跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略的研究

李文志 崔學(xué)深

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，道路照明系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。而根據(jù)調(diào)查顯示，路燈系統(tǒng)由于其線路長(zhǎng)的特點(diǎn)，輸出側(cè)的電壓較高，路燈運(yùn)行時(shí)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(shí)期，由于用電負(fù)荷的減少，電網(wǎng)電壓甚至?xí)稣ｋ妷?5%，達(dá)到245V。此時(shí)照明設(shè)備在高于額定電壓狀態(tài)下運(yùn)行，不僅造成了能源的大量浪費(fèi)，還降低了照明設(shè)備的使用壽命。據(jù)了解，我國(guó)70%以上的路燈使用的都是高壓鈉燈，鈉燈的設(shè)計(jì)使用壽命是24000h，但由于長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓狀態(tài)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(shè)備使用壽命減少6%，造成照明設(shè)備故障率的增加;同時(shí)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(jìn)一步浪費(fèi)。因此，路燈節(jié)能有很重要的意義。

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

1)可控硅斬波型照明節(jié)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(dǎo)通角，將電網(wǎng)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(dá)到控壓節(jié)電的目的。但該調(diào)壓方式，由于斬波，使電壓無法實(shí)現(xiàn)正弦波輸出，還會(huì)出現(xiàn)大量諧波，形成對(duì)電網(wǎng)策略諧波污染，危害極大。如果加裝濾波設(shè)備，成本太高，所以此類設(shè)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，調(diào)控裝置的輸出電壓也會(huì)上下波動(dòng)，這樣照明的工作電壓處在不穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，無法起到對(duì)電光源的保護(hù)作用。由于使用了采用交流接觸器來進(jìn)行變壓切換，在斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)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(xù)調(diào)節(jié)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(dòng)或滾動(dòng)，改變線圈的變比而調(diào)節(jié)輸出電壓。雖然它可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，但由于電刷調(diào)節(jié)回路是串在主回路中，承受的電流大，如果電刷接觸不良，會(huì)產(chǎn)生火花;同時(shí)機(jī)械的接觸也會(huì)引起觸點(diǎn)磨損。

由上述分析可知，目前的路燈節(jié)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(dòng)，成本偏高，技術(shù)不成熟等問題。因此，我們需要設(shè)計(jì)一種新的節(jié)能控制策略來很好地解決這些問題。

而在路燈的實(shí)際工作中，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，當(dāng)電壓過低時(shí)，路燈過暗，無法滿足亮度要求;當(dāng)電壓偏大時(shí)，不僅造成電力的浪費(fèi)，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(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能，我們提出了跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略。它可以實(shí)現(xiàn)無論電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)如何波動(dòng)，都可以輸出我們所期望的穩(wěn)定電壓 (在可接受范圍內(nèi)波動(dòng))。而且在深夜人流和車輛較少，對(duì)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(dá)到節(jié)能的目的，并實(shí)現(xiàn)不同穩(wěn)定電壓的自動(dòng)切換。

2 跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)開關(guān)，顯示屏主要是為了方便調(diào)整時(shí)鐘芯片的時(shí)間。

圖1 跟隨調(diào)壓型控制策略的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The schematic diagram of following voltage regulation type energy-saving control strategy

工作原理:當(dāng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行的時(shí)候，信號(hào)采集單元首先會(huì)采集電網(wǎng)電壓信號(hào)，并對(duì)此信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波和放大等預(yù)處理，然后通過AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)信號(hào)的大小自動(dòng)控制自耦變壓器原邊1～N號(hào)無觸點(diǎn)開關(guān)的通斷，從而達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的目的。副邊的Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)無觸點(diǎn)開關(guān)也由單片機(jī)來進(jìn)行控制，單片機(jī)接收由時(shí)鐘芯片傳送過來的時(shí)鐘信息，在晚11點(diǎn)之前，單片機(jī)控制Ⅰ號(hào)開關(guān)閉合，Ⅱ號(hào)開關(guān)打開，使得電壓穩(wěn)定在220V左右;在晚11點(diǎn)之后，單片機(jī)控制Ⅰ號(hào)開關(guān)打開，Ⅱ號(hào)開關(guān)閉合，使得電壓穩(wěn)定在200V左右。從而實(shí)現(xiàn)了輸出不同穩(wěn)定電壓的自動(dòng)控制。因?yàn)?，這種控制策略是根據(jù)不同的電網(wǎng)電壓，接通相應(yīng)的自耦變壓器的抽頭，從而達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的目的，因此，也稱為跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略。

