LED照明應(yīng)用中驅(qū)動電源對公共電網(wǎng)的影響及治理

公文禮

（陜西新威電子科技有限公司，西安710086）

1 LED燈具產(chǎn)生諧波污染的根源

在照明電網(wǎng)中，由于許多非線性PFC低的LED驅(qū)動電源的接入使用，電路上感性、容性器件引起的雜波通過輸入線纜的反饋疊加，電網(wǎng)的電壓、電流波形實際上不再是完全的正弦波，或多或少存在不同程度畸變的非正弦波。

LED燈具為非線性的電流驅(qū)動型發(fā)光器件，工作時需要將AC 220 V交流市電變換為DC恒流而驅(qū)動LED持續(xù)發(fā)光?，F(xiàn)有的LED照明驅(qū)動技術(shù)主要有阻容降壓型 （見圖1）和高頻開關(guān)電源型 （見圖2）兩大類。阻容降壓型LED驅(qū)動電源一般應(yīng)用在25 W以下的小功率低成本燈具上，如家用LED球泡燈、GU系列LED射燈等。而大功率的LED燈具和工礦燈具大多采用高頻電子開關(guān)IGBT或CMOS開關(guān)驅(qū)動，電路一般由輸入浪涌保護、EMI電路、整流濾波、PFC電路、功率變換、輸出整流濾波、反饋環(huán)路控制等部分組成（見圖3）。輸入濾波電路中的電感、電容等元件，造成交流正弦波的相位滯后和電壓、電流波形失真，形成有害諧波污染，通過輸入線纜回饋到電網(wǎng)上，引起電網(wǎng)高次諧波振蕩。若變壓器使用了高頻開關(guān)器件，變壓器的漏磁、高頻開關(guān)信號的電磁輻射污染不僅浪費了燈具的功率，而且寄生到電網(wǎng)上，造成電力環(huán)境低下，如果大量使用LED燈具，不加以限制，對照明電網(wǎng)的危害可想而知，同時也造成LED燈具自身效率低下、頻閃等一系列問題。

有人認(rèn)為，采用阻容降壓式的家用球泡LED燈性價比較好，似乎不存在瑕疵，實際上這種球炮燈除了沒有高頻開關(guān)電源模式的電磁輻射外，其本身沒有功率因數(shù)校正，無功功耗大，線路利用率低，在家庭照明使用中由于數(shù)量少，問題體現(xiàn)不出來，但在賓館、圖書館等大型照明場所，低功率因數(shù)使用燈具多的情況下很容易引起電網(wǎng)效率低，無功功耗大，線路實際負(fù)荷大等問題，必須采用無功補償配電裝置才能滿足電網(wǎng)正常運行。這種畸變的非正弦波在LED驅(qū)動電源中，電流諧波或者電壓諧波的含量常用諧波畸變率THD來表示。

圖1 采用阻容降壓模式無PF校正的LED驅(qū)動電源原理

圖2 采用現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)的LED驅(qū)動電源原理

圖3 理想化的LED驅(qū)動電源原理框圖

2 LED燈具驅(qū)動電源引起的諧波危害

衡量公共電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)有電壓偏差、電壓波動和閃變、頻率偏差、諧波 （電壓、電流諧波畸變率和諧波電壓、電流含有率）和三相不平衡度等參數(shù)。這幾種因素中，電壓偏差、電壓波動和閃變對于現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)來說很好解決。電壓波動可采用比較成熟的寬輸入電壓電源（90～265 V）驅(qū)動方案解決。解決電網(wǎng)的三相不平衡問題則要求將照明燈具由單相220 V接入三相380 V交流電網(wǎng)時，將多盞燈具根據(jù)功率大小均勻分配在交流電網(wǎng)的三相上，基本達到三相負(fù)載平衡。不同的燈具驅(qū)動電源技術(shù)方案將產(chǎn)生不同原因的諧波，而治理不同層次的諧波污染是比較復(fù)雜的問題。

