区域联网式太阳能智能补偿路灯系统及其控制方法与流程

本发明涉及太阳能路灯市电互补技术领域及LED照明技术和联网领域，特别涉及一种区域联网式太阳能智能补偿路灯系统及其控制方法。

背景技术：
传统的路灯控制系统，是由时控开关定时控制路灯开关，而且随着季节的变化还需要人工去调整时间，使用起来极为不方便。为解决上述问题，近几年开发出了一种太阳能路灯控制系统，该太阳能路灯控制系统是以太阳能为能源，白天太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给LED灯供电使用，节省了电能，很好的解决了传统路灯控制系统所具有的问题。但是现在的太阳能控制系统也存在一些不完善之处。比如，太阳能作为一种自然能源，必然要受到光照、天气等自然因素的影响和限制，阴雨天过长影响亮灯或照明度，使得亮度达不到国家标准的要求，甚至不亮灯(合理的道路照明与无灯相比，可将安全事故降低3倍)；因此对安装位置、角度要求高，太阳能电池板必须保证足够的日照时间，对安装的角度也有严格的限制。但在实际的应用中，由于城市道路两边或绿化分割带内行道树高大繁密，两侧高楼大厦林立，使得部分太阳能板的遮光现象十分严重，光控或时控的控制时间不可能完全统一，每套太阳能路灯的亮灯时间及亮度都不能保持同时一致，使用时就存在很多不便，要在城市道路中合理均匀布置路灯难度太大，且无法预测到今后各方面的发展。随着科学技术的不断进步，作为一种可再生能源的太阳能逐渐被应用于路灯照明领域中。目前，现有技术的太阳能路灯供电控制装置一般包括太阳能电池组件、太阳能路灯控制器和蓄电池；其中，太阳能电池组件在白天有阳关照射时通过太阳能路灯控制器对蓄电池进行充电，以使蓄电池在天黑后太阳能路灯控制器控制开灯时自动为路灯供电。为了避免出现连续多天的阴雨天气导致太阳能电池组件无法为蓄电池充电，从而使得路灯无法正常工作的情况发生，现有技术的太阳能路灯供电控制装置还采用市电作为太阳能的后补供电能源，具体做法是采用继电器或开关管使市电与太阳能路灯控制器相连接，从而达到太阳能和市电切换工作的目的。然而，现有技术的这种供电控制装置，在太阳能和市电切换的过程中，往往会出现闪灯(即短时间断电)的现象，有的甚至出现晚上路灯关闭后，市电把蓄电池充满电的现象，从而导致白天太阳能无法对蓄电池进行充电，造成能源浪费。因而，现有技术的太阳能路灯供电控制装置没有真正实现太阳能优先、市电后补的功能。

技术实现要素：
针对上述不足，本发明目的之一在于提供一种结构设计巧妙、合理、智能化程度高的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统。采用双闭环自动控制系统，不仅能在太阳能电池组件电量不足的情况下无缝接入市电补偿，而且针对太阳能发电存在的发电间断性，波动性和突发状况，都能随时自由切换供电模式，既能使清洁能源的使用达到最大化，又能保证照明系统平稳切换电源。本发明目的还在于，提供一种区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，实现光照好和光照不好的太阳能路灯共享蓄电池中的电能，并且通过双闭环中传感器采集的信息按需分配，为不同需求的路灯提供最为合适的电能。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，包括电源优先级选择控制器、太阳能电池组件、太阳能电池状况采集传感器、电网、光伏并网型逆变器、供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器、蓄电池组、闭环电流控制器、太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器和区域内所有的太阳能LED灯，其特征在于，所述电源优先级选择控制器与太阳能电池状况采集传感器、太阳能电池组件和电网相连接；所述太阳能电池组件和太阳能电池状况采集传感器相连接；所述电网与光伏并网型逆变器相连接；所述供电电源与太阳能电池组件和电网相连接；所述电压补偿控制器与蓄电池控制器相连接；所述蓄电池控制器与蓄电池组相连接；所述蓄电池组与闭环电流控制器相连接；所述闭环电流控制器与太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器相连接；太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器与对应的LED灯相连接，并将传感器搜集到的信息反馈给前级使用。