2.1 無觸點(diǎn)開關(guān)

無觸點(diǎn)開關(guān)是一種由微控制器和電力電子器件組成的新型開關(guān)器件。常用的無觸點(diǎn)開關(guān)的電力電子器件有普通晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、MOSFET、IGBT等［6］。相對(duì)于手動(dòng)開關(guān)、接觸器等有觸點(diǎn)開關(guān)，無觸點(diǎn)開關(guān)的主要特點(diǎn)是沒有可運(yùn)動(dòng)的觸頭部件，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)不出現(xiàn)電弧或火花，同時(shí)具有動(dòng)作迅速，壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，無觸點(diǎn)開關(guān)目前在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在本文中，雙向反并聯(lián)的無觸點(diǎn)開關(guān)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(shí)也可抑制和防止不同抽頭轉(zhuǎn)換時(shí)，沖擊電流和電火花的產(chǎn)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(lián)系。所以消耗的材料少，造價(jià)低，效率高。又因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)和功能都很簡(jiǎn)單，所以可靠性也比較高。因此，本文的新型路燈節(jié)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Multi-tap autotransformer structure

2.3 無觸點(diǎn)開關(guān)及自耦變壓器連接方案設(shè)計(jì)

在跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略中，反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)的個(gè)數(shù)取決于電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍、控制策略輸出電壓的精度和成本等因素。

設(shè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為200V～250V，該控制策略輸出電壓的最大波動(dòng)為±4V，若采用圖3所示的連接方案，經(jīng)估算需反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)個(gè)數(shù)N=7。

現(xiàn)計(jì)算自耦變壓器每個(gè)抽頭所對(duì)應(yīng)的匝數(shù)和電壓范圍，具體計(jì)算過程如下 (令開關(guān)NCSⅠ和NCSⅡ所對(duì)應(yīng)的抽頭匝數(shù)分別為220k和200k，k為合適的正常數(shù)，而n為線圈匝數(shù)，U為輸入電壓):

1)7號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)和電壓范圍的確定

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

可規(guī)定7號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)n1=200k，則當(dāng)7號(hào)開關(guān)輸入電壓為200V時(shí)，輸出電壓應(yīng)為220V，當(dāng)輸入電壓為U1時(shí)輸出電壓為224V，由200k/220k=U1/224可得U1=213.6V，即7號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)為200k，而調(diào)控電壓的范圍為200V～203.6V。

2)6號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)和電壓范圍的確定

設(shè)6號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)為n2，它控制的電壓范圍為 U1～U2，則輸出電壓的范圍應(yīng)為216V～224V，由 n2/220k=U1/216=U2/224可得n2=207.4k，U2=211.1V，即6號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)為207.4k，而調(diào)控電壓的范圍為203.6V～211.1V。

3)同理可求出1～5號(hào)開關(guān)對(duì)應(yīng)抽頭的線圈匝數(shù)和調(diào)控電壓的范圍，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 自耦變壓器各個(gè)抽頭對(duì)應(yīng)的匝數(shù)與調(diào)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(gè)開關(guān)。這兩個(gè)開關(guān)只負(fù)責(zé)輸出電壓的切換，利用率相對(duì)較低。因此，我們對(duì)連接方案1進(jìn)行了改進(jìn)，提出了方案2，如圖4所示。