諧波是一個周期性的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍，諧波畸變一般分為電壓畸變 （見表1）和電流畸變。一般照明電網(wǎng)環(huán)境下，供電電網(wǎng)的電壓畸變率相對電流畸變率低得多，且電壓畸變多由于電流畸變引起。輸入電流畸變的諧波分量越大，給公共電網(wǎng)造成的污染越嚴(yán)重，諧波電流在輸入線路阻抗上的壓降會使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，從而影響供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，因此，《電磁兼容 限值

諧波電流發(fā)射限值 （設(shè)備每相輸入電流≤16 A）》（GB 17625.1—2003）中規(guī)定了公共照明電網(wǎng)的諧波允許值 （見表2）。

表1 公共電網(wǎng)諧波電壓 （相電壓）限值

表2 C類設(shè)備 （照明）的諧波電流允許值

在交流公共電網(wǎng)中，由于非線性電氣設(shè)備的投入運行，其電壓、電流波形實際上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。非正弦波通常是周期性電氣分量，根據(jù)傅里葉級數(shù)分析，可分解成基波分量和具有基波分量整數(shù)倍的諧波分量。非正弦波的電壓或電流有效值等于基波和各次諧波電壓或電流有效值的方均根值（平方和的平方根）?；l率為電網(wǎng)頻率（工頻50 Hz）。諧波次數(shù)n是諧波頻率與基波頻率的整數(shù)比（見表3）。

諧波含有率是周期性電氣量中含有的第n次諧波分量有效值與基波分量有效值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

表3 燈具的n次諧波允許值

首先，諧波會增加電網(wǎng)電路的無功損耗，在電力變壓器中，諧波分量不僅增加了銅損，還會增加磁滯和渦流損耗，尤其是在LED驅(qū)動電源中，多次諧波疊加會相應(yīng)增加LED頻閃效應(yīng)。

其次，LED燈具自身驅(qū)動電源產(chǎn)生的諧波會對周圍環(huán)境的通信設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備造成干擾，諧波噪聲會對周圍的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

諧波會引發(fā)同一電網(wǎng)系統(tǒng)中的繼電保護裝置誤動作，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)智能化家居時代，會引起其他設(shè)備動作失控，使同一電網(wǎng)上的其他常規(guī)儀表產(chǎn)生諧波誤差。醫(yī)院、學(xué)校實驗室等場所對電網(wǎng)潔凈度要求高，LED燈具需要謹(jǐn)慎安裝使用。

諧波對LED燈具的危害：如果LED燈具的功率因數(shù)較低，將導(dǎo)致電能利用率降低，燈具的效率和光通量降低，要提高光通量就需要加大燈具的功率，造成電力資源的浪費。驅(qū)動電源中整流二極管的壓降增大，將增大燈具的額外功耗。

LED驅(qū)動電源輸入側(cè)過大的脈沖電流嚴(yán)重危害直流側(cè)的濾波電容，降低燈具的使用壽命。

無論是國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.1—2003還是歐盟國際電工委員會IEC6100.3.2標(biāo)準(zhǔn)，都對大于25 W的LED燈具驅(qū)動電源提出了各種限制要求，對于總諧波失真THD和PFC有專門規(guī)定。美國的能源之星ENERGY STAR固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)中強制要求住宅用LED燈具PFC高于0.7，商業(yè)照明PFC高于0.9。

在照明電網(wǎng)中，過去曾因大量使用熒光燈和其他氣體放電燈，而產(chǎn)生大量三次諧波，三次諧波都從中性線流過，有時甚至超過了其他各相的電流。LED驅(qū)動電源整流、濾波電路及PF低下等設(shè)計缺陷同樣會產(chǎn)生大量的三次諧波。正常情況下中性線的電流比各相線電流小，設(shè)計時中性線的電纜導(dǎo)線較細。在大量三次諧波電流通過中性線時，會造成導(dǎo)線過載過熱、絕緣損耗，進而引發(fā)短路甚至火災(zāi)，必須引起高度重視。

