市政LED路燈諧波治理

曹 永 濤

(武漢市路燈管理服務(wù)中心, 湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著LED相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大和逐漸成熟,LED燈具價格在逐漸降低,其高性價比也逐漸被廣大用戶所注意。LED燈具即將成為市電照明系統(tǒng)主力設(shè)備,在市政路燈、家用照明、酒店、商場等具有非常大的應(yīng)用空間。

按照通常的光效定義,LED發(fā)光效率并不高,但由于其幾乎全部集中在可見光段,效率可達(dá)80%～90%。單體LED的功率一般為0.05～1.00 W,通過集群的方式可以滿足不同需要。LED燈具單燈珠工作電壓為3 V左右,其驅(qū)動電路常采用Boost-PFC技術(shù),功率因數(shù)很高,但是電路的整流部分會產(chǎn)生諧波。雖然照明設(shè)備單個容量較小,但其大量使用引起的電能質(zhì)量問題同樣不容忽視[1]。照明負(fù)荷約占總負(fù)荷的20%[2],且隨著城市建設(shè)品質(zhì)的提高及經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,照明負(fù)荷在城市總用電負(fù)荷中的比重仍在不斷提高。

1 LED路燈的諧波產(chǎn)生原因

大功率LED路燈驅(qū)動電路模型如圖1所示。該模型由220 V交流電源、整流電路、濾波電路、Boost-PFC校正電路、Buck(降壓)電路和LED構(gòu)成。其中整流電路將網(wǎng)側(cè)220 V交流電流變換為直流電流;Boost-PFC校正電路在將電壓提升的同時將電流波形校正到接近正弦波形狀從而提高電路的功率因數(shù);Buck電路為LED提供穩(wěn)定的直流驅(qū)動電流[3]。LED燈的驅(qū)動電路是典型單相橋式整流電容濾波負(fù)荷。當(dāng)電源電壓高于直流側(cè)電容電壓時,二極管導(dǎo)通,電源向電容充電;當(dāng)電源電壓低于直流側(cè)電容電壓時,二極管截止,電容向負(fù)荷側(cè)放電。交流側(cè)電流的波形關(guān)于原點(diǎn)對稱,因此其中不含偶次諧波分量[4]。

圖1 大功率LED路燈驅(qū)動電路模型

從圖1可看出,該型號LED路燈網(wǎng)側(cè)低次諧波電流的諧波主要與整流電路和濾波電路有關(guān),因此在分析網(wǎng)側(cè)電流表達(dá)式時,將濾波電路之后的電路按照功率守恒的原則,近似等效為電阻R。LED驅(qū)動電路等效模型如圖2所示。

圖2 LED驅(qū)動電路等效模型

等效模型的輸入電流表達(dá)式推導(dǎo)過程如下:

US=U1sin(ωt)

(1)

(2)

(3)

式中:Ud——半個正弦周期內(nèi)二極管上的電壓;

Id——半個正弦周期內(nèi)流經(jīng)二極管的電流;

α——二極管初始導(dǎo)通角;

ω——角頻率;

R——等效電阻;

U1——電源電壓有效值。

由功率守恒得

R=U2d/P

(4)

式中:P——LED燈的功率。

因為負(fù)載為阻感性,因此初始導(dǎo)通角為

(5)

二極管在正弦電源的半個周期內(nèi)成對導(dǎo)通,因此網(wǎng)側(cè)諧波電流表達(dá)式如下:

(6)

其中,k=0,1,2,……

根據(jù)傅里葉級數(shù)分析,可將i1分解為傅里葉級數(shù)疊加的形式:

(7)

(8)

(9)

(10)

因此LED路燈網(wǎng)側(cè)電流表達(dá)式為

(11)

其中,n=2k+1,k=0,1,2……

由式(11)可以看出,對LED燈的驅(qū)動電路來講,電網(wǎng)側(cè)會產(chǎn)生3次、5次、7次等奇次諧波,且不含有偶次諧波成分。

2 諧波的危害

諧波對電力系統(tǒng)電磁環(huán)境的污染將危害到系統(tǒng)本身及廣大電力用戶,危害面十分廣泛,歸納起來主要有以下幾個方面[5]。

(1)對變壓器的影響。變壓器的穩(wěn)定安全運(yùn)行對整個輸配電系統(tǒng)有著重要影響。在諧波電壓的作用下,變壓器內(nèi)部的鐵心疊片會形成渦流,而渦流則是造成變壓器溫度上升及損耗增加的關(guān)鍵因素。最終變壓器的基波負(fù)載容量降低,其基波容量無法滿足原有負(fù)載的需求。

(2)對電動機(jī)的影響。諧波的存在會導(dǎo)致電動機(jī)溫度上升及損耗增加。具體表現(xiàn)為:銅損和鐵損增加、效率下降并伴隨著振動與噪聲。

(3)對配電線路的影響。當(dāng)諧波電流經(jīng)過配電線路時,便會產(chǎn)生集膚效應(yīng),導(dǎo)致電阻增加,電流損耗也隨之增加,導(dǎo)致整個配電線路的供電效率及供電質(zhì)量下降。此外,諧波的存在會使配電線路中性線的電流明顯變大,原有配電線路截面積便無法有效滿足大電流的需要,其直接結(jié)果是中性線溫度明顯升高。

