跟隨調壓型路燈節能控制策略的研究

李文志 崔學深

(華北電力大學，北京 102206)

1 引言

隨著經濟發展和人民生活水平的提高，道路照明系統已經成為一個城市現代化水平的重要標志。而根據調查顯示，路燈系統由于其線路長的特點，輸出側的電壓較高，路燈運行時承受的電壓一般高于額定值的5%以上，特別是在午夜用電低谷時期，由于用電負荷的減少，電網電壓甚至會超出正常電壓15%，達到245V。此時照明設備在高于額定電壓狀態下運行，不僅造成了能源的大量浪費，還降低了照明設備的使用壽命。據了解，我國70%以上的路燈使用的都是高壓鈉燈，鈉燈的設計使用壽命是24000h，但由于長期運行在高電壓狀態下，致使燈泡的使用壽命不到一年，損失驚人［1］。一般情況下，每超過額定電壓1%，照明設備使用壽命減少6%，造成照明設備故障率的增加;同時故障率的增加不可避免的加大檢修的難度，致使人力、物力的進一步浪費。因此，路燈節能有很重要的意義。

為了實現路燈節能的目的，目前國內外提出了很多解決辦法，比如新型節能燈方式、半夜燈方式和新能源技術等方法［2～4］，但這些策略都未能解決電網電壓偏高和波動的問題。為此，人們又提出了路燈降壓節能控制策略［5］，目前，常用的路燈降壓節能控制策略主要有以下三種:

1)可控硅斬波型照明節能控制策略:

此類控制策略采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管 (可控硅)的導通角，將電網輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，達到控壓節電的目的。但該調壓方式，由于斬波，使電壓無法實現正弦波輸出，還會出現大量諧波，形成對電網策略諧波污染，危害極大。如果加裝濾波設備，成本太高，所以此類設備是不宜用于照明電路中。

2)固定多檔降壓控制策略:

由于其所用多抽頭自耦變壓器的變比是固定的，一旦接線端固定，降低電壓就是固定值，當電網電壓波動時，調控裝置的輸出電壓也會上下波動，這樣照明的工作電壓處在不穩定波動狀態，無法起到對電光源的保護作用。由于使用了采用交流接觸器來進行變壓切換，在斷開時會產生“電弧”和“閃斷”存在安全隱患。其安全性、可靠性和無故障工作壽命都不能保障。

3)連續調節降壓控制策略:

它可通過電刷在自耦變壓器線圈的表面平滑移動或滾動，改變線圈的變比而調節輸出電壓。雖然它可以實現無級平滑調節，調節精度高，但由于電刷調節回路是串在主回路中，承受的電流大，如果電刷接觸不良，會產生火花;同時機械的接觸也會引起觸點磨損。

由上述分析可知，目前的路燈節能策略還有許多不足之處，如無法解決電壓過高，電壓頻繁波動，成本偏高，技術不成熟等問題。因此，我們需要設計一種新的節能控制策略來很好地解決這些問題。

而在路燈的實際工作中，電網電壓的波動較大，當電壓過低時，路燈過暗，無法滿足亮度要求;當電壓偏大時，不僅造成電力的浪費，而且大大縮短了路燈的使用壽命。因此，在滿足亮度要求的情況下，為了實現路燈的節能，我們提出了跟隨調壓型路燈節能控制策略。它可以實現無論電網電壓在一定范圍內如何波動，都可以輸出我們所期望的穩定電壓 (在可接受范圍內波動)。而且在深夜人流和車輛較少，對亮度的要求比前半夜要低，也可以通過我們的控制策略，輸出低電壓，以達到節能的目的，并實現不同穩定電壓的自動切換。

2 跟隨調壓型路燈節能控制策略的硬件系統設計

跟隨調壓型路燈節能控制策略硬件系統的結構原理圖如圖1所示，其中T為多抽頭自耦變壓器，NCS為無觸點開關，顯示屏主要是為了方便調整時鐘芯片的時間。

圖1 跟隨調壓型控制策略的結構原理圖Fig.1 The schematic diagram of following voltage regulation type energy-saving control strategy

工作原理:當控制系統投入運行的時候，信號采集單元首先會采集電網電壓信號，并對此信號進行隔離、濾波和放大等預處理，然后通過AD轉換器，將模擬信號轉化為數字信號輸入單片機，單片機根據信號的大小自動控制自耦變壓器原邊1～N號無觸點開關的通斷，從而達到輸出穩定電壓的目的。副邊的Ⅰ號和Ⅱ號無觸點開關也由單片機來進行控制，單片機接收由時鐘芯片傳送過來的時鐘信息，在晚11點之前，單片機控制Ⅰ號開關閉合，Ⅱ號開關打開，使得電壓穩定在220V左右;在晚11點之后，單片機控制Ⅰ號開關打開，Ⅱ號開關閉合，使得電壓穩定在200V左右。從而實現了輸出不同穩定電壓的自動控制。因為，這種控制策略是根據不同的電網電壓，接通相應的自耦變壓器的抽頭，從而達到輸出穩定電壓的目的，因此，也稱為跟隨調壓型路燈節能控制策略。