諧波對電網(wǎng)的危害除造成線路損耗外，更重要的是使電網(wǎng)波形畸變，電網(wǎng)雜波污染，供電質(zhì)量下降，危及各種用電設(shè)備的正常運行。

為解決日益嚴(yán)重的諧波問題，中國相繼頒布了《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》 （GB／T 12325—2008）、《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》（GB／T 12326—2008）、《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 （GB／T 14549—1993）、《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》（GB／T 15543—2008）、《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》 （GB／T 15945—2008）等多項標(biāo)準(zhǔn)來保證電能質(zhì)量。

3 LED燈具驅(qū)動電源的諧波治理

電力電網(wǎng)治理諧波方法通常有兩種：1）在照明供配電網(wǎng)中增設(shè)功率補償裝置，有源濾波器或無源濾波器，用以補償電網(wǎng)中批量安裝使用LED燈具，驅(qū)動電源PFC較低所引起的諧波。2）進一步提升LED燈具驅(qū)動電源自身的電路設(shè)計能力，設(shè)計科學(xué)合理的電路，提高電路濾波能力，使之不產(chǎn)生或產(chǎn)生較小的諧波。目前最成熟、最有效的方法是提高LED燈具驅(qū)動電源的功率因數(shù)，提高輸入端的EMI指標(biāo)，降低直流輸出端的紋波值，在LED燈具上盡可能消除一次諧波。

由式 （1）可以看出，驅(qū)動電源中諧波含量越大，ξ越低，從而導(dǎo)致功率因數(shù)越低。在設(shè)計LED燈具驅(qū)動電源時，只有從輸入電流的相位校正技術(shù)和諧波消除技術(shù)兩方面考慮，才能提高電路功率因數(shù)。

通過反推，如果φ＝0時，THD＜5%，則可使PF控制在0.999 9左右，達到比較理想的治理效果。

在LED燈具的電源驅(qū)動電路中，功率因數(shù)PFC一般用cosφ表示，φ是正弦電壓和正弦電流的相位差。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，從制造成本方面考慮，現(xiàn)有的LED燈具驅(qū)動電源大多采用反激式高頻開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （見圖4），只有較大功率的LED驅(qū)動電源才會采用正激雙向推挽電源方案。理想的電網(wǎng)環(huán)境下，照明電路交流輸入電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，由于開關(guān)電源輸入整流濾波電路中二極管的非線性和電容的儲能作用，輸入電流經(jīng)過二極管、電容等器件后發(fā)生了相位的變化和波形的嚴(yán)重畸變。在電路設(shè)計時，消除這種波形畸變和相位滯后的技術(shù)方法通常是在電路中增加PFC功率因數(shù)校正電路。

圖4 反激式LED驅(qū)動電源原理圖

3.1 LED燈具驅(qū)動電源功率因數(shù)校正的意義

隨著LED照明燈具的大量普及應(yīng)用，LED燈具PFC引發(fā)的各種問題也逐漸引起了人們的重視，世界各國先后制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前對25 W以下LED燈具沒有明確的要求，但是對25 W以上的LED燈具PFC指標(biāo)有明確規(guī)定。

LED驅(qū)動電源功率因數(shù)校正后，由于減少了諧波電流含量，大大降低了對其他用電設(shè)備的干擾，電網(wǎng)環(huán)境得到了凈化，PFC的提高也有利于提高電網(wǎng)設(shè)備的利用率。

LED驅(qū)動電源功率因數(shù)校正后，燈具電源的輸入電壓范圍可以擴大，一般可達到90～265 V（單相交流220 V），基本上能適應(yīng)世界各國不同的電壓，有利于LED燈具的全球化應(yīng)用。

LED驅(qū)動電源功率因數(shù)校正后，基本穩(wěn)定的輸出電壓有利于后級DC／DC變換工作點保持穩(wěn)定和提高恒流控制精度。

LED驅(qū)動電源功率因數(shù)校正后，可以提高電網(wǎng)設(shè)備的安全性。在三相四線制電路中，三次諧波在中線的電路同相位，導(dǎo)致中線電流過大，而中線又無保護裝置，有可能因過電流而引起火災(zāi)，損壞電氣設(shè)備。減少諧波電流分量，減少中線電流，可有效提高供電系統(tǒng)的可靠性。