(4)對計量儀表及電子設(shè)備的影響。電子儀表在諧波的影響下無法有效區(qū)分有害諧波功率與有益基波功率,會將兩者同等對待,其直接結(jié)果是加大計量誤差;模擬儀表在諧波的影響下會在繞組及圓盤中產(chǎn)生諧波電流,并在圓盤上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,其直接結(jié)果是電能表反映的是諧波功率,導(dǎo)致計量電能數(shù)據(jù)大于真實使用數(shù)據(jù)。對電子設(shè)備最主要的影響是諧波電壓或者是諧波電流的零點(diǎn)與峰值發(fā)生改變,使其偏離真正的零點(diǎn)與峰值,其直接結(jié)果是控制電路出現(xiàn)誤動甚至崩潰。

(5)對電容器的影響。配電線路中出現(xiàn)諧波后,電路中的電容器溫度會在諧波電壓的作用下顯著提高,當(dāng)電容器的自身溫度超出其所能承受的溫度極限時,電容器便有可能發(fā)生爆炸,嚴(yán)重影響整個配電線路的安全運(yùn)行。此外,電容器還會在電壓諧波的影響下產(chǎn)生諧振,對配電網(wǎng)的配電穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

對于LED燈驅(qū)動電路產(chǎn)生的諧波,其危害還包括3次諧波及3倍頻諧波對繼電保護(hù)設(shè)備的影響。由式(11)可知,LED驅(qū)動電路會產(chǎn)生3次、9次等諧波。圖1中顯示的LED驅(qū)動電路中有平滑電容,平滑電容的電壓被充電到交流電的峰值后,就維持在交流電峰值附近。當(dāng)交流電的電壓低于電容上的電壓時,電網(wǎng)上沒有電流流入負(fù)載。負(fù)載的電流由電容供給,隨著輸出電流,電容的電壓開始降低,在某個時刻交流電的電壓會高于電容上的電壓,電網(wǎng)上才會有電流流入電容(給電容充電,使電容上的電壓升高)和負(fù)載中。因此,電網(wǎng)僅在接近電壓峰值的時刻向負(fù)載輸入電流,電流為脈沖狀。電容是導(dǎo)致3次諧波電流的主要原因。

3次諧波造成的另一個危害即為中性線過載。當(dāng)三相線上的電流波形為正弦波,由于它們相差120°,如果三相線上的電流幅度相同,在中性線上矢量疊加的結(jié)果是總和為零。如果三相電流不平衡,中性線的電流為不平衡電流的矢量和,一般中性線電流≤某相線電流。而單相整流電路產(chǎn)生3次諧波電流,由于三相電的每相基波電流之間相位相差120°,因此3次諧波電流的相位相差360°,對于交流電意味它們是同相位的。因此,3次諧波電流在中性線上是算術(shù)疊加的,這就是3次諧波的特殊性。不僅3次諧波具有這樣的特性,只要是基波頻率3倍頻率的諧波都具有這樣的特性。這些頻率是基波頻率3倍的諧波稱為3倍頻諧波,其在中線上都是算術(shù)疊加的。因此,可能會造成中性線過載,嚴(yán)重時燒斷,造成三相電壓不平衡,繼而損壞用電設(shè)備。

3 驅(qū)動電路仿真和實測分析

對LED驅(qū)動電路仿真工具采用PSIM(Power Simulation),該軟件是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM兩個軟件組成的。本仿真系統(tǒng)不只是回路仿真單體,還可以和其他公司的仿真器連接,為用戶提供高開發(fā)效率的仿真環(huán)境。PSIM仿真軟件包括3個方面:電路示意性的PSIM,PSIM仿真器,波形形成過程項目SIMVIEW。

為了對理論計算進(jìn)行驗證,根據(jù)LED驅(qū)動電路模型,通過PSIM對LED驅(qū)動電路進(jìn)行建模仿真,以電阻代替LED燈珠,交流電壓220 V/50 Hz,交流側(cè)電流Iac。

(1)電網(wǎng)為理想電網(wǎng),無阻抗。運(yùn)行仿真電路,電網(wǎng)側(cè)電流Iac波形如圖3所示。由圖3可以看到,交流側(cè)電流為脈沖型電流,由于模擬電網(wǎng)為理想電網(wǎng),其峰值非常高。對該電流進(jìn)行FFT分析,其產(chǎn)生的諧波主要為3次、5次、7次、9次、11次、13次。圖3中,電流峰值約為18 A,有效值為5.14 A,波峰系數(shù)K>3.5,3次諧波電流為3.75 A,THDH3=73%,諧波電流非常大。

