市政LED路灯谐波治理

2021-09-16曹永涛

现代建筑电气 2021年12期

曹永涛

(武汉市路灯管理服务中心, 湖北武汉 430010)

0 引言

随着LED相关产业规模扩大和逐渐成熟,LED灯具价格在逐渐降低,其高性价比也逐渐被广大用户所注意。LED灯具即将成为市电照明系统主力设备,在市政路灯、家用照明、酒店、商场等具有非常大的应用空间。

按照通常的光效定义,LED发光效率并不高,但由于其几乎全部集中在可见光段,效率可达80%～90%。单体LED的功率一般为0.05～1.00 W,通过集群的方式可以满足不同需要。LED灯具单灯珠工作电压为3 V左右,其驱动电路常采用Boost-PFC技术,功率因数很高,但是电路的整流部分会产生谐波。虽然照明设备单个容量较小,但其大量使用引起的电能质量问题同样不容忽视[1]。照明负荷约占总负荷的20%[2],且随着城市建设品质的提高及经济社会的发展,照明负荷在城市总用电负荷中的比重仍在不断提高。

1 LED路灯的谐波产生原因

大功率LED路灯驱动电路模型如图1所示。该模型由220 V交流电源、整流电路、滤波电路、Boost-PFC校正电路、Buck(降压)电路和LED构成。其中整流电路将网侧220 V交流电流变换为直流电流;Boost-PFC校正电路在将电压提升的同时将电流波形校正到接近正弦波形状从而提高电路的功率因数;Buck电路为LED提供稳定的直流驱动电流[3]。LED灯的驱动电路是典型单相桥式整流电容滤波负荷。当电源电压高于直流侧电容电压时,二极管导通,电源向电容充电;当电源电压低于直流侧电容电压时,二极管截止,电容向负荷侧放电。交流侧电流的波形关于原点对称,因此其中不含偶次谐波分量[4]。

图1 大功率LED路灯驱动电路模型

从图1可看出,该型号LED路灯网侧低次谐波电流的谐波主要与整流电路和滤波电路有关,因此在分析网侧电流表达式时,将滤波电路之后的电路按照功率守恒的原则,近似等效为电阻R。LED驱动电路等效模型如图2所示。

图2 LED驱动电路等效模型

等效模型的输入电流表达式推导过程如下:

US=U1sin(ωt)

(1)

(2)

(3)

式中:Ud——半个正弦周期内二极管上的电压;

Id——半个正弦周期内流经二极管的电流;

α——二极管初始导通角;

ω——角频率;

R——等效电阻;

U1——电源电压有效值。

由功率守恒得

R=U2d/P

(4)

式中:P——LED灯的功率。

因为负载为阻感性,因此初始导通角为

(5)

二极管在正弦电源的半个周期内成对导通,因此网侧谐波电流表达式如下:

(6)

其中,k=0,1,2,……

根据傅里叶级数分析,可将i1分解为傅里叶级数叠加的形式:

(7)

(8)

(9)

(10)

因此LED路灯网侧电流表达式为

(11)

其中,n=2k+1,k=0,1,2……

由式(11)可以看出,对LED灯的驱动电路来讲,电网侧会产生3次、5次、7次等奇次谐波,且不含有偶次谐波成分。

2 谐波的危害

谐波对电力系统电磁环境的污染将危害到系统本身及广大电力用户,危害面十分广泛,归纳起来主要有以下几个方面[5]。

(1)对变压器的影响。变压器的稳定安全运行对整个输配电系统有着重要影响。在谐波电压的作用下,变压器内部的铁心叠片会形成涡流,而涡流则是造成变压器温度上升及损耗增加的关键因素。最终变压器的基波负载容量降低,其基波容量无法满足原有负载的需求。

(2)对电动机的影响。谐波的存在会导致电动机温度上升及损耗增加。具体表现为:铜损和铁损增加、效率下降并伴随着振动与噪声。

(3)对配电线路的影响。当谐波电流经过配电线路时,便会产生集肤效应,导致电阻增加,电流损耗也随之增加,导致整个配电线路的供电效率及供电质量下降。此外,谐波的存在会使配电线路中性线的电流明显变大,原有配电线路截面积便无法有效满足大电流的需要,其直接结果是中性线温度明显升高。

(4)对计量仪表及电子设备的影响。电子仪表在谐波的影响下无法有效区分有害谐波功率与有益基波功率,会将两者同等对待,其直接结果是加大计量误差;模拟仪表在谐波的影响下会在绕组及圆盘中产生谐波电流,并在圆盘上产生转矩,其直接结果是电能表反映的是谐波功率,导致计量电能数据大于真实使用数据。对电子设备最主要的影响是谐波电压或者是谐波电流的零点与峰值发生改变,使其偏离真正的零点与峰值,其直接结果是控制电路出现误动甚至崩溃。

(5)对电容器的影响。配电线路中出现谐波后,电路中的电容器温度会在谐波电压的作用下显著提高,当电容器的自身温度超出其所能承受的温度极限时,电容器便有可能发生爆炸,严重影响整个配电线路的安全运行。此外,电容器还会在电压谐波的影响下产生谐振,对配电网的配电稳定性产生不利影响。

对于LED灯驱动电路产生的谐波,其危害还包括3次谐波及3倍频谐波对继电保护设备的影响。由式(11)可知,LED驱动电路会产生3次、9次等谐波。图1中显示的LED驱动电路中有平滑电容,平滑电容的电压被充电到交流电的峰值后,就维持在交流电峰值附近。当交流电的电压低于电容上的电压时,电网上没有电流流入负载。负载的电流由电容供给,随着输出电流,电容的电压开始降低,在某个时刻交流电的电压会高于电容上的电压,电网上才会有电流流入电容(给电容充电,使电容上的电压升高)和负载中。因此,电网仅在接近电压峰值的时刻向负载输入电流,电流为脉冲状。电容是导致3次谐波电流的主要原因。