2.1 無觸點開關

無觸點開關是一種由微控制器和電力電子器件組成的新型開關器件。常用的無觸點開關的電力電子器件有普通晶閘管、門極可關斷晶閘管 (GTO)、MOSFET、IGBT等［6］。相對于手動開關、接觸器等有觸點開關，無觸點開關的主要特點是沒有可運動的觸頭部件，導通和關斷時不出現電弧或火花，同時具有動作迅速，壽命長，可靠性高等優點。因此，無觸點開關目前在各個領域得到了廣泛應用。

在本文中，雙向反并聯的無觸點開關主要與多抽頭自耦變壓器的不同抽頭相連接，用于控制不同輸入電壓接入不同的抽頭;同時也可抑制和防止不同抽頭轉換時，沖擊電流和電火花的產生。

2.2 多抽頭自耦變壓器

自耦變壓器可以看作是普通兩繞組變壓器的一種特殊連接，在一次和二次繞組間不僅具有磁的耦合，而且還有電的直接聯系。所以消耗的材料少，造價低，效率高。又因為它的結構和功能都很簡單，所以可靠性也比較高。因此，本文的新型路燈節能控制策略采用了多抽頭自耦變壓器，如圖2所示。

圖2 多抽頭自耦變壓器結構示意圖Fig.2 Multi-tap autotransformer structure

2.3 無觸點開關及自耦變壓器連接方案設計

在跟隨調壓型路燈節能控制策略中，反并聯無觸點開關的個數取決于電網電壓波動范圍、控制策略輸出電壓的精度和成本等因素。

設電網電壓波動范圍為200V～250V，該控制策略輸出電壓的最大波動為±4V，若采用圖3所示的連接方案，經估算需反并聯無觸點開關個數N=7。

現計算自耦變壓器每個抽頭所對應的匝數和電壓范圍，具體計算過程如下 (令開關NCSⅠ和NCSⅡ所對應的抽頭匝數分別為220k和200k，k為合適的正常數，而n為線圈匝數，U為輸入電壓):

1)7號開關對應抽頭的線圈匝數和電壓范圍的確定

圖3 無觸點開關與自耦變壓器的連接方式1Fig.3 model 1 connection between non-contact switches and autotransformer

可規定7號開關對應抽頭的線圈匝數n1=200k，則當7號開關輸入電壓為200V時，輸出電壓應為220V，當輸入電壓為U1時輸出電壓為224V，由200k/220k=U1/224可得U1=213.6V，即7號開關對應抽頭的線圈匝數為200k，而調控電壓的范圍為200V～203.6V。

2)6號開關對應抽頭的線圈匝數和電壓范圍的確定

設6號開關對應抽頭的線圈匝數為n2，它控制的電壓范圍為 U1～U2，則輸出電壓的范圍應為216V～224V，由 n2/220k=U1/216=U2/224可得n2=207.4k，U2=211.1V，即6號開關對應抽頭的線圈匝數為207.4k，而調控電壓的范圍為203.6V～211.1V。

3)同理可求出1～5號開關對應抽頭的線圈匝數和調控電壓的范圍，具體數據如表1所示。

表1 自耦變壓器各個抽頭對應的匝數與調壓范圍Table 1 Each autotransformer tap turns and regulation range

連接方案1的工作方式已在前文詳述過，可以看出，這種連接方案輸出電壓精確度高、編程控制方便。但是所用晶閘管較多，特別是NCSⅠ和NCSⅡ兩個開關。這兩個開關只負責輸出電壓的切換，利用率相對較低。因此，我們對連接方案1進行了改進，提出了方案2，如圖4所示。

連接方案2比方案1少了兩個自耦變壓器輸出邊的反并聯無觸點開關，它的工作方式為:通過計算合理設計自耦變壓器不同抽頭所對應的匝數，再將N個反并聯無觸點開關分成兩組:第一組為1～(N-1)號反并聯無觸點開關，第二組為2～N號反并聯無觸點開關。當輸入電壓與第一組反并聯無觸點開關相連時，輸出電壓為220V;而后半夜則通過單片機控制，使電網電壓與第二組反并聯無觸點開關相連，則輸出電壓為200V。這種連接方式減少了無觸點開關的個數，降低了成本，但由于每組反并聯無觸點開關的個數比方式1少了一個，因此輸出電壓的精度減小。