圖3 電網(wǎng)側(cè)電流Iac波形

(2)電網(wǎng)為阻抗電網(wǎng)。帶阻抗電網(wǎng)時,驅(qū)動電路仿真,負(fù)載條件不變,電網(wǎng)側(cè)增加部分阻抗。該狀態(tài)下,帶阻抗電網(wǎng)時電流Iac波形如圖4所示。對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn),實際電網(wǎng)下,電流波形會趨于平緩,但會產(chǎn)生部分過零振蕩。該模型下,電網(wǎng)側(cè)電流Iac有效值為2.68 A,峰值約為6 A。通過對該波形的FFT分析可知,系統(tǒng)此時主要為3次諧波,3次諧波電流約為1.71 A,THDH3=64%。

圖4 帶阻抗電網(wǎng)時電流Iac波形

通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn),LED驅(qū)動電路會產(chǎn)生大量諧波,當(dāng)電網(wǎng)為真實電網(wǎng)時,高頻衰減,主要為3次諧波。實際電網(wǎng)的諧波情況需要結(jié)合測量結(jié)果進(jìn)行分析。

4 路燈諧波實際測試

根據(jù)LED路燈驅(qū)動電路產(chǎn)生的諧波原理及PSIM仿真分析,LED燈的使用會產(chǎn)生大量諧波。為測定實際使用中產(chǎn)生的諧波頻次和含量,對武漢某路段路燈使用的LED燈控制箱進(jìn)線處進(jìn)行現(xiàn)場測試。

LED路燈在場景1弱光時的測試數(shù)據(jù):從電流波形看,實際測量值和仿真波形相似,在相線電流不平衡較小時,中性線電流超過相線電流。場景1電壓、電流波形分別如圖5、圖6所示。中性線電流主要為3次諧波電流。

圖5 場景1電壓波形

圖6 場景1電流波形

LED路燈在場景2強(qiáng)光時的測試數(shù)據(jù):在全開后,中性線電流最大超過相線電流50%,在某些情況下容易導(dǎo)致斷路器跳閘。全開場景電壓、電流波形分別如圖7、圖8所示。諧波電流隨燈光強(qiáng)度的增加而增加,大大加重了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。

圖7 全開場景電壓波形

圖8 全開場景電流波形

5 路燈諧波治理的原則

對于諧波的抑制方式,一般有無源LC濾波器和有源濾波器兩種。無源LC濾波器隨著供電系統(tǒng)容量的不斷增大和補(bǔ)償對象的日益復(fù)雜,其結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越難以實現(xiàn)。有源濾波器可以有效地對包括無功和諧波電流在內(nèi)的干擾電流進(jìn)行補(bǔ)償,而受到越來越廣泛的關(guān)注。對于LED路燈產(chǎn)生的諧波特點(diǎn),采用有源電力濾波器治理是合理的選擇。

通過以上分析及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可以看出,單個路燈諧波成分較多,而且諧波含量較大。當(dāng)大量路燈并聯(lián)在系統(tǒng)中同時工作時,其產(chǎn)生的諧波也將疊加。

GB/T 14549—1993附錄C提供的公式

(12)

式中:Ih1——諧波源1的第h次諧波電流;

Ih2——諧波源2的第h次諧波電流;

Kh——兩個諧波源疊加系數(shù)。

根據(jù)式(12)，LED路燈并聯(lián)后,其諧波電流也同樣疊加。

由于路燈和路燈之間通過線纜通電,單個LED路燈產(chǎn)生的大量3次諧波會在中性線(N線)上疊加,傳統(tǒng)的集中治理諧波的方式不能改變諧波在N線上疊加,由于N線過載導(dǎo)致的火災(zāi)隱患非常嚴(yán)重。因此,對分布式,多點(diǎn)位的LED路燈系統(tǒng),最佳治理的方式為就地治理。

6 路燈燈箱治理案例

LED路燈一般采用路燈燈箱控制,其每個燈箱負(fù)責(zé)一段線路的供電,HPD2000DH系列有源濾波器安置在路燈燈箱內(nèi)部,針對每個燈箱就地進(jìn)行諧波治理。就地APF設(shè)計系統(tǒng)示意圖如圖9所示。HPD2000DL系列有源濾波器具有小型化設(shè)計,可以采用壁掛、機(jī)架、嵌入式等安裝方式。其補(bǔ)償諧波電流為5～30 A;同時支持多模塊組網(wǎng)協(xié)通工作(網(wǎng)絡(luò)化綜合補(bǔ)償能力),內(nèi)置DTU、藍(lán)牙、485接口,實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信或局域組網(wǎng)。

圖9 就地APF設(shè)計系統(tǒng)示意圖

7 結(jié) 語

對于分布式諧波源,集中治理往往無法杜絕諧波在用戶側(cè)造成的危害,N線過載,斷路器過載跳閘依然會發(fā)生。因此,對于分布式諧波源,最有效的治理方式即為就地治理。針對諧波源不同的危害方向和治理重點(diǎn),選擇合適的治理方式,才能真正提高電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。