感知天气的太阳能LED路灯控制系统

罗素芹，李常青，魏亚坤

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江 温州 325035)

1 引言

太阳能LED路灯以其高效节能、不依赖电网等优点，在广大农村以及远离电网或电力短缺的偏远地区得到迅速的推广应用[1,2]。

对于LED太阳能路灯控制器的研究，分为充电控制和放电控制。目前充电控制主要是集中在最大功率点跟随控制方法和策略[3～6]。放电控制主要考虑充放电对蓄电池寿命的影响[7,8]。文献[9]对LED太阳能照明控制系统分别进行了MPPT、充电策略和LED 放电控制的研究，并采用MATLAB /Simulink 对主电路和控制系统进行仿真。对LED太阳能路灯进行模糊控制的研究[10～16]目前很少，文献[16]建立一种模糊充电控制策略，给出了LED太阳能路灯充电的模糊规则，同时给出了放电的Fuzzy/PID控制算法，并进行了仿真。

目前的LED太阳能路灯控制系统考虑了纬度、年平均日照时间等因素，对最大功率点跟踪(MPPT)以及各种充放电策略展开研究。但是，太阳能路灯的电能供应完全依赖于天气，每天的充电量具有很强的随机性和不确定性，第二天的充电量又不能准确预知。目前的LED太阳能路灯控制策略是，不考虑天气因素，每晚路灯工作时输出功率都是一样的。在我国南方的梅雨季节，出现连续阴雨天气，LED太阳能路灯蓄电池充电不足，电能很快被用完，因为不能及时补充电，导致路灯不亮和蓄电池损坏。因此，不考虑天气因素的LED太阳能路灯控制策略是不完整的。

本文考虑天气及充电量的情况，结合蓄电池剩余电量对LED太阳能路灯工况进行模糊控制。采用调整亮度、亮灯时长优先的控制策略。解决了连续阴雨天气，蓄电池的电能过快被用完的问题，又保证晴朗天气和蓄电池的电能充足时，路灯全功率高亮度输出。

2 太阳能LED路灯控制系统

太阳能LED路灯主要由太阳能电池板、蓄电池、LED路灯及控制系统组成。太阳能LED路灯控制系统将白天太阳能电池板送来的电能储存至蓄电池，通过测量和累计，得到充电量。同时通过实时测量光照和温度等参数，识别出天气情况，得到天气的模糊量。在蓄电池充电和放电时，测量蓄电池内阻、极化电压和端电压，得到模糊量蓄电池剩余电量。

控制器依据模糊量天气、蓄电池剩余电量及充电量，利用模糊控制器决策，调整LED灯的输出功率(亮度)。从而实现晴朗天气，蓄电池剩余电量充足，输出功率大，灯亮度大。反之，阴雨天气，蓄电池剩余电量不足，输出功率小，灯亮度也小。各输出功率使LED灯的亮度为“很亮”、“较亮”、“中亮”、“欠亮”和“不亮”五个等级，系统框图如图1所示。

图1 太阳能LED路灯控制系统框图Fig.1 Solar LED street light control system

3 识别天气

天气是一个模糊量，可以分为很多情况，与本文主要是根据天气与非降雨变量特性[17]的关系，识别出不同的天气，非降雨变量如日照强度、日照时间和气温。不同的天气对太阳能电池发电功率的影响非常大，如100瓦的单晶硅太阳能电池，在阳光直射的情况下可以输出70瓦电功率，在阴天输出电功率仅10瓦左右，雨天的输出电功率仅3瓦左右。不同的天气的日照时间也差别较大，气温也会影响发电量。

根据不同天气对太阳能电池发电量的影响，把天气分为“晴朗”、“少云”、“多云”、“阴天”、“雨天”五种。通过光照、温度传感器采集到的实验数据，通过分类方法，研究五种天气的隶属函数，得到模糊量天气的输出信号。图2分别为典型的“晴朗”、“少云”、“多云”和“雨天”的日照情况。本文通过采集日照强度、温度等天气数据，每五分钟记录一次，记录一年各个季节的典型天气，统计归纳出“晴朗”、“少云”、“多云”、“阴天”、“雨天”天气的特征，从而根据实测数据识别出模糊量天气。例如，温州地区典型的晴天天气的日照强度曲线与上半正弦函数相似，见图2(a)，其日照强度符合文献[18]太阳辐射照强的95%，少云、多云、雨天的日照情况，见图2(b)、图2(c)和图2(d)，温州地区典型的少云、多云、阴天和雨天天气日照强度分别符合文献[18]太阳辐射照强度的80%、50%、20%和5%。

