femia N，Petrone G，Spagnuolo G，et al. Optimizing sampling rate of P&O MPPT technique [J]. IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems，2007，43 (3):934～950.

[7] Wu Libo，Zhao Zhengming，Liu Jianzheng，et al. Implementation of a stand-alone photovoltaic lighting system with maximum power point tracking and high pressure sodium lamp [A]. IEEE Power Electronics and Drive Systems[C]. 2003:1570～1573.

[8] Wu Libo，Zhao Zhengming，Liu Jianzheng，et al. A novel energy management and control for stand-alone photovoltaic lighting system [J]. Proc. CSEE，2005，25(22): 68～72.

[9] 陳劍，趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng). 基于嵌入式目標(biāo)模塊的太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)研究[J]. 電工電能新技術(shù),2010, 9(3):76～80.

[10] 王飛，余世杰，蘇建徽.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005,20(5):72～75.

[11] 計(jì)長(zhǎng)安，張秀彬，曾國(guó)輝.基于MCU的風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)[J].電工技術(shù)，2005(7):59～61.

[12] 朱德海.太陽(yáng)能路燈充放電控制器的設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010(3):20～21.

[13] Zhang jinguang, Cao jing, Zhang xiandong. Wind and PV street light [J]. Renewable Energy, 2009,27(2):69～73.

[14] 張艷紅，張崇巍，張興,等.一種新型光伏發(fā)電充放電控制器[J].可再生能源，2006(5):71～73.

[15] 盧秀和，王琪，陳軍,等.雙供電路燈調(diào)光節(jié)能技術(shù)研究[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,28(s1):75～78.

[16] 梁文翰，賈文超. 太陽(yáng)能路燈模糊控制器[J]. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(2):146～150.

[17] 廖要明，劉綠柳，陳德亮，謝云. 中國(guó)天氣發(fā)生器模擬非降水變量的效果評(píng)估[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2011,69(2):310～319.

[18] 姚萬(wàn)祥，李崢嶸，李翠，艾正濤. 各種天氣狀況下太陽(yáng)輻射照度與太陽(yáng)光照度關(guān)系[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013,41(5):784～787.

[19] 高明裕，張紅巖. 蓄電池剩余電量在線測(cè)量[J]. 電測(cè)與儀表,2000,37(9):28～31.