簡述一種基于三級電量閾值的主-被動共享模型的風光互補智慧路燈組網方法

李丹

摘 要 由于冬夏兩季太陽能風能資源差距、區域內太陽能風能分布不勻等自然現象，給LED路燈照明帶來極大影響，比如路燈位置的設置、蓄電池大小配置等。為了解決上述難題，本文提出了一種基于三級電量閾值的主-被動共享模型的風光互補智慧路燈組網模型，設計出主動和被動兩種能源共享方法，并將其有機結合。同時，依據該方法設計了一種實現該控制方法的路燈控制系統。通過對該系統進行實驗，表明本文所提方法能有效提高路燈網絡中太陽能風能整體利用效率，提升蓄電池使用壽命。

關鍵詞 風光互補;智慧路燈;單片機;單片機;逆變器

引言

目前，大部分太陽能、風能供電的路燈是獨立運行的。在某一區域內部分路燈的設置位置難免被遮擋，譬如：設置于樓宇之間，或當路燈受到云層的不定時的遮擋，或風向的變化等原因，往往會造成路燈的蓄電池的電量無法滿足路燈照明的需要，同時蓄電池長期處于能量虧缺狀態，嚴重影響蓄電池使用壽命。為了解決此問題，當前主要解決方案是，當太陽能、風能供電的路燈的電量不足的情況下，利用市電進行補充。此種方式存在的問題在于：太陽能、風能的利用率不高。

針對以上問題，本文在分析區域內太陽能、風能分布不均為風光互補路燈對綠色能源利用率帶來影響的基礎上，將太陽能、風能路燈組網。同時，提出了一種三級電量閾值的主-被動模式能源共享模型，當路燈網絡中的路燈的蓄電池滿足一定條件后，該路燈的富余能源共享給其他的路燈。提高了網絡內路燈利用區域太陽能、風能的效率，全面提高了節能效率，解決了路燈故障維護的不便，提升了蓄電池的使用壽命。

1相關工作

氣候變化問題是全球問題，歸根結底也是發展的問題，也是能源利用問題。隨著全球氣候問題的日益嚴重，能源危機不斷加劇，取之不盡而又干凈環保的可再生能源——太陽能和風能的利用成為目前及未來研發和應用的焦點。將時間上和地域上極具互補性的太陽能和風能有效匹配應用形成風光互補發電系統，并將風光互補的能源系統與節能環保的LED照明系統相結合，是目前及以后一段時間內發展和普及的重點，也將成為全球及國家應對氣候變化的一種有效方案。薛[1]等介紹了一種應用于風光互補路燈 照明系統的新型智能控制器。林等[2]提出了一種新的風光互補控制方法——逐步剎車保護法，逐步剎車保護法能很好地解決目前現有系統出現的剎車故障問題，提高了風光互補系統的可靠性。王等[3]以貴陽欣歆園智能小區為例進行了風光互補路燈的用電管理與分析，并對光伏組件和風力發電組件分別進行了需求分析和選型，隨后介紹了管理層軟件的開發。以上技術提供了太陽能和風能給路燈供電的解決方案，但是沒有提及路燈能量互補的知識。趙[4]介紹了路燈無線組網技術，實現對路燈網絡的智能監控，該方案沒有涉及路燈之間采用電力線通信，實現路燈間能量互補的通信需要。專利（CN 201010543107.2）[5]提出了一種太陽能、風能集成高智能控制方法及其系統，該方案同樣是通過電力線傳輸協議進行彼此間通信調度的太陽能、風能，但是不能設定預設電量值，只能在電量飽和的狀態下才能調度。

2基于三級電量閾值的主-被動共享的風光互補智慧路燈組網方法

基于三級電量閾值的主-被動模式能源共享方法，采用主動和被動兩種能源共享模式。每個路燈都包含三個預設電量值，從大到小分別是CH、CM、CL。計算公式如下：

CH=TN*P （1）

CL =TS*P （2）

CM = CL +EL +ED （3）

TN為晚上亮燈時間，TS為晚上剩余亮燈時間， 由于冬天和夏天的晚上照明時間不一致，TN和TS值是動態變化。P為路燈功率。CH為路燈整個晚上照明的耗電量，作為向路燈網絡主動共享能量的閾值;CL值為晚上照明時 照明耗電量，作為向路燈網絡請求能源補給的閾值。CM作為向路燈網絡被動共享能量的閾值。EL為直流能源逆變成交流時的損耗， ED為傳輸過程中帶來的能量損耗。太陽能板輸出電壓VP，蓄電池兩端電壓VB。