如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，其特征在于，控制太阳能LED灯的照明，主要是由电量控制补偿闭环和电流控制补偿环这个双闭环系统组成，其中双闭环的内环为电流控制补偿环，即为所述的闭环电流控制器，所述闭环电流控制器由电流控制器、LC滤波和用于电流检测的传感器组成；其中双闭环的外环为电量控制补偿闭环，由供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器、蓄电池组、闭环电流控制器、太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器、太阳能LED灯组成。如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，其特征在于，在电源方面，采用了3个闭环控制结构：(1)由电源优先级选择控制器、太阳能电池组件、太阳能电池状况采集传感器组成的闭环；(2)由蓄电池组、光伏并网型逆变器、电网、供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器组成的闭环；(3)由蓄电池组、电源优先级选择控制器、太阳能电池组件、电网、电源供电、电压补偿控制器、蓄电池控制器组成的闭环。如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，其特征在于：蓄电池控制器、电源优先级选择控制器主要集成有单片机和驱动控制模块及相应电路，电压补偿控制器采用CPU或采用GPU。本发明还提供一种区域联网式太阳能智能补偿路灯系统的控制方法，用于控制如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：(1)太阳能电池组件收集太阳能并转化为电能进行储能，电网接口接入市电；(2)当太阳能LED路灯需要供电时，通过自带的传感器，将“需要电能”的信号通过闭环实时直接传递给供电电源模块；(3)供电电源模块接收到信号后，电源优先级选择控制器将选择适当的电源，为供电电源模块进行供电；(4)正常情况下选择太阳能电池组件的电能为蓄电池组蓄电和为太阳能LED路灯进行供电，但当出现太阳能发电存在电量不足、发电间断性，波动性和突发状况的时候，太阳能电池状况采集传感器就将信息通过闭环实时反馈给电源优先级选择控制器，电源优先级选择控制器就会根据闭环反馈信号进行相应的实时控制，无缝切换为市电供电；而一旦太阳能发电恢复正常，太阳能电池状况采集传感器就立刻通过闭环实时将信息反馈，控制器就立即切换回太阳能给供电电源进行供电；(5)得到电能的供电电源模块，供电过程采用双闭环实时控制：根据太阳能LED灯传感器传回来的电量值数据，电压补偿控制器进行补偿的实时定量分析，蓄电池控制器发送实时的补给指令，最终由蓄电池为太阳能LED灯进行适量的电量补给；(6)补给的电能再通过电流控制器、LC滤波将电流稳定后传送给太阳能LED灯；(7)太阳能LED灯需要供电时，重复步骤(2)至(6)，实现优先使用太阳能供电和市电补偿的实时无缝互补。(8)当太阳能LED灯不需要供电时，通过自带的传感器，将“不需要电能”的信号通过闭环直接传递给供电电源模块。如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统的控制方法，其特征在于，所述蓄电池控制器既能够对所述蓄电池组的输入和输出模式进行选择，还能与蓄电池中的传感器配合为电源优先级选择控制器的电源选择提供信息。如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统的控制方法，其特征在于，根据蓄电池独有的负温度特性，使用外带温度传感器的蓄电池控制器，感知环境温度后实时给蓄电池以最准确的电压补偿。如上所述的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统的控制方法，其特征在于，利用Dijkstra算法算出需补偿电能的路灯最短补偿路径。本发明的有益效果为：本发明提供的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，采用双闭环自动控制系统，结构设计巧妙、合理、智能化程度高，在给LED路灯供电的核心结构中采用双闭环，使其不仅能在太阳能电池组件电量不足的情况下无缝接入市电补偿，而且针对太阳能发电存在的发电间断性，波动性和突发状况，都能随时自由切换供电模式，既能使清洁能源的使用达到最大化，又能保证照明系统平稳切换电源。在供电控制方面，也采用了多重实时反馈的闭环控制的方法。对非正常状态(电量不足、电流出现波动性等突发状况)下的照明进行预测，彻底改变了现有方法补偿存在滞后性的弊端。保证补偿在按需分配电流、电压的同时，又具有实时补偿的特性，让系统工作可靠性高。另外本发明提供的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，实现光照好和光照不好的太阳能路灯联网共享蓄电池中的电能，并且通过双闭环中传感器采集的信息按需分配，且传输损耗少，为不同需求的路灯提供最为合适的电能。