圖4 無觸點開關與自耦變壓器的連接方式2Fig.4 Model 2 connection between non-contact switches and autotransformer

2.4 單片機控制系統的設計

單片機控制系統包括信號的采集、AD轉換、單片機和無觸點開關的驅動電路，由于單片機無法直接采集幾百伏的高電壓，因此我們需要使用霍爾電流型電壓互感器采集信號，將高壓信號轉化成幾伏大小的低壓信號。

但是傳感器所提供的信號的幅度往往很小，噪音很大，且易受干擾，因此，在輸入單片機之前，我們要將信號采集單元輸出的低壓交流信號進行隔離、放大、濾波等預處理后輸入AD轉換電路。通過A D轉換電路將預處理后的模擬信號轉換為數字信號，輸入至單片機中從而實現單片機對無觸點開關的智能控制。單片機控制系統如圖5所示。

3 跟隨調壓型路燈節能控制策略的程序設計

圖5 單片機控制系統流程框圖Fig.5 SCM control system flow chart

該控制策略的軟件部分主要包括對電壓信號的處理、對無觸點開關驅動電路的控制和根據時鐘芯片時間控制輸出不同電壓等三部分。其中，由于電壓信號是交流信號，不同時刻采集到的電壓信號可能不同，無法對電網電壓進行計算，因此，該策略程序的解決方法是在一個電壓周期內，對電壓信號進行40次采樣 (每500μs采樣一次)，再根據公式求其有效值［7］，并以此判斷驅動哪一個反并聯無觸點開關導通。具體程序流程圖如圖6所示。

圖6 控制策略軟件系統程序流程圖Fig.6 Program flow chart of the control strategy software system

4 實驗結果

我國目前最常用的路燈器件為高壓鈉燈，而高壓鈉燈為阻感負載［8］。由于電感并不影響我們對于有功功率節能效果的測定，因此，為了方便，在實驗中我們使用了純阻性負載100W的白熾燈代替路燈，研究此控制策略在不同電網電壓下的節能效果，其實驗裝置如圖7所示。

實驗結果數據如表2所示:

由表2可知，雖然電網電壓變化幅度較大，但通過跟隨調壓型路燈節能控制系統后，前后半夜輸出電壓基本穩定在220V和200V，不僅達到穩壓的目的，延長路燈的使用壽命，而且節能效果明顯，特別是在后半夜。同時，由第一組實驗數據可知，即使電網電壓偏低，前半夜調壓后無法實現節能，但假設前后半夜該控制系統的工作時間相同，則仍可實現平均節能4.3%。且電網電壓越高，節能效果越明顯。

圖7 現場測試實驗裝置Fig.7 Experimental device for field test

表2 實驗結果及節能效果計算Table 2 The experimental results and the energy-saving effect

5 結束語

目前，我國的城市電網電壓普遍偏高，而且隨著大量高耗電工廠和大功率器件的通斷，容易造成電網電壓的波動。路燈在這種情況下工作，不僅造成電能的浪費，更會對照明設備造成損害。因此，本文設計了一種新型節能控制策略，很好的解決了上述問題。這種策略是基于單片機、無觸點開關和多抽頭自耦變壓器等器件設計的，能夠智能實現路燈的節能，操作方便，應用前景廣泛。

［1］魏俊峰，高峰.路燈節能問題的思考 ［J］.光源與照明，2008(1):39.

［2］王曉媛，齊維貴.我國城市道路照明節電技術研究與應用現狀［J］.照明工程學報，2010，21(1):14～16.

［3］Jing-hua Sun，Jian-feng Su(eds.).An energy-saving control method based on multi-sensor system for solar street lamp. 2010 International Conference on Digital Manufacturing＆ Automation.2010 IEEE，192～194.

［4］X.Long，R.Liao，J.Zhou.Development of street lighting system-based novel high-brightness LED modules.The Institution of Engineering and Technology 2009.IET Optoelectron.，2009，3(1):40 ～46.

［5］龐素文，孫曉光.論路燈降壓節電的方法［J］.油田節能，2007，18(2):53.

［6］周明珠，王瑋，王福源.無觸點開關在控制中的應用［J］.現代電子技術，2005(8):22～24.

［7］王選民，趙祥模.基于采樣值平均分配的交流信號測量 ［J］.傳感器與檢測技術，2007，29(5):45～46.

［8］張萬奎，丁躍澆.城市路燈照明半夜燈實施的一種方案 ［J］.照明工程學報，2005，16(2):52～53.