LED驅(qū)動電源功率因數(shù)校正進一步提高了燈具自身的可靠性，如果不采取PFC，過大的尖峰脈沖電流嚴(yán)重危害直流側(cè)的濾波電容，引起二極管正向壓降增加，導(dǎo)致功耗增大。輸入側(cè)的EMI濾波元件因承受高峰值電流脈沖，也需要加大參數(shù)指標(biāo)以提高承受能力，無疑增加了燈具的成本。

3.2 LED防爆燈具驅(qū)動電源功率的因數(shù)校正技術(shù)

LED驅(qū)動電源的PFC治理從電路控制理論上來說有乘法器法和自然跟蹤法。

平均值電流控制是指輸入電感的電流動態(tài)平均值跟蹤電網(wǎng)電壓波形，理論上可以檢測任意直流電壓變流器拓?fù)渲腥我庵返碾娏?，該控制方式對噪聲不敏感，適于電流連續(xù)CCM模式和電流斷續(xù)DCM模式2種工作方式。常見的控制專用芯片為UC3854。

自然跟蹤法有電壓跟蹤控制和峰值電流跟蹤控制兩類。電壓跟蹤控制是在電流斷續(xù)工作模式下，使電感電流峰值自然跟蹤電網(wǎng)電壓，其校正效果與輸入、輸出電壓有明顯關(guān)系，輸出電壓越低，輸入電流畸變越嚴(yán)重。與乘法器法相比，電壓跟蹤控制法簡單，僅需要一個輸出電壓控制開關(guān)。因此，大多數(shù)LED驅(qū)動電源PWM控制IC均可作為電壓跟蹤型PFC電路的控制器。峰值電流跟蹤控制是將電感電流峰值限制在電網(wǎng)周期內(nèi)的某一固定值，該控制方法只適用于電流連續(xù)工作模式，對電路噪聲較敏感，一般用于Boost電路拓?fù)渲小?/p>

大功率LED防爆燈具的驅(qū)動電源普遍采用開關(guān)電源技術(shù)，為提高電網(wǎng)供電質(zhì)量、抑制諧波污染而采用的功率因數(shù)校正技術(shù)PFC可分為無源功率因數(shù)校正PPFC技術(shù)和有源功率因數(shù)校正APFC技術(shù)兩大類。

LED無源功率因數(shù)校正PPFC的優(yōu)點：PPFC實際上是一種自然整流技術(shù)，不會帶來功率器件的開關(guān)損耗，效率高，電路簡單可靠，無需控制電路，EMI小，燈具效率較高。

缺點：LED驅(qū)動輸出電壓不穩(wěn)定 （造成頻閃），功率因數(shù)低，諧波電流大。濾波電感和濾波電容的值較大，電路體積較大，很難達到較高功率因數(shù)，一般可到0.9左右，有時很難滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波限制要求。諧波抑制效果會隨著工作條件的變化而變化，治理效果穩(wěn)定性差。如瞬間可能產(chǎn)生的諧波值超過設(shè)計的參數(shù)，會造成濾波器過載或損壞。LED電源的可靠性和整體壽命受到影響。

APFC技術(shù)是一種完全強迫整流技術(shù)，即在整個工頻周期內(nèi)功率開關(guān)管處于開關(guān)狀態(tài)。由于電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，相對于PPFC技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、輸出電壓穩(wěn)定、諧波電流和對電網(wǎng)側(cè)污染低的優(yōu)點。燈具的功率因數(shù)較高，設(shè)計較好的電路可以達到0.99。根據(jù)電路的功率和負(fù)載特點，可以設(shè)計成兩級APFC電路和單級APFC電路。在LED高頻驅(qū)動電源中，采用單級APFC電路足以達到使用效果。

