燈具抗電壓跌落特性研究及其補(bǔ)償

唐 宇 于希娟 丁屹峰 周作春 周小麗 劉木清

(1.北京電力科學(xué)研究院，北京 100000;2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

電壓跌落 (周波跌落)主要是因?yàn)殡娋W(wǎng)、電力設(shè)備故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化引起的［1］～［4］。一些文獻(xiàn)中采用從系統(tǒng)側(cè)解決電壓跌落的方法［5］，本文從用戶側(cè)入手，主要以光源為負(fù)載研究燈具的抗電壓跌落特性并提出補(bǔ)償方法。氣體放電燈 (HID)包括高壓鈉燈、金鹵燈等為電壓敏感性負(fù)載，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落或突然斷電后，燈具僅能維持很短時(shí)間就會(huì)熄滅，而HID燈的原理決定了它們斷電后重啟需要較長(zhǎng)的時(shí)間，大概需要十幾分鐘［6］。為了滿足重要政治用戶對(duì)照明負(fù)荷正常用電的特定需求，達(dá)到“零閃動(dòng)”的目標(biāo)，需要在分析HID燈具抗電壓跌落性能的基礎(chǔ)上，研究HID燈具的抗電壓跌落補(bǔ)償裝置，使得電網(wǎng)電壓波動(dòng)或故障斷電后，HID燈能維持不熄滅，保持到應(yīng)急后備電源切換上去，可以保證燈具不會(huì)受電網(wǎng)故障而熄滅重啟。本文首先用電壓跌落發(fā)生裝置進(jìn)行常用典型燈具的抗電壓跌落特性研究，并針對(duì)HID燈具提出單燈的補(bǔ)償方法，從而保證燈具不熄滅。

2 燈具抗電壓跌落試驗(yàn)

2.1 測(cè)試原理

在本文中用北京電力科學(xué)研究院研發(fā)的電壓跌落模擬發(fā)生裝置對(duì)典型的燈具進(jìn)行試驗(yàn)，電壓跌落模擬發(fā)生裝置和試驗(yàn)原理圖如圖1所示。試驗(yàn)中可以設(shè)定電壓跌落幅值、起始相角、間隔時(shí)間和重復(fù)次數(shù)等。該裝置具體技術(shù)指標(biāo)如下:跌落幅值范圍:0～100%;跌落持續(xù)時(shí)間范圍:1ms～5min，分辨率1ms;跌落相角范圍:0～359℃，分辨率1℃;輸出電流:200A;模擬三相三線 (三相四線)系統(tǒng)同時(shí)電壓跌落;分相模擬電壓跌落，相間跌落時(shí)間差可以控制。

圖1 電壓跌落模擬裝置原理圖Fig.1 Schematic of voltage drop generating device

針對(duì)跌落幅值、持續(xù)時(shí)間、跌落相角三個(gè)特征量進(jìn)行組合試驗(yàn)，每個(gè)組合進(jìn)行三次，兩次試驗(yàn)之間最小時(shí)間間隔依被試設(shè)備的特性而不同 (對(duì)于氣體放電燈類，因電壓跌落會(huì)影響放電特性，要等穩(wěn)定后進(jìn)行下一次試驗(yàn))，但不得小于10s。試驗(yàn)中記錄被試燈具的電壓和電流波形;引起熄滅發(fā)生的跌落相角、跌落幅值和持續(xù)時(shí)間;以及被試燈具熄滅后恢復(fù)正常運(yùn)行的重啟時(shí)間。電壓跌落特性描述如圖2所示。跌落幅值是指電網(wǎng)電壓有效值跌落的幅度，用額定值的1%～90%標(biāo)示，跌落相角指電壓開始跌落的起始相位角，持續(xù)時(shí)間是指低電壓的持續(xù)時(shí)間。

圖2 電壓跌落示意圖Fig.2 Schematic diagram of voltage drop

2.2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)高壓鈉燈、金屬鹵化燈、節(jié)能燈、白熾燈、LED燈進(jìn)行電壓跌落試驗(yàn)，各種燈的啟動(dòng)特性和電壓跌落響應(yīng)性能如表1所示。從表1可以看出，LED、白熾燈和節(jié)能燈啟動(dòng)較快，熄滅后也可立即恢復(fù)，而高壓鈉燈和金屬鹵化燈啟動(dòng)特性相對(duì)較差，啟動(dòng)過程時(shí)間較長(zhǎng)，燈熄滅后需要充分冷卻才能啟動(dòng)，大概需要10分鐘左右才能恢復(fù)照明，對(duì)電壓跌落也較敏感。

圖3、圖4分別為電壓跌落至67%和81%時(shí)的鈉燈試驗(yàn)錄波圖，從圖中可以看出，電壓跌落至67%時(shí)，高壓鈉燈持續(xù)6ms熄滅，而電壓跌落至81%時(shí)，持續(xù)20ms燈保持不熄滅。表2～表6為典型高壓鈉燈和金鹵燈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過對(duì)不同種類、功率的氣體放電燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以看出氣體放電燈的功率與抗跌落能力有關(guān)。氣體放電燈的功率越大，其抗跌落的性能相對(duì)越強(qiáng)。