本发明提供的控制方法步骤简单，安装简便，易于实现，便于维护。而且使系统的控制和LED的供电来源一直保持在最佳状态。大大提高了道路交通的安全性。附图说明图1是本发明的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统的工作原理图。图2是闭环电流控制器(电流控制补偿环)的工作原理图。图3是电量控制补偿环的工作原理图。具体实施方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。参见图1至图3，本发明实施例提供了一种区域联网式太阳能智能补偿路灯系统，其包括电源优先级选择控制器、太阳能电池组件、太阳能电池状况采集传感器、电网(接口)、光伏并网型逆变器、供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器、蓄电池组、闭环电流控制器、太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器和区域内所有的LED灯。其中，所述电源优先级选择控制器与太阳能电池状况采集传感器、太阳能电池组件和电网(接口)相连接。所述太阳能电池组件和太阳能电池状况采集传感器相连接。所述电网(接口)与光伏并网型逆变器相连接。所述供电电源与太阳能电池组件和电网(接口)相连接。所述电压补偿控制器与蓄电池控制器相连接。所述蓄电池控制器与蓄电池组相连接。所述蓄电池组与闭环电流控制器相连接。所述闭环电流控制器与太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器相连接。太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器与对应的LED灯相连接，并将传感器搜集到的信息反馈给前级使用。所述电源优先级选择控制器与太阳能电池状况采集传感器、太阳能电池组件和电网(接口)相连接，其中，所述电源优先级选择控制器与太阳能电池状况采集传感器、太阳能电池组件和电网(接口)的作用是对比当前的设计接入市电的原因仅仅是因为太阳能存储于蓄电池的电量不足，但不能很好的克服其他突发状况。本次设计，由电源优先级选择控制器、太阳能电池状况采集传感器、太阳能电池组件构成一个实时闭环系统。(太阳能电池状况采集)传感器采集太阳能电池组件中的信息，实时反馈给电源优先级选择控制器。电源优先级选择控制器根据不同的情况作出相应的处理。这样，系统不仅能在太阳能电池组件电量不足的情况下无缝接入市电补偿，而且针对太阳能发电存在的发电间断性，波动性和突发状况，都能随时自由切换供电模式，既能使清洁能源的使用达到最大化，又能保证照明系统平稳切换电源，系统更加的稳定。所述蓄电池组、光伏并网型逆变器、电网、供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器相连接，其作用是：构成太阳能为电网发电的闭环通道。所述蓄电池组、电源优先级选择控制器、太阳能电池组件、电网、供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器构成的闭环，其作用是：根据不同的情况自动选择最合理的供电来源，保证照明系统更加的稳定。所述供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器、蓄电池组、电流控制器、LC滤波、太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器、太阳能LED灯、电流检测、电量检测装置，构成实时负反馈双闭环。其中，双闭环的内环为电流控制补偿环，用“闭环电流控制器”表示，所述“闭环电流控制器”由电流控制器、LC滤波和用于电流检测的传感器组成，如图2所示。其中双闭环的外环为电量控制补偿闭环，由供电电源模块、电压补偿控制器、蓄电池控制器、蓄电池组、闭环电流控制器、太阳能LED灯自带的小型储能设备及传感器、太阳能LED灯组成，如图3所示。这样设计是因为由于考虑到：传输过程也会使补给的供应出现一定的滞后性，因此在电路设计过程中加入了“闭环电流控制器”和电量反馈环，目的不仅仅是时刻检测电流和电量的的大小，更重要的是通过电流的变化，预测出电量的变化趋势。因此可以在非正常情况(电量不足、电流出现波动性等突发状况)来临之前，前级电路就可以收到“预警”，从而提前进行补偿，消除了补偿的滞后性，以达到准确实时控制的目的。另外，本发明在“闭环电流控制器”的设计中，应用了电流控制器、LC滤波电路，大大消除了供给给LED路灯的电流的波动性，使LED路灯照明更加的稳定，也提升了LED灯的使用寿命。所述LED路灯是指区域内所有的LED路灯。