APFC技術(shù)的缺點是控制電路復(fù)雜、成本高，且隨著功率的增大和開關(guān)頻率的提高，功率器件的損耗明顯增大，引起電路發(fā)熱問題。比較完美的PFC技術(shù)是綜合PPFC和APFC的優(yōu)點，在一個工頻周期內(nèi)既有自然整流時間也有強迫整流時間，即在輸入電壓較低的過零點附近讓開關(guān)管工作，處于強迫整流狀態(tài)，實現(xiàn)較高的功率因數(shù)；當(dāng)輸入電壓較高時開關(guān)管不工作，處于自然工作狀態(tài)，降低開關(guān)損耗，提高燈具的效率。

LED驅(qū)動電源一般采用有源PFC控制策略，主要有雙脈沖方案、半周期脈沖控制方案和雙端脈沖控制方案。

LED驅(qū)動電源的控制模式可分為電流連續(xù)模式CCM和電流斷續(xù)模式DCM。

單級PFC變換器由于控制電路只調(diào)節(jié)輸出電壓，電路穩(wěn)定時，占空比恒定。單級PFC的電流能自動跟隨輸入電壓，因此，輸入電流并不是很理想的正弦波形，PF值較低，可滿足IEC6100－3－2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，總體來說電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高，是比較理想的電路拓?fù)?（見圖5、圖6）。

在現(xiàn)有的LED驅(qū)動硬開關(guān)電路中，由于變壓器漏感及寄生電容的影響，在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間常常會產(chǎn)生很高的電壓尖峰。這個電壓尖峰一方面增加了器件的電壓應(yīng)力，引起較大的噪聲，另一方面加大了器件的損耗。為抑制電壓尖峰，通常在LED電源變換器中加入RC、RVCD／LC等吸收電路，不足之處是吸收的能量全部損耗在電阻R上，使燈具的電路整體效率下降。為進一步降低開關(guān)管的電壓或電流應(yīng)力，提高效率，使變換電路在高頻率、高效率、高功率密度、高可靠性下工作，近年來各種軟開關(guān)驅(qū)動技術(shù)在單級PFC變換器中得到了廣泛應(yīng)用。但大多因加入有源吸收輔助電路，使變換器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。目前應(yīng)用比較成熟的LED驅(qū)動電源技術(shù)是單級有源鉗位功率因數(shù)正變換電路，可使主開關(guān)管兩端電壓鉗位在一定數(shù)值內(nèi)，同時實現(xiàn)零電壓 （ZVS）開關(guān)。輸入電流工作在DCM狀態(tài)下，功率因數(shù)在較寬負(fù)載范圍內(nèi)可達到0.97以上，效率最高達到90%，從而實現(xiàn)高效率、高功率因數(shù)、低成本的優(yōu)化方案。

圖5 采用APFC模式的單級非隔離型LED驅(qū)動電源原理

圖6 兩級APFC技術(shù)方案原理

從LED燈具自身和電網(wǎng)側(cè)兩方面，加強燈具生產(chǎn)企業(yè)對現(xiàn)行相關(guān)LED燈具標(biāo)準(zhǔn)的理解和執(zhí)行，規(guī)范燈具的各項技術(shù)指標(biāo)。電網(wǎng)運行時加強對電力線路的濾波補償和無功補償，優(yōu)化電網(wǎng)自身的利用率，改善LED燈具存在的缺陷，從而真正發(fā)揮LED節(jié)能、長壽的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

分析LED燈具應(yīng)用中因驅(qū)動電源PFC等引起的諧波污染對公共電網(wǎng)造成的各種危害，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件下LED燈具驅(qū)動電源的原理特性，從技術(shù)上對減少和抑制LED電源諧波污染提出解決思路。通過LED燈具驅(qū)動電源的優(yōu)化設(shè)計，不僅從根本上提高了LED燈具的整體質(zhì)量，也提高了公共電網(wǎng)的供電質(zhì)量和用電效率，積極響應(yīng)了國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策。