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(jià)格在逐漸降低,其高性?xún)r(jià)比也逐漸被廣大用戶(hù)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(chǎng)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(jiàn)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(guò)集群的方式可以滿(mǎn)足不同需要。LED燈具單燈珠工作電壓為3 V左右,其驅(qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生諧波。雖然照明設(shè)備單個(gè)容量較小,但其大量使用引起的電能質(zhì)量問(wèn)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(huì)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(dòng)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(shí)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L(zhǎng)ED提供穩(wěn)定的直流驅(qū)動(dòng)電流[3]。LED燈的驅(qū)動(dòng)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(shí),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(shí),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(duì)稱(chēng),因此其中不含偶次諧波分量[4]。

圖1 大功率LED路燈驅(qū)動(dòng)電路模型

從圖1可看出,該型號(hào)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(shí),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(dòng)電路等效模型如圖2所示。

圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路等效模型

等效模型的輸入電流表達(dá)式推導(dǎo)過(guò)程如下:

US=U1sin(ωt)

(1)

(2)

(3)

式中:Ud——半個(gè)正弦周期內(nèi)二極管上的電壓;

Id——半個(gè)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?yàn)樨?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(gè)周期內(nèi)成對(duì)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(jí)數(shù)分析,可將i1分解為傅里葉級(jí)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(duì)LED燈的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)講,電網(wǎng)側(cè)會(huì)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(duì)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(hù),危害面十分廣泛,歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面[5]。

(1)對(duì)變壓器的影響。變壓器的穩(wěn)定安全運(yùn)行對(duì)整個(gè)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(huì)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(wú)法滿(mǎn)足原有負(fù)載的需求。

(2)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。諧波的存在會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)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(dòng)與噪聲。

(3)對(duì)配電線路的影響。當(dāng)諧波電流經(jīng)過(guò)配電線路時(shí),便會(huì)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(gè)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(huì)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(wú)法有效滿(mǎn)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(duì)計(jì)量?jī)x表及電子設(shè)備的影響。電子儀表在諧波的影響下無(wú)法有效區(qū)分有害諧波功率與有益基波功率,會(huì)將兩者同等對(duì)待,其直接結(jié)果是加大計(jì)量誤差;模擬儀表在諧波的影響下會(huì)在繞組及圓盤(pán)中產(chǎn)生諧波電流,并在圓盤(pán)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(jì)量電能數(shù)據(jù)大于真實(shí)使用數(shù)據(jù)。對(duì)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(dòng)甚至崩潰。

(5)對(duì)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(huì)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(shí),電容器便有可能發(fā)生爆炸,嚴(yán)重影響整個(gè)配電線路的安全運(yùn)行。此外,電容器還會(huì)在電壓諧波的影響下產(chǎn)生諧振,對(duì)配電網(wǎng)的配電穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

對(duì)于LED燈驅(qū)動(dòng)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(duì)繼電保護(hù)設(shè)備的影響。由式(11)可知,LED驅(qū)動(dòng)電路會(huì)產(chǎn)生3次、9次等諧波。圖1中顯示的LED驅(qū)動(dòng)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(shí),電網(wǎng)上沒(méi)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(kāi)始降低,在某個(gè)時(shí)刻交流電的電壓會(huì)高于電容上的電壓,電網(wǎng)上才會(huì)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(shí)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(gè)危害即為中性線過(guò)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(duì)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(chēng)為3倍頻諧波,其在中線上都是算術(shù)疊加的。因此,可能會(huì)造成中性線過(guò)載,嚴(yán)重時(shí)燒斷,造成三相電壓不平衡,繼而損壞用電設(shè)備。

3 驅(qū)動(dòng)電路仿真和實(shí)測(cè)分析

對(duì)LED驅(qū)動(dòng)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(gè)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(hù)提供高開(kāi)發(fā)效率的仿真環(huán)境。PSIM仿真軟件包括3個(gè)方面:電路示意性的PSIM,PSIM仿真器,波形形成過(guò)程項(xiàng)目SIMVIEW。

為了對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電路模型,通過(guò)PSIM對(duì)LED驅(qū)動(dòng)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(wú)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(duì)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(shí),驅(qū)動(dòng)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(shí)電流Iac波形如圖4所示。對(duì)比圖3和圖4發(fā)現(xiàn),實(shí)際電網(wǎng)下,電流波形會(huì)趨于平緩,但會(huì)產(chǎn)生部分過(guò)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(guò)對(duì)該波形的FFT分析可知,系統(tǒng)此時(shí)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(shí)電流Iac波形

通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn),LED驅(qū)動(dòng)電路會(huì)產(chǎn)生大量諧波,當(dāng)電網(wǎng)為真實(shí)電網(wǎng)時(shí),高頻衰減,主要為3次諧波。實(shí)際電網(wǎng)的諧波情況需要結(jié)合測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

4 路燈諧波實(shí)際測(cè)試

根據(jù)LED路燈驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的諧波原理及PSIM仿真分析,LED燈的使用會(huì)產(chǎn)生大量諧波。為測(cè)定實(shí)際使用中產(chǎn)生的諧波頻次和含量,對(duì)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(chǎng)測(cè)試。

LED路燈在場(chǎng)景1弱光時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù):從電流波形看,實(shí)際測(cè)量值和仿真波形相似,在相線電流不平衡較小時(shí),中性線電流超過(guò)相線電流。場(chǎng)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(chǎng)景1電壓波形

圖6 場(chǎng)景1電流波形

LED路燈在場(chǎng)景2強(qiáng)光時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù):在全開(kāi)后,中性線電流最大超過(guò)相線電流50%,在某些情況下容易導(dǎo)致斷路器跳閘。全開(kāi)場(chǎng)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(kāi)場(chǎng)景電壓波形

圖8 全開(kāi)場(chǎng)景電流波形

5 路燈諧波治理的原則

對(duì)于諧波的抑制方式,一般有無(wú)源LC濾波器和有源濾波器兩種。無(wú)源LC濾波器隨著供電系統(tǒng)容量的不斷增大和補(bǔ)償對(duì)象的日益復(fù)雜,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)。有源濾波器可以有效地對(duì)包括無(wú)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(lái)越廣泛的關(guān)注。對(duì)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(guò)以上分析及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,單個(gè)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(shí)工作時(shí),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(gè)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(guò)線纜通電,單個(gè)LED路燈產(chǎn)生的大量3次諧波會(huì)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(guò)載導(dǎo)致的火災(zāi)隱患非常嚴(yán)重。因此,對(duì)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(gè)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(duì)每個(gè)燈箱就地進(jìn)行諧波治理。就地APF設(shè)計(jì)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(jì),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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線通信或局域組網(wǎng)。

圖9 就地APF設(shè)計(jì)系統(tǒng)示意圖

7 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于分布式諧波源,集中治理往往無(wú)法杜絕諧波在用戶(hù)側(cè)造成的危害,N線過(guò)載,斷路器過(guò)載跳閘依然會(huì)發(fā)生。因此,對(duì)于分布式諧波源,最有效的治理方式即為就地治理。針對(duì)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。