跟随调压型路灯节能控制策略的研究

李文志 崔学深

(华北电力大学，北京 102206)

1 引言

随着经济发展和人民生活水平的提高，道路照明系统已经成为一个城市现代化水平的重要标志。而根据调查显示，路灯系统由于其线路长的特点，输出侧的电压较高，路灯运行时承受的电压一般高于额定值的5%以上，特别是在午夜用电低谷时期，由于用电负荷的减少，电网电压甚至会超出正常电压15%，达到245V。此时照明设备在高于额定电压状态下运行，不仅造成了能源的大量浪费，还降低了照明设备的使用寿命。据了解，我国70%以上的路灯使用的都是高压钠灯，钠灯的设计使用寿命是24000h，但由于长期运行在高电压状态下，致使灯泡的使用寿命不到一年，损失惊人［1］。一般情况下，每超过额定电压1%，照明设备使用寿命减少6%，造成照明设备故障率的增加;同时故障率的增加不可避免的加大检修的难度，致使人力、物力的进一步浪费。因此，路灯节能有很重要的意义。

为了实现路灯节能的目的，目前国内外提出了很多解决办法，比如新型节能灯方式、半夜灯方式和新能源技术等方法［2～4］，但这些策略都未能解决电网电压偏高和波动的问题。为此，人们又提出了路灯降压节能控制策略［5］，目前，常用的路灯降压节能控制策略主要有以下三种:

1)可控硅斩波型照明节能控制策略:

此类控制策略采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管 (可控硅)的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。但该调压方式，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网策略谐波污染，危害极大。如果加装滤波设备，成本太高，所以此类设备是不宜用于照明电路中。

2)固定多档降压控制策略:

由于其所用多抽头自耦变压器的变比是固定的，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。由于使用了采用交流接触器来进行变压切换，在断开时会产生“电弧”和“闪断”存在安全隐患。其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障。

3)连续调节降压控制策略:

它可通过电刷在自耦变压器线圈的表面平滑移动或滚动，改变线圈的变比而调节输出电压。虽然它可以实现无级平滑调节，调节精度高，但由于电刷调节回路是串在主回路中，承受的电流大，如果电刷接触不良，会产生火花;同时机械的接触也会引起触点磨损。

由上述分析可知，目前的路灯节能策略还有许多不足之处，如无法解决电压过高，电压频繁波动，成本偏高，技术不成熟等问题。因此，我们需要设计一种新的节能控制策略来很好地解决这些问题。

而在路灯的实际工作中，电网电压的波动较大，当电压过低时，路灯过暗，无法满足亮度要求;当电压偏大时，不仅造成电力的浪费，而且大大缩短了路灯的使用寿命。因此，在满足亮度要求的情况下，为了实现路灯的节能，我们提出了跟随调压型路灯节能控制策略。它可以实现无论电网电压在一定范围内如何波动，都可以输出我们所期望的稳定电压 (在可接受范围内波动)。而且在深夜人流和车辆较少，对亮度的要求比前半夜要低，也可以通过我们的控制策略，输出低电压，以达到节能的目的，并实现不同稳定电压的自动切换。

2 跟随调压型路灯节能控制策略的硬件系统设计

跟随调压型路灯节能控制策略硬件系统的结构原理图如图1所示，其中T为多抽头自耦变压器，NCS为无触点开关，显示屏主要是为了方便调整时钟芯片的时间。

图1 跟随调压型控制策略的结构原理图Fig.1 The schematic diagram of following voltage regulation type energy-saving control strategy

工作原理:当控制系统投入运行的时候，信号采集单元首先会采集电网电压信号，并对此信号进行隔离、滤波和放大等预处理，然后通过AD转换器，将模拟信号转化为数字信号输入单片机，单片机根据信号的大小自动控制自耦变压器原边1～N号无触点开关的通断，从而达到输出稳定电压的目的。副边的Ⅰ号和Ⅱ号无触点开关也由单片机来进行控制，单片机接收由时钟芯片传送过来的时钟信息，在晚11点之前，单片机控制Ⅰ号开关闭合，Ⅱ号开关打开，使得电压稳定在220V左右;在晚11点之后，单片机控制Ⅰ号开关打开，Ⅱ号开关闭合，使得电压稳定在200V左右。从而实现了输出不同稳定电压的自动控制。因为，这种控制策略是根据不同的电网电压，接通相应的自耦变压器的抽头，从而达到输出稳定电压的目的，因此，也称为跟随调压型路灯节能控制策略。

2.1 无触点开关

无触点开关是一种由微控制器和电力电子器件组成的新型开关器件。常用的无触点开关的电力电子器件有普通晶闸管、门极可关断晶闸管 (GTO)、MOSFET、IGBT等［6］。相对于手动开关、接触器等有触点开关，无触点开关的主要特点是没有可运动的触头部件，导通和关断时不出现电弧或火花，同时具有动作迅速，寿命长，可靠性高等优点。因此，无触点开关目前在各个领域得到了广泛应用。

在本文中，双向反并联的无触点开关主要与多抽头自耦变压器的不同抽头相连接，用于控制不同输入电压接入不同的抽头;同时也可抑制和防止不同抽头转换时，冲击电流和电火花的产生。

2.2 多抽头自耦变压器

自耦变压器可以看作是普通两绕组变压器的一种特殊连接，在一次和二次绕组间不仅具有磁的耦合，而且还有电的直接联系。所以消耗的材料少，造价低，效率高。又因为它的结构和功能都很简单，所以可靠性也比较高。因此，本文的新型路灯节能控制策略采用了多抽头自耦变压器，如图2所示。