由于本发明是针对区域内所有的LED路灯，为了减小传输过程中的损耗，因此图1中区域内所有的LED路灯(图1中仅用一个LED代替)的供电直接来源是蓄电池组，算法采用最短补偿路径Dijkstra算法。为了消除滞后性，将LED路灯接入双闭环控制系统中。系统中所有的储能设备都构成了闭环，多重保证供电实时性和供电的稳定性。作为本发明的一种改进，双闭环设计保证了应对各种突发状况，系统都能自动采取相应措施。实时监测实时反馈，保证了系统在处理突发状况的实时性。使得不同状态下的LED灯对电能的需求和蓄电池组对电能的供给实现完全的自动化。作为本发明的一种改进,将内环设计为电流控制补偿环，外环设计为电量控制补偿环，因为：(1)电量：太阳能发电电量是否满足该路灯的消耗需求量，是系统是否合格的关键。(2)电流：电流I用来反映电量Q的变化趋势，在太阳能发电量不足之前，就可以提前预测到，并进行相应的补偿。确保实时控制的准确性。作为本发明的一种改进，蓄电池控制器、电源优先级选择控制器主要集成有单片机和驱动控制模块及相应电路。作为本发明的一种改进，所述蓄电池控制器既能够对所述蓄电池组的输入(LED路灯用电)和输出(向电网发电)模式进行选择，还能与蓄电池中的传感器配合为电源优先级选择控制器的电源选择提供实时准确的信息。作为本发明的一种改进，根据蓄电池独有的负温度特性，使用外带温度传感器的蓄电池控制器，感知环境温度后实时给蓄电池以最准确的电压补偿。一种上述区域联网式太阳能智能补偿路灯系统的控制方法，其包括以下步骤：(1)太阳能电池组件收集太阳能并转化为电能进行储能，电网接口接入市电；(2)当太阳能LED灯需要供电时，通过自带的传感器，将“需要电能”的信号通过闭环实时直接传递给供电电源模块；(3)供电电源模块接收到信号后，电源优先级选择控制器将选择适当的电源为供电电源模块进行供电；(4)正常情况下选择太阳能电池组件的电能为蓄电池组蓄电和为太阳能LED灯进行供电，但当出现太阳能发电存在电量不足、发电间断性，波动性和突发状况的时候，太阳能电池状况采集传感器就将信息通过闭环实时反馈给电源优先级选择控制器，电源优先级选择控制器就会根据闭环反馈信号进行相应的实时控制，无缝切换为市电供电。而一旦太阳能发电恢复正常，太阳能电池状况采集传感器就立刻通过闭环实时将信息反馈，控制器就立即切换回太阳能给供电电源进行供电；(5)得到电能的供电电源模块，供电过程采用双闭环实时控制：根据后级太阳能LED灯传感器传回来的电量值数据，电压补偿控制器进行补偿的实时定量分析，蓄电池控制器发送实时的补给指令，最终由蓄电池为太阳能LED灯进行适量的电量补给；(6)补给的电能再通过电流控制器、LC滤波将电流稳定后传送给太阳能LED灯；(7)太阳能LED灯需要供电时，重复步骤(2)至(6)，实现优先使用太阳能供电和市电补偿的无缝互补；(8)当太阳能LED灯不需要供电时，通过自带的传感器，将“不需要电能”的信号通过闭环直接传递给供电电源模块。本发明提供的控制方法的步骤简易，易于实现，不仅实现蓄电池供电和市电的无缝切入，而且针对太阳能发电存在的发电间断性，波动性和突发状况，都能随时自由切换供电模式。不仅有效确保了太阳能源能够在路灯领域中得到充分利用，而且大大延长蓄电池的使用寿命，进而降低维护成本，利于广泛推广应用。本实施例中，本发明太阳能路灯市电互补控制器的各控制部分均为采用工业级芯片，能够满足高寒高温潮湿环境运行，同时使用了多重闭环的控制代替了晶振的开环定时控制，控制精度高。取消了电位器调整控制设定点，利用传感器实时采集信息并反馈，使设置精确自动化，消除了因电位器振动偏位，温度漂移等，提高了控制点的准确性。本发明的区域联网式太阳能智能补偿路灯系统是采用Dijkstra算法(单源最短路径算法)实现优化控制。在环境问题日益严重的现在，着重解决太阳能合理使用、太阳能充分利用和发电的问题。设计出具有通用性的蓄电池控制器。使之解决周围环境因素影响下的太阳能利用率不高的问题。针对我国市区照明系统中存在的路灯控制器路由算法不佳、监控不便的问题，通过基于Dijkstra算法(单源最短路径算法)和闭环控制的实现方法实现了区域内路灯的实时自动调控功能和优化。Dijkstra算法(单源最短路径算法)：首先根据需要确定一个初始点A(带信号)，找出初始点A到与其相连的所有点之间的的距离，取最小值，设为B。信号传递到B后，按上述方法找到与B相连的所有点之间的最小距离，设为C。以此类推，直到信号传递到指定位置。该系统的调度功能由传感器和控制器所处的闭环自身实现，可根据提前设置的预案自动根据需求熄灭和开启区域内需要动作的LED路灯，不需要人工进行管理，真正实现全自动按需照明。监控功能：系统可以对每一盏LED灯的工作状态进行检测，对于单盏路灯的故障能及时发现并进行必要的统计，代替了传统的人工巡检工作。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。