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

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

對于LED太陽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跟隨控制方法和策略[3～6]。放電控制主要考慮充放電對蓄電池壽命的影響[7,8]。文獻[9]對LED太陽能照明控制系統(tǒng)分別進行了MPPT、充電策略和LED 放電控制的研究，并采用MATLAB /Simulink 對主電路和控制系統(tǒng)進行仿真。對LED太陽能路燈進行模糊控制的研究[10～16]目前很少，文獻[16]建立一種模糊充電控制策略，給出了LED太陽能路燈充電的模糊規(guī)則，同時給出了放電的Fuzzy/PID控制算法，并進行了仿真。

目前的LED太陽能路燈控制系統(tǒng)考慮了緯度、年平均日照時間等因素，對最大功率點跟蹤(MPPT)以及各種充放電策略展開研究。但是，太陽能路燈的電能供應(yīng)完全依賴于天氣，每天的充電量具有很強的隨機性和不確定性，第二天的充電量又不能準確預(yù)知。目前的LED太陽能路燈控制策略是，不考慮天氣因素，每晚路燈工作時輸出功率都是一樣的。在我國南方的梅雨季節(jié)，出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣，LED太陽能路燈蓄電池充電不足，電能很快被用完，因為不能及時補充電，導(dǎo)致路燈不亮和蓄電池損壞。因此，不考慮天氣因素的LED太陽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LED太陽能路燈工況進行模糊控制。采用調(diào)整亮度、亮燈時長優(yōu)先的控制策略。解決了連續(xù)陰雨天氣，蓄電池的電能過快被用完的問題，又保證晴朗天氣和蓄電池的電能充足時，路燈全功率高亮度輸出。

2 太陽能LED路燈控制系統(tǒng)

太陽能LED路燈主要由太陽能電池板、蓄電池、LED路燈及控制系統(tǒng)組成。太陽能LED路燈控制系統(tǒng)將白天太陽能電池板送來的電能儲存至蓄電池，通過測量和累計，得到充電量。同時通過實時測量光照和溫度等參數(shù)，識別出天氣情況，得到天氣的模糊量。在蓄電池充電和放電時，測量蓄電池內(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”五個等級，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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

3 識別天氣

天氣是一個模糊量，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，識別出不同的天氣，非降雨變量如日照強度、日照時間和氣溫。不同的天氣對太陽能電池發(fā)電功率的影響非常大，如100瓦的單晶硅太陽能電池，在陽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間也差別較大，氣溫也會影響發(fā)電量。

根據(jù)不同天氣對太陽能電池發(fā)電量的影響，把天氣分為“晴朗”、“少云”、“多云”、“陰天”、“雨天”五種。通過光照、溫度傳感器采集到的實驗數(shù)據(jù)，通過分類方法，研究五種天氣的隸屬函數(shù)，得到模糊量天氣的輸出信號。圖2分別為典型的“晴朗”、“少云”、“多云”和“雨天”的日照情況。本文通過采集日照強度、溫度等天氣數(shù)據(jù)，每五分鐘記錄一次，記錄一年各個季節(jié)的典型天氣，統(tǒng)計歸納出“晴朗”、“少云”、“多云”、“陰天”、“雨天”天氣的特征，從而根據(jù)實測數(shù)據(jù)識別出模糊量天氣。例如，溫州地區(qū)典型的晴天天氣的日照強度曲線與上半正弦函數(shù)相似，見圖2(a)，其日照強度符合文獻[18]太陽輻射照強的95%，少云、多云、雨天的日照情況，見圖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度分別符合文獻[18]太陽輻射照強度的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模糊量，不容易直接測量，一般是通過放電法來測量。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),可通過在線測量蓄電池內(nèi)阻、端電壓和極化電壓，預(yù)測蓄電池剩余電量。

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

本文將蓄電池剩余電量分為五個狀態(tài)：“滿”、“較滿”、“中”、“少”、“虧電”，分別對應(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

太陽能LED路燈控制系統(tǒng)是一個模糊控制器，輸入為模糊量天氣、充電量及蓄電池剩余電量，輸出為LED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燈亮度分為五個等級：“很亮”、“較亮”、“中亮”、“欠亮”和“不亮”，其中“很亮”為LED燈額定工作電流下的亮度。

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

規(guī)則1：當天天氣“晴朗”，亮燈亮度增加0.2級；

規(guī)則2：當天天氣“少云”，亮燈亮度增加0.1級；

規(guī)則3：當天天氣“多云”，亮燈亮度不變；

規(guī)則4：當天天氣“陰天”，亮燈亮度減少0.5級；

規(guī)則5：當天天氣“雨天”，亮燈亮度減少1級；

規(guī)則6：昨天天氣“晴朗”，亮燈亮度增加0.1級；

規(guī)則7：前天天氣“晴朗”，亮燈亮度增加0.05級；

……

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

6 仿真結(jié)果與討論

根據(jù)溫州氣象臺提供的天氣數(shù)據(jù)，對2012年全年日照時間最少的一季度(1月1日～3月31日)的100天，進行太陽能LED路燈運行仿真，仿真結(jié)果見表1，普通型太陽能LED路燈的亮燈率只有38%，而感知天氣型太陽能LED路燈的亮燈率為100%。可見，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大大提高了亮燈率。

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

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

7 結(jié)語

太陽能LED 路燈將清潔的太陽能與發(fā)光效率高的LED的優(yōu)點結(jié)合起來，尤其是不依賴電力的特點，使其在廣大農(nóng)村及電力短缺偏遠地區(qū)得到大力推廣。本文設(shè)計的感知天氣的控制系統(tǒng)是太陽能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題，對保護蓄電池、延長蓄電池使用壽命也有這重大的積極意義。

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