連接方案2比方案1少了兩個(gè)自耦變壓器輸出邊的反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)，它的工作方式為:通過計(jì)算合理設(shè)計(jì)自耦變壓器不同抽頭所對(duì)應(yīng)的匝數(shù)，再將N個(gè)反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)分成兩組:第一組為1～(N-1)號(hào)反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)，第二組為2～N號(hào)反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)輸入電壓與第一組反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)相連時(shí)，輸出電壓為220V;而后半夜則通過單片機(jī)控制，使電網(wǎng)電壓與第二組反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)相連，則輸出電壓為200V。這種連接方式減少了無觸點(diǎn)開關(guān)的個(gè)數(shù)，降低了成本，但由于每組反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)的個(gè)數(shù)比方式1少了一個(gè)，因此輸出電壓的精度減小。

圖4 無觸點(diǎn)開關(guān)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(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)包括信號(hào)的采集、AD轉(zhuǎn)換、單片機(jī)和無觸點(diǎn)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路，由于單片機(jī)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(hào)，將高壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成幾伏大小的低壓信號(hào)。

但是傳感器所提供的信號(hào)的幅度往往很小，噪音很大，且易受干擾，因此，在輸入單片機(jī)之前，我們要將信號(hào)采集單元輸出的低壓交流信號(hào)進(jìn)行隔離、放大、濾波等預(yù)處理后輸入AD轉(zhuǎn)換電路。通過A D轉(zhuǎn)換電路將預(yù)處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入至單片機(jī)中從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)無觸點(diǎn)開關(guān)的智能控制。單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖5所示。

3 跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制策略的程序設(shè)計(jì)

圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)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(duì)電壓信號(hào)的處理、對(duì)無觸點(diǎn)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的控制和根據(jù)時(shí)鐘芯片時(shí)間控制輸出不同電壓等三部分。其中，由于電壓信號(hào)是交流信號(hào)，不同時(shí)刻采集到的電壓信號(hào)可能不同，無法對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行計(jì)算，因此，該策略程序的解決方法是在一個(gè)電壓周期內(nèi)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行40次采樣 (每500μs采樣一次)，再根據(jù)公式求其有效值［7］，并以此判斷驅(qū)動(dòng)哪一個(gè)反并聯(lián)無觸點(diǎn)開關(guān)導(dǎo)通。具體程序流程圖如圖6所示。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我國(guó)目前最常用的路燈器件為高壓鈉燈，而高壓鈉燈為阻感負(fù)載［8］。由于電感并不影響我們對(duì)于有功功率節(jié)能效果的測(cè)定，因此，為了方便，在實(shí)驗(yàn)中我們使用了純阻性負(fù)載100W的白熾燈代替路燈，研究此控制策略在不同電網(wǎng)電壓下的節(jié)能效果，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示:

由表2可知，雖然電網(wǎng)電壓變化幅度較大，但通過跟隨調(diào)壓型路燈節(jié)能控制系統(tǒng)后，前后半夜輸出電壓基本穩(wěn)定在220V和200V，不僅達(dá)到穩(wěn)壓的目的，延長(zhǎng)路燈的使用壽命，而且節(jié)能效果明顯，特別是在后半夜。同時(shí)，由第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，即使電網(wǎng)電壓偏低，前半夜調(diào)壓后無法實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但假設(shè)前后半夜該控制系統(tǒng)的工作時(shí)間相同，則仍可實(shí)現(xiàn)平均節(jié)能4.3%。且電網(wǎng)電壓越高，節(jié)能效果越明顯。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental device for field test

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及節(jié)能效果計(jì)算Table 2 The experimental results and the energy-saving effect

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)的城市電網(wǎng)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(wǎng)電壓的波動(dòng)。路燈在這種情況下工作，不僅造成電能的浪費(fèi)，更會(huì)對(duì)照明設(shè)備造成損害。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)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(jī)、無觸點(diǎn)開關(guān)和多抽頭自耦變壓器等器件設(shè)計(jì)的，能夠智能實(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能，操作方便，應(yīng)用前景廣泛。

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