表1 燈具的啟動(dòng)特性和電壓跌落響應(yīng)性能Table 1 The startup characteristics and the voltage drop response performance of the lamps

續(xù)表

圖3 高壓鈉燈試驗(yàn)錄波圖:電壓跌落至67%持續(xù)6ms(燈熄)Fig.3 Waveform of sodium lamp:voltage drops to 67%for 6ms(lights out)

圖4 高壓鈉燈試驗(yàn)錄波圖:電壓跌落至81%持續(xù)20ms(燈不熄滅)Fig.4 Waveform of Sodium lamp:voltage drops to 81%for 20ms(lights on)

表2 被試高壓鈉燈 (SON-T150W)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Measurement result for sodium lamp(SON-T150W)

表3 被試高壓鈉燈 (SON-T1000W)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Measurement result for sodium lamp(SON-T1000W)

表4 被試金屬鹵化燈 (HPI-T250W)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T250W)

表5 被試金屬鹵化燈 (HPI-T400W)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T400W)

表6 被試金屬鹵化燈 (HPI-T1000W)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T1000W)

3 燈具抗電壓跌落補(bǔ)償

3.1 補(bǔ)償裝置原理

針對(duì)上述燈具抗電壓跌落的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文提出了一種燈具抗電壓跌落補(bǔ)償?shù)难b置，補(bǔ)償裝置采用一個(gè)電容器儲(chǔ)能，平時(shí)電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，燈具由電網(wǎng)供電，同時(shí)電網(wǎng)通過整流器整流給電容充電;當(dāng)電網(wǎng)電壓跌至額定電壓的60%時(shí)，電容存儲(chǔ)的能量通過逆變電路將電壓變?yōu)榻涣?20V輸出供給燈具，燈具由補(bǔ)償裝置供電，系統(tǒng)中采用一個(gè)DSP進(jìn)行電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控和電路的控制。補(bǔ)償裝置原理圖如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure diagram of compensation device

主電路如圖6所示。逆變器為單相橋式結(jié)構(gòu)。逆變器直流側(cè)采用電解電容作為儲(chǔ)能裝置，提供直流側(cè)電壓ud。當(dāng)電網(wǎng)供電正常的時(shí)候，雙向晶閘管VT1導(dǎo)通，直流側(cè)電容由IGBT反并聯(lián)的二極管通過電感L進(jìn)行充電儲(chǔ)能。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落超過40%時(shí)，VT1分?jǐn)?，使?fù)載脫離電網(wǎng)，同時(shí)，VT2導(dǎo)通，逆變器輸出交流電壓，以供給負(fù)載使用。

圖6 補(bǔ)償裝置主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The main circuit diagram of the compensation device

圖7 補(bǔ)償裝置控制電路圖Fig.7 Control circuit diagram of the c ompensation device

控制電路如圖7所示?？刂齐娐凡捎没贒SP的數(shù)模混合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其中中央處理器DSP采樣電網(wǎng)電壓，用于投切判斷;采樣直流側(cè)電壓，用于輸出電壓有效值控制。DSP的PWM單元輸出四路高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)至逆變橋的4支IGBT管，兩路通斷信號(hào)至2支晶閘管開關(guān)。電路控制部分供電由兩部分構(gòu)成，當(dāng)電網(wǎng)供電正常時(shí)，有電網(wǎng)電壓降壓整流取電，當(dāng)電網(wǎng)供電不正常而被切除時(shí)，由直流側(cè)電容分壓后供電。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以負(fù)載為一個(gè)400W的金鹵燈為例，根據(jù)試驗(yàn)該燈具在電網(wǎng)電壓跌到額定電壓的70%時(shí)燈具會(huì)熄滅，故該實(shí)例中設(shè)定電壓切換的閾值電壓為額定電壓的70%時(shí)進(jìn)行切換，即電網(wǎng)電壓小于154V時(shí)進(jìn)行投切，設(shè)燈具最高允許輸入電壓為額定電壓的120%，即220×1.2=264V，設(shè)置當(dāng)電網(wǎng)斷電后裝置能夠維持100ms(這個(gè)時(shí)間也是電網(wǎng)后備電源二次投切所需要的時(shí)間)，則儲(chǔ)能電容值計(jì)算如下:

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮留一定的裕量，選用400V/1000的電容兩只來實(shí)現(xiàn)。圖8為逆變器輸出端電壓波形，圖9為逆變器輸出負(fù)載端電壓波形，將補(bǔ)償裝置接入400W金鹵燈，電網(wǎng)電壓斷電100ms燈具維持不熄滅，電壓跌至60%時(shí)10s內(nèi)燈具不熄滅。

圖8 逆變器輸出電壓波形Fig.8 Voltage waveform of the inverter output

4 結(jié)論

本文選用了市面上典型的幾款燈具進(jìn)行了燈具

抗電壓跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，金鹵燈和鈉燈等氣體放電光源對(duì)電壓較為敏感，并且啟動(dòng)特性較差，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出了一種針對(duì)單燈的補(bǔ)償裝置，保證在電網(wǎng)電壓斷電或突然跌落時(shí)給予補(bǔ)償，保證燈具不熄滅。

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