市政LED路燈諧波治理

曹 永 濤

(武漢市路燈管理服務中心, 湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著LED相關產業規模擴大和逐漸成熟,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主力設備,在市政路燈、家用照明、酒店、商場等具有非常大的應用空間。

按照通常的光效定義,LED發光效率并不高,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,其驅動電路常采用Boost-PFC技術,功率因數很高,但是電路的整流部分會產生諧波。雖然照明設備單個容量較小,但其大量使用引起的電能質量問題同樣不容忽視[1]。照明負荷約占總負荷的20%[2],且隨著城市建設品質的提高及經濟社會的發展,照明負荷在城市總用電負荷中的比重仍在不斷提高。

1 LED路燈的諧波產生原因

大功率LED路燈驅動電路模型如圖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構成。其中整流電路將網側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;Buck電路為LED提供穩定的直流驅動電流[3]。LED燈的驅動電路是典型單相橋式整流電容濾波負荷。當電源電壓高于直流側電容電壓時,二極管導通,電源向電容充電;當電源電壓低于直流側電容電壓時,二極管截止,電容向負荷側放電。交流側電流的波形關于原點對稱,因此其中不含偶次諧波分量[4]。

圖1 大功率LED路燈驅動電路模型

從圖1可看出,該型號LED路燈網側低次諧波電流的諧波主要與整流電路和濾波電路有關,因此在分析網側電流表達式時,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驅動電路等效模型如圖2所示。

圖2 LED驅動電路等效模型

等效模型的輸入電流表達式推導過程如下:

US=U1sin(ωt)

(1)

(2)

(3)

式中:Ud——半個正弦周期內二極管上的電壓;

Id——半個正弦周期內流經二極管的電流;

α——二極管初始導通角;

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。

因為負載為阻感性,因此初始導通角為

(5)

二極管在正弦電源的半個周期內成對導通,因此網側諧波電流表達式如下:

(6)

其中,k=0,1,2,……

根據傅里葉級數分析,可將i1分解為傅里葉級數疊加的形式:

(7)

(8)

(9)

(10)

因此LED路燈網側電流表達式為

(11)

其中,n=2k+1,k=0,1,2……

由式(11)可以看出,對LED燈的驅動電路來講,電網側會產生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

諧波對電力系統電磁環境的污染將危害到系統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。變壓器的穩定安全運行對整個輸配電系統有著重要影響。在諧波電壓的作用下,變壓器內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鍵因素。最終變壓器的基波負載容量降低,其基波容量無法滿足原有負載的需求。

(2)對電動機的影響。諧波的存在會導致電動機溫度上升及損耗增加。具體表現為: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。當諧波電流經過配電線路時,便會產生集膚效應,導致電阻增加,電流損耗也隨之增加,導致整個配電線路的供電效率及供電質量下降。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,其直接結果是中性線溫度明顯升高。

(4)對計量儀表及電子設備的影響。電子儀表在諧波的影響下無法有效區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生諧波電流,并在圓盤上產生轉矩,其直接結果是電能表反映的是諧波功率,導致計量電能數據大于真實使用數據。對電子設備最主要的影響是諧波電壓或者是諧波電流的零點與峰值發生改變,使其偏離真正的零點與峰值,其直接結果是控制電路出現誤動甚至崩潰。

(5)對電容器的影響。配電線路中出現諧波后,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,電容器便有可能發生爆炸,嚴重影響整個配電線路的安全運行。此外,電容器還會在電壓諧波的影響下產生諧振,對配電網的配電穩定性產生不利影響。

對于LED燈驅動電路產生的諧波,其危害還包括3次諧波及3倍頻諧波對繼電保護設備的影響。由式(11)可知,LED驅動電路會產生3次、9次等諧波。圖1中顯示的LED驅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。當交流電的電壓低于電容上的電壓時,電網上沒有電流流入負載。負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)和負載中。因此,電網僅在接近電壓峰值的時刻向負載輸入電流,電流為脈沖狀。電容是導致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疊加的。因此,可能會造成中性線過載,嚴重時燒斷,造成三相電壓不平衡,繼而損壞用電設備。

3 驅動電路仿真和實測分析

對LED驅動電路仿真工具采用PSIM(Power Simulation),該軟件是趨向于電力電子領域以及電機控制領域的仿真應用包軟件。PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM兩個軟件組成的。本仿真系統不只是回路仿真單體,還可以和其他公司的仿真器連接,為用戶提供高開發效率的仿真環境。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。

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

(1)電網為理想電網,無阻抗。運行仿真電路,電網側電流Iac波形如圖3所示。由圖3可以看到,交流側電流為脈沖型電流,由于模擬電網為理想電網,其峰值非常高。對該電流進行FFT分析,其產生的諧波主要為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 電網側電流Iac波形

(2)電網為阻抗電網。帶阻抗電網時,驅動電路仿真,負載條件不變,電網側增加部分阻抗。該狀態下,帶阻抗電網時電流Iac波形如圖4所示。對比圖3和圖4發現,實際電網下,電流波形會趨于平緩,但會產生部分過零振蕩。該模型下,電網側電流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 帶阻抗電網時電流Iac波形

通過仿真分析可以發現,LED驅動電路會產生大量諧波,當電網為真實電網時,高頻衰減,主要為3次諧波。實際電網的諧波情況需要結合測量結果進行分析。

4 路燈諧波實際測試

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

LED路燈在場景1弱光時的測試數據: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強光時的測試數據: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。諧波電流隨燈光強度的增加而增加,大大加重了電網的不穩定性。

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容量的不斷增大和補償對象的日益復雜,其結構設計越來越難以實現。有源濾波器可以有效地對包括無功和諧波電流在內的干擾電流進行補償,而受到越來越廣泛的關注。對于LED路燈產生的諧波特點,采用有源電力濾波器治理是合理的選擇。

通過以上分析及現場測試數據可以看出,單個路燈諧波成分較多,而且諧波含量較大。當大量路燈并聯在系統中同時工作時,其產生的諧波也將疊加。

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。

根據式(12)，LED路燈并聯后,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路燈產生的大量3次諧波會在中性線(N線)上疊加,傳統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線過載導致的火災隱患非常嚴重。因此,對分布式,多點位的LED路燈系統,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,其每個燈箱負責一段線路的供電,HPD2000DH系列有源濾波器安置在路燈燈箱內部,針對每個燈箱就地進行諧波治理。就地APF設計系統示意圖如圖9所示。HPD2000DL系列有源濾波器具有小型化設計,可以采用壁掛、機架、嵌入式等安裝方式。其補償諧波電流為5～30 A;同時支持多模塊組網協通工作(網絡化綜合補償能力),內置DTU、藍牙、485接口,實現遠程無線通信或局域組網。

圖9 就地APF設計系統示意圖

7 結 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造成的危害,N線過載,斷路器過載跳閘依然會發生。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,選擇合適的治理方式,才能真正提高電網系統的電能質量。