當蓄電池的電量值C大于CH時，即可將自身可利用的太陽能/風能共享給路燈組網內的其余路燈。在保證了自身的照明需求的基礎上，將自身的能源主動共享給路燈組網內的其余路燈，保證路燈組網內的更多的路燈的蓄電池的電量能夠滿足晚上照明的需求。此為主動共享模式。

當蓄電池的電量值C小于CL時，向其他的路燈發送供電請求，避免該路燈出現電量不足的情況。當蓄電池的電量值C大于CM時，判斷是否接收到其他路燈的供電請求。若接收到其他路燈的供電請求，并且此時風機單元或太陽能板正在為蓄電池充電，則向發送供電請求的路燈提供電能。此為被動共享模式。

光強充足的情況下（VP>VB+1），采用主動共享能源模式，方法流程如下：

（1）當蓄電池的電量值C大于CH值，該路燈節點會向路燈網絡發送共享廣播消息。

（2）該路燈控制器同時接通逆變器，向路燈網絡共享能源。

（3）蓄電池的電量值C小于CL的路燈，接收到共享能源的廣播消息，接通交流補充電路，接收共享的能源。

光強不足的情況下（VP

（1）當蓄電池的電量值C小于CL值，該路燈節點向路燈網絡發送補給能源廣播消息。

（2）接收到補給能源請求的廣播消息，蓄電池的電量值C大于CM的路燈，接通逆變器。

（3）蓄電池電量值C大于CM值的路燈，通過路燈網絡，向蓄電池電量值C小于CL值的路燈共享能源。

3實驗

3.1 實驗設置

為了驗證該方案的有效性，該系統被應用在東莞市照明工業園中，進行為期2年的驗證測試。為了對比試驗，該工業園內安裝了16盞路燈，其中8盞為獨立安裝，另外8盞采用本文提出的組網方式。試驗所在地區位于東經113.6°，北緯22.5°。試驗采用路燈功率為30W，太陽能板為120W，蓄電池容量為200AH。

在實驗中，我們通過如下參數，對比我們算法的有效性：①路燈忍受連續陰雨天數，②蓄電池壽命的影響。

蓄電池壽命的變化，采用傳統的蓄電池放電能力進行測試，即使用放電儀在滿充電量狀態下，對蓄電池放電，測試蓄電池的放電能力，其計算公式如式（4）所示。

CA=CM/CF? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

CA為放電能力（百分比），CM為蓄電池最大放電量，CF為蓄電池滿充電量。

3.2 實驗結果與分析

經過2年的運行，特別對光照時數不太充足的11月份至3月份測試，按照上文配置獨立運行的太陽能路燈最長能夠連續運行6個陰雨天，而按照本文提出的組網方式的太陽能路燈，按照同樣的配置最長能夠連續運行10個陰雨天，大幅提高了路燈忍受陰雨天的能力。

為了測試本文提出的組網方式對蓄電池壽命的影響，按照上述配置運行1.5年后，每隔一個月對16盞路燈的蓄電池進行滿充，使用放電儀測試蓄電池的放電能力（滿充電量的百分比）。

如圖1所示，綜合上述數據可以發現，組網路燈經過1.5年運行蓄電池放電能力明顯優于獨立運行路燈，同時測試的0.5年內發現，組網運行路燈放電能力變化小于獨立運行路燈。

4結束語

本文的目的在于克服冬夏兩季太陽能風能資源差距、區域內太陽能風能分布不勻等缺陷，創造性地提出一種通過將路燈組網、利用電力線傳輸協議進行彼此間通信調度的風光互補智慧路燈網絡。采用三級電量閾值的主-被動模式能源共享模型，通過對單個路燈蓄電池充電情況進行分析，結合預設電量值，將富余的能源補給其他路燈。同時通過組網，建立各個路燈之間的通信，方便對各個路燈的控制。在此基礎上，通過分析蓄電池充放電的歷史數據，判斷蓄電池的性能，并通過能量共享網絡及時補充能量虧缺的蓄電池，提升蓄電池使用壽命。達到了經濟和社會效益雙贏的目的。

參考文獻

[1] 薛林，姚國興.基于PIC單片機的風光互補路燈照明控制器[J].可再生能源，2011，29（1）：107-110.

[2] 林閩，張艷紅，修強，等.風光互補路燈控制系統的設計[J].可再生能源，2011，29（6）：146-149.