图2 多抽头自耦变压器结构示意图Fig.2 Multi-tap autotransformer structure

2.3 无触点开关及自耦变压器连接方案设计

在跟随调压型路灯节能控制策略中，反并联无触点开关的个数取决于电网电压波动范围、控制策略输出电压的精度和成本等因素。

设电网电压波动范围为200V～250V，该控制策略输出电压的最大波动为±4V，若采用图3所示的连接方案，经估算需反并联无触点开关个数N=7。

现计算自耦变压器每个抽头所对应的匝数和电压范围，具体计算过程如下 (令开关NCSⅠ和NCSⅡ所对应的抽头匝数分别为220k和200k，k为合适的正常数，而n为线圈匝数，U为输入电压):

1)7号开关对应抽头的线圈匝数和电压范围的确定

图3 无触点开关与自耦变压器的连接方式1Fig.3 model 1 connection between non-contact switches and autotransformer

可规定7号开关对应抽头的线圈匝数n1=200k，则当7号开关输入电压为200V时，输出电压应为220V，当输入电压为U1时输出电压为224V，由200k/220k=U1/224可得U1=213.6V，即7号开关对应抽头的线圈匝数为200k，而调控电压的范围为200V～203.6V。

2)6号开关对应抽头的线圈匝数和电压范围的确定

设6号开关对应抽头的线圈匝数为n2，它控制的电压范围为 U1～U2，则输出电压的范围应为216V～224V，由 n2/220k=U1/216=U2/224可得n2=207.4k，U2=211.1V，即6号开关对应抽头的线圈匝数为207.4k，而调控电压的范围为203.6V～211.1V。

3)同理可求出1～5号开关对应抽头的线圈匝数和调控电压的范围，具体数据如表1所示。

表1 自耦变压器各个抽头对应的匝数与调压范围Table 1 Each autotransformer tap turns and regulation range

连接方案1的工作方式已在前文详述过，可以看出，这种连接方案输出电压精确度高、编程控制方便。但是所用晶闸管较多，特别是NCSⅠ和NCSⅡ两个开关。这两个开关只负责输出电压的切换，利用率相对较低。因此，我们对连接方案1进行了改进，提出了方案2，如图4所示。

连接方案2比方案1少了两个自耦变压器输出边的反并联无触点开关，它的工作方式为:通过计算合理设计自耦变压器不同抽头所对应的匝数，再将N个反并联无触点开关分成两组:第一组为1～(N-1)号反并联无触点开关，第二组为2～N号反并联无触点开关。当输入电压与第一组反并联无触点开关相连时，输出电压为220V;而后半夜则通过单片机控制，使电网电压与第二组反并联无触点开关相连，则输出电压为200V。这种连接方式减少了无触点开关的个数，降低了成本，但由于每组反并联无触点开关的个数比方式1少了一个，因此输出电压的精度减小。

图4 无触点开关与自耦变压器的连接方式2Fig.4 Model 2 connection between non-contact switches and autotransformer

2.4 单片机控制系统的设计

单片机控制系统包括信号的采集、AD转换、单片机和无触点开关的驱动电路，由于单片机无法直接采集几百伏的高电压，因此我们需要使用霍尔电流型电压互感器采集信号，将高压信号转化成几伏大小的低压信号。

但是传感器所提供的信号的幅度往往很小，噪音很大，且易受干扰，因此，在输入单片机之前，我们要将信号采集单元输出的低压交流信号进行隔离、放大、滤波等预处理后输入AD转换电路。通过A D转换电路将预处理后的模拟信号转换为数字信号，输入至单片机中从而实现单片机对无触点开关的智能控制。单片机控制系统如图5所示。

3 跟随调压型路灯节能控制策略的程序设计

图5 单片机控制系统流程框图Fig.5 SCM control system flow chart

该控制策略的软件部分主要包括对电压信号的处理、对无触点开关驱动电路的控制和根据时钟芯片时间控制输出不同电压等三部分。其中，由于电压信号是交流信号，不同时刻采集到的电压信号可能不同，无法对电网电压进行计算，因此，该策略程序的解决方法是在一个电压周期内，对电压信号进行40次采样 (每500μs采样一次)，再根据公式求其有效值［7］，并以此判断驱动哪一个反并联无触点开关导通。具体程序流程图如图6所示。

图6 控制策略软件系统程序流程图Fig.6 Program flow chart of the control strategy software system

4 实验结果

我国目前最常用的路灯器件为高压钠灯，而高压钠灯为阻感负载［8］。由于电感并不影响我们对于有功功率节能效果的测定，因此，为了方便，在实验中我们使用了纯阻性负载100W的白炽灯代替路灯，研究此控制策略在不同电网电压下的节能效果，其实验装置如图7所示。

实验结果数据如表2所示:

由表2可知，虽然电网电压变化幅度较大，但通过跟随调压型路灯节能控制系统后，前后半夜输出电压基本稳定在220V和200V，不仅达到稳压的目的，延长路灯的使用寿命，而且节能效果明显，特别是在后半夜。同时，由第一组实验数据可知，即使电网电压偏低，前半夜调压后无法实现节能，但假设前后半夜该控制系统的工作时间相同，则仍可实现平均节能4.3%。且电网电压越高，节能效果越明显。

图7 现场测试实验装置Fig.7 Experimental device for field test

表2 实验结果及节能效果计算Table 2 The experimental results and the energy-saving effect

5 结束语

目前，我国的城市电网电压普遍偏高，而且随着大量高耗电工厂和大功率器件的通断，容易造成电网电压的波动。路灯在这种情况下工作，不仅造成电能的浪费，更会对照明设备造成损害。因此，本文设计了一种新型节能控制策略，很好的解决了上述问题。这种策略是基于单片机、无触点开关和多抽头自耦变压器等器件设计的，能够智能实现路灯的节能，操作方便，应用前景广泛。

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