图2 各种典型天气的光照情况Fig.2 Lighting condition under various weather

4 蓄电池剩余电量

蓄电池剩余电量是另一个模糊量，不容易直接测量，一般是通过放电法来测量。蓄电池剩余电量与蓄电池内阻、端电压和极化电压有关,可通过在线测量蓄电池内阻、端电压和极化电压，预测蓄电池剩余电量。

蓄电池内阻与荷电程度有较高的相关性(0.88左右)，通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量，并可在电池的整个使用期内在线测量。蓄电池内阻测量方法是给蓄电池加上比极化过程变化快的交流信号(如1KHz)，测量电池端电压、电流以及两者之间的夹角，得到蓄电池的内阻，从而预测蓄电池的剩余电量[19]。

本文将蓄电池剩余电量分为五个状态：“满”、“较满”、“中”、“少”、“亏电”，分别对应于蓄电池剩余电量的90%以上、70%～90%、40%～70%、20%～40%和20%以下。

5 控制规则

太阳能LED路灯控制系统是一个模糊控制器，输入为模糊量天气、充电量及蓄电池剩余电量，输出为LED灯的工作电流，控制LED灯的亮度。由于LED的亮度与工作电流成非线性关系，工作电流减少1/2，亮度约下降30%。本文将输出模糊量LED灯亮度分为五个等级：“很亮”、“较亮”、“中亮”、“欠亮”和“不亮”，其中“很亮”为LED灯额定工作电流下的亮度。

为了实现天气晴朗，充电量充足，灯尽量“亮”；阴雨天气，充电量不足，亮灯时间尽量“长”控制策略，制定相应的控制规则，不仅考虑当天的天气情况，还要考虑短期的天气情况。控制规则举例如下：

规则1：当天天气“晴朗”，亮灯亮度增加0.2级；

规则2：当天天气“少云”，亮灯亮度增加0.1级；

规则3：当天天气“多云”，亮灯亮度不变；

规则4：当天天气“阴天”，亮灯亮度减少0.5级；

规则5：当天天气“雨天”，亮灯亮度减少1级；

规则6：昨天天气“晴朗”，亮灯亮度增加0.1级；

规则7：前天天气“晴朗”，亮灯亮度增加0.05级；

……

规则N：蓄电池剩余电量“亏电”，亮灯亮度为零(停止放电，保护蓄电池)。

6 仿真结果与讨论

根据温州气象台提供的天气数据，对2012年全年日照时间最少的一季度(1月1日～3月31日)的100天，进行太阳能LED路灯运行仿真，仿真结果见表1，普通型太阳能LED路灯的亮灯率只有38%，而感知天气型太阳能LED路灯的亮灯率为100%。可见，这种感知天气的控制策略是否有效，以牺牲部分亮度为代价大大提高了亮灯率。

表1 2012年1季度路灯运行仿真结果统计表Table 1 Simulation result of street light on the first season in 2012

2012年12月，将100只40W感知天气太阳能LED路灯控制器安装在温州某地实地运行，截止2013年1月～5月，路灯的亮灯率为100%，用户对路灯亮度为“较亮”和“中亮”表示可以接收， 100%的亮灯率得到了用户的好评。

7 结语

太阳能LED 路灯将清洁的太阳能与发光效率高的LED的优点结合起来，尤其是不依赖电力的特点，使其在广大农村及电力短缺偏远地区得到大力推广。本文设计的感知天气的控制系统是太阳能LED 路灯的核心，保证在连续的阴雨天气下，路灯有很高的亮灯率。同时也解决了连续的阴雨天所导致的蓄电池电量不足而可能引起的一系列问题，对保护蓄电池、延长蓄电池使用寿命也有这重大的积极意义。

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