变色温LED自适应照明控制系统在隧道节能中的应用

2022-11-19王琥

西部交通科技 2022年8期

王琥

(广西交投科技有限公司，广西南宁 530009)

0 引言

随着“一带一路”倡议和《国家高速公路网规划》的实施，高速公路建设行业正以前所未有的速度推进，有力地促进了我国经济发展和社会进步。广西高速公路网规划中提出，至2030年建设建成高速公路里程数突破1.5万km。而广西地处喀斯特地貌，地形地貌多以山丘为主。随着高速公路里程数的推进，隧道的里程数也将逐步攀升。然而隧道的运营管养花费巨大，30%～40%的花费集中在电力照明系统中[1-2]，负担沉重。同时，广西多数隧道照明系统老旧，电能浪费严重，且不满足当前行车安全要求。因此，对隧道照明节能系统的研究不仅对节能减排有很大功效，对于行车安全也能起到保障作用。

通过对广西区内高速公路隧道照明现状的大量调研可发现，隧道照明耗能十分严重，极大增加了运营成本。主要原因为：(1)隧道照明灯具选择不合理[3-4]，高消耗的灯具如钠灯仍在大量使用；(2)隧道照明控制系统的控制方式过于陈旧，主要采用的控制方式有手动开关控制、分时控制和分级控制[5-6]，白天时段隧道几乎是100%处于照亮状态，形成巨大的能源浪费。鉴于以上隧道照明系统问题，本文从多方面节能措施进行隧道照明系统的改造，提出了一种变色温LED自适应照明控制系统，在梧州倒水隧道进行试点试验并进行相应的分析。

1 自适应照明控制系统总框架节能设计

1.1 自适应照明控制系统总体架构

自适应照明控制系统主要由供电系统和调光系统组成，如图1所示。供电系统将电网交流电经过逆变转换成直流高压(380 V)输出，在变色温灯处由DC/DC转换成变色温灯具额定电压。自适应照明控制系统主要由数据采集模块、控制模块和变色温灯具组成。数据采集模块由洞外亮度计采集数据后，送至集中控制器进行分析，按调光策略对每一个灯具调光控制器下发命令，控制灯具电流，完成灯具调光，实现洞内照度随着洞外亮度的变化而变化的目标。

图1 隧道照明控制系统框架图

根据图1所示系统构架可知，可从光源类型、供电方式、控制策略三方面进行隧道照明的节能和行车安全性能改善。

1.2 光源的选择

在灯具的选择上主要考虑以下几个具体的指标，主要包括能耗性能、色温和使用寿命等因素[7-9]。能耗性能在节能上具有极高价值意义；色温对行车安全、驾驶员行车舒适度起到关键作用；灯具寿命关乎工程成本，对运营期维护成本的降低具有指导意义。本文主要采用广西高速公路隧道工程常用的钠灯、普通LED和变色温灯三种灯具进行对比。

(1)在能耗方面，满足单位面积照度要求的情况下，所需的钠灯功率大于普通LED，而变色温灯具所需的功率略低于普通LED灯。

(2)在色温性能上，钠灯主要偏向暖色调，色温低、偏黄、不舒适；普通LED主要偏向冷色调，色温高、偏白、不舒适；变色温灯具主要由3 000 K和6 500 K两种色温芯片组成，通过两芯片的显色比例可实现3 000～6 000 K的任意色温调节，如图2所示。变色温灯具可根据洞外的自然光色温/照度变化实现洞内的色温/照度变化，从而为后期的调光提供硬件基础。

图2 色温变化曲线图

(3)在使用寿命上，钠灯平均是2 000 Hrs，普通LED和变色温灯具平均是5 000 Hrs；钠灯光衰比较大，在使用2 000 h后，光衰约为30%，而普通LED和变色温灯约为1%。

综上所述，变色温灯具具有以下几个优点：

(1)照明舒适度高，可实现洞内亮度和色温随洞外亮度的变化而变化，使洞内外具有良好的一致性，有效提升了驾驶人员的舒适度，保障了隧道行车安全。

(2)预期节能效果最为明显，特别是相对于广西区内正大量服役的钠灯而言，是钠灯的最佳替代者。

(3)使用寿命长，色衰低。

1.3 供电系统的选择

隧道照明供电系统主要有两种模式，即交流供电方式和直流供电方式。目前广西使用LED灯具的隧道多采用交流供电方式。在供电方式的选择上，主要考虑以下几个因素，包括线损、功率因数、可控可调性等[10-11]。现对交流、直流供电之间进行对比。