3次谐波造成的另一个危害即为中性线过载。当三相线上的电流波形为正弦波,由于它们相差120°,如果三相线上的电流幅度相同,在中性线上矢量叠加的结果是总和为零。如果三相电流不平衡,中性线的电流为不平衡电流的矢量和,一般中性线电流≤某相线电流。而单相整流电路产生3次谐波电流,由于三相电的每相基波电流之间相位相差120°,因此3次谐波电流的相位相差360°,对于交流电意味它们是同相位的。因此,3次谐波电流在中性线上是算术叠加的,这就是3次谐波的特殊性。不仅3次谐波具有这样的特性,只要是基波频率3倍频率的谐波都具有这样的特性。这些频率是基波频率3倍的谐波称为3倍频谐波,其在中线上都是算术叠加的。因此,可能会造成中性线过载,严重时烧断,造成三相电压不平衡,继而损坏用电设备。

3 驱动电路仿真和实测分析

对LED驱动电路仿真工具采用PSIM(Power Simulation),该软件是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM两个软件组成的。本仿真系统不只是回路仿真单体,还可以和其他公司的仿真器连接,为用户提供高开发效率的仿真环境。PSIM仿真软件包括3个方面:电路示意性的PSIM,PSIM仿真器,波形形成过程项目SIMVIEW。

为了对理论计算进行验证,根据LED驱动电路模型,通过PSIM对LED驱动电路进行建模仿真,以电阻代替LED灯珠,交流电压220 V/50 Hz,交流侧电流Iac。

(1)电网为理想电网,无阻抗。运行仿真电路,电网侧电流Iac波形如图3所示。由图3可以看到,交流侧电流为脉冲型电流,由于模拟电网为理想电网,其峰值非常高。对该电流进行FFT分析,其产生的谐波主要为3次、5次、7次、9次、11次、13次。图3中,电流峰值约为18 A,有效值为5.14 A,波峰系数K>3.5,3次谐波电流为3.75 A,THDH3=73%,谐波电流非常大。

图3 电网侧电流Iac波形

(2)电网为阻抗电网。带阻抗电网时,驱动电路仿真,负载条件不变,电网侧增加部分阻抗。该状态下,带阻抗电网时电流Iac波形如图4所示。对比图3和图4发现,实际电网下,电流波形会趋于平缓,但会产生部分过零振荡。该模型下,电网侧电流Iac有效值为2.68 A,峰值约为6 A。通过对该波形的FFT分析可知,系统此时主要为3次谐波,3次谐波电流约为1.71 A,THDH3=64%。

图4 带阻抗电网时电流Iac波形

通过仿真分析可以发现,LED驱动电路会产生大量谐波,当电网为真实电网时,高频衰减,主要为3次谐波。实际电网的谐波情况需要结合测量结果进行分析。

4 路灯谐波实际测试

根据LED路灯驱动电路产生的谐波原理及PSIM仿真分析,LED灯的使用会产生大量谐波。为测定实际使用中产生的谐波频次和含量,对武汉某路段路灯使用的LED灯控制箱进线处进行现场测试。

LED路灯在场景1弱光时的测试数据:从电流波形看,实际测量值和仿真波形相似,在相线电流不平衡较小时,中性线电流超过相线电流。场景1电压、电流波形分别如图5、图6所示。中性线电流主要为3次谐波电流。

图5 场景1电压波形

图6 场景1电流波形

LED路灯在场景2强光时的测试数据:在全开后,中性线电流最大超过相线电流50%,在某些情况下容易导致断路器跳闸。全开场景电压、电流波形分别如图7、图8所示。谐波电流随灯光强度的增加而增加,大大加重了电网的不稳定性。

图7 全开场景电压波形

图8 全开场景电流波形

5 路灯谐波治理的原则

对于谐波的抑制方式,一般有无源LC滤波器和有源滤波器两种。无源LC滤波器随着供电系统容量的不断增大和补偿对象的日益复杂,其结构设计越来越难以实现。有源滤波器可以有效地对包括无功和谐波电流在内的干扰电流进行补偿,而受到越来越广泛的关注。对于LED路灯产生的谐波特点,采用有源电力滤波器治理是合理的选择。

通过以上分析及现场测试数据可以看出,单个路灯谐波成分较多,而且谐波含量较大。当大量路灯并联在系统中同时工作时,其产生的谐波也将叠加。

GB/T 14549—1993附录C提供的公式

(12)

式中:Ih1——谐波源1的第h次谐波电流;

Ih2——谐波源2的第h次谐波电流;

Kh——两个谐波源叠加系数。

根据式(12)，LED路灯并联后,其谐波电流也同样叠加。

由于路灯和路灯之间通过线缆通电,单个LED路灯产生的大量3次谐波会在中性线(N线)上叠加,传统的集中治理谐波的方式不能改变谐波在N线上叠加,由于N线过载导致的火灾隐患非常严重。因此,对分布式,多点位的LED路灯系统,最佳治理的方式为就地治理。

6 路灯灯箱治理案例

LED路灯一般采用路灯灯箱控制,其每个灯箱负责一段线路的供电,HPD2000DH系列有源滤波器安置在路灯灯箱内部,针对每个灯箱就地进行谐波治理。就地APF设计系统示意图如图9所示。HPD2000DL系列有源滤波器具有小型化设计,可以采用壁挂、机架、嵌入式等安装方式。其补偿谐波电流为5～30 A;同时支持多模块组网协通工作(网络化综合补偿能力),内置DTU、蓝牙、485接口,实现远程无线通信或局域组网。