(1)在线损方面，相同的电压下进行测试，电压和电流的关系如表1所示。由表1可知，直流流经LED的电流约为交流供电的50%，因此，对于同等供电线路长度和同等负载的情况，交流供电线损约为直流供电线损的两倍。

表1 交直流供电下U-I关系表

(2)在功率因数上，交流供电工作下的LED功率因数一般只有0.5～0.6[11]。同时，由于LED工作原理的特殊性，单个LED在交流供电方式下会产生很多奇数高次谐波，从而导致电流变形。但隧道中的灯具数以千计，当接入多个LED灯具后，整个线路将会产生大量的奇数高次谐波，严重影响线路的电能质量并影响电网，造成能源的浪费。而在使用高压直流供电的方式下，可以通过功率因数校正(PFC)改善整条供电系统的谐波性能，提高功率因数，达到节约电能的目的。

(3)在交流供电的方式下，无法通过无极控制的方式使得LED平滑调光，从而导致无法在隧道照明中按需调节亮度，造成电能的浪费。而在直流供电的方式下，可通过直流电压的平滑控制，实现LED灯具的无极线性调光、阶梯调光、准线性调光等多样化控制。

为了在同等的测试条件下，对比计量交流和直流两种供电方式的电量差异，采取在同等负荷的LED灯具、同等的运行环境与工况下，分别计量交流和直流供电时，相同运行时间后的耗电量。

测试条件为：20盏60 W灯具，计1.2 kW；测试设备包括：直流供电柜、直流电量测试终端(350 V/3 A)、霍尔传感器输入(30 A/3 V)、交流电表(220 V/5 A)；分别在不同时段进行长时间测试。测试结果如表2所示。

表2 交流、直流供电条件下试验结果对比表

通过试验结果分析可得：

①直流供电下：

24 h用电量：28.226 kW·h；

平均每小时用电量：1.176 kW·h。

②交流供电下：

24 h用电量：29.35 kW·h；

平均每小时用电量：1.223 kW·h。

经直流供电与交流供电运行同时间后的电量数据对比分析后，发现直流供电24 h用电量比交流供电节约了1.124 kW·h，平均每小时节约电量约0.047 kW·h，节能率约为3.8%。

综上所述，直流供电主要有线损更小、功率因数更高、可实现平滑调光等优点，本项目将采用直流供电的方式。针对单灯控制所耗控制器多的情况，从成本角度考虑，本文倾向于高压直流供电。供电系统如图3所示。

图3 直流供电框架图

1.4 自适应照明控制策略

本文将洞外的亮度分为多个等级，最高等级取隧道照明设计文件中的设计亮度值，洞外亮度为0～1 050 cd左右，按150 cd分为7个等级，>1 050 cd的部分，按1 000 cd到设计均值按线性划分为3个等级。洞内亮度按相应等级，根据《公路隧道设计规范第二册交通工程与附属设施》中照明设施部分的规定进行折减计算，相应地等间距划分十个等级一一对应洞外照度。隧道一般分为入口段、过渡段、中间段和出口段，一一对亮度进行划分并对应洞外亮度，以便控制系统调取参数使用。

2 试点测试及分析

本文以梧柳路(梧州至柳州)倒水隧道为试点工程，于隧道洞外安装环境亮度采集模块，在变电所内安装直流供电检测系统和集中控制器模块，在洞内安装可变色温灯具，并对安装调试完成后的系统进行亮度等相关测试。

2.1 工程概况

倒水隧道左洞长度335 m，右洞长305 m。其洞外亮度取值均为3 000 cd/m2，洞外亮度折减系数为0.035。原设计该隧道主体照明采用LED灯具200 W、160 W和100 W作为加强照明，60 W作为基本照明，基本照明灯距为16 m，两侧交错布置。采用变色温灯具新设计方案为：入口段1、入口段2设计采用120 W-LED变色温灯，过渡段1、过渡段2设计采用60 W-LED变色温灯作为加强回路照明，基本照明使用60 W-LED变色温灯照明，间距为12 m。隧道采用两阶段控制，白天采用自适应控制调节灯光，晚上采用时序控制。洞外亮度上限值按设计文件取3 000 cd/m2。