一種城市LED路燈集中直流供電方案

2012-10-06 14:05:52王海波張?zhí)K東馬加俊

燈與照明 2012年4期

鄭旭，王海波，張?zhí)K東，馬加俊

(1.淮安市路燈管理處，淮安 223001;2.鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，鹽城 224002;3.鹽城師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，鹽城 224002）

0 引言

道路照明的常用電光源是高壓鈉燈、金鹵燈、高壓汞燈和白熾燈，它們的工作原理決定了采用交流配電模式。隨著大功率發(fā)光二極管(LED）光源的技術(shù)進(jìn)步，LED路燈已逐步進(jìn)入實(shí)用階段，但仍沿用交流配電模式，不適應(yīng)LED光源的特性，已無法滿足LED照明可靠性需求。

LED光源的工作特性是:直流、低電壓、恒流、固體發(fā)光，由于單個(gè)LED光源工作電壓為2～3 V，在實(shí)際應(yīng)用中為提高電源效率一般采用多個(gè)LED光源串聯(lián)工作，但串聯(lián)回路總的工作電壓一般不會(huì)超過40 V?，F(xiàn)有LED路燈的工作模式是:每一盞燈配一個(gè)將交流220 V轉(zhuǎn)換為適合LED光源運(yùn)行的多路恒流驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源主要包含單相整流、濾波電容、PFC控制、逆變回路、恒流控制等回路，其中單相整流、濾波電容、PFC控制回路嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)電源壽命。

圖1是現(xiàn)有LED路燈驅(qū)動(dòng)電源原理簡化圖:C是整流濾波儲(chǔ)能電容，L是串入電源變壓器電感作為儲(chǔ)能元件和D1，D2一起構(gòu)成PFC回路，以調(diào)整電流導(dǎo)通時(shí)間，提升功率因數(shù)，減少電源電流諧波分量。輸入電源電流各次諧波有效值:

圖1 LED路燈驅(qū)動(dòng)電源原理簡化圖

實(shí)測結(jié)果表明功率因數(shù)PF可以達(dá)到0.85以上，其中三次諧波電流占基波分量的59%，總電流諧波畸變THD為64%，提高了功率因數(shù)，但諧波問題未得到有效解決。

圖1中配置的高壓整流濾波儲(chǔ)能電容C壽命受工作溫度影響極大，在理想工作溫度下不超過8000 h，極端情況下不超過4000 h;串入電源變壓器電感L作為儲(chǔ)能元件，受溫度的影響變化也較大，一定的振動(dòng)幅度也會(huì)造成損壞和參數(shù)的變化。上述原因縮短了LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的壽命，一般燈具廠家的電源壽命保用期兩年，而電源更換非常麻煩，需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，已嚴(yán)重影響了LED路燈的推廣應(yīng)用。

為了充分發(fā)揮LED光源節(jié)能、長壽命的優(yōu)點(diǎn)，更好地推廣道路照明新技術(shù)，必須科學(xué)地分析研究影響LED路燈電源壽命及產(chǎn)生諧波原因，在保證電網(wǎng)供電安全的前提下使LED路燈的壽命達(dá)到與LED光源相當(dāng)?shù)乃?，才能使LED路燈達(dá)到實(shí)用化要求。

1 城市LED路燈直流配電系統(tǒng)

在愛迪生(美國通用）發(fā)明電燈之初，采用的是直流供電系統(tǒng)，隨后特斯拉(美國西屋）提出交流供電方案，最終因電壓升/降方便，解決了當(dāng)時(shí)直流電源變換困難影響長距離輸電的問題，因此交流輸配電取代直流輸電而獲得廣泛應(yīng)用。然而，時(shí)光荏苒百年后，電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，直流輸電的大功率、低損耗、高可靠性輸送等優(yōu)點(diǎn)顯得非常明顯，目前已在超高壓、大功率、長距離輸電中獲得廣泛應(yīng)用。

路燈直流配電模式是針對LED光源特點(diǎn)，提出的解決LED路燈壽命問題方法，它采用電力電子技術(shù)構(gòu)建的滿足供電電網(wǎng)安全性要求的直流供電站提供直流電源，達(dá)到簡化LED路燈驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，提高LED路燈整體壽命，有效保證城市道路采用LED照明系統(tǒng)可靠性的目的。

圖2是路燈直流配電系統(tǒng)示意圖，包括:路燈變壓器1，整流器2，無功補(bǔ)償3，直流配電線路、LED路燈驅(qū)動(dòng)電源4，LED光源5，常規(guī)保護(hù)控制用開關(guān)、熔絲、防雷等未標(biāo)示。

圖2 路燈直流配電系統(tǒng)示意圖

直流配電系統(tǒng)通過路燈變壓器1把10/6 kV高壓交流電變成380 V低壓交流電，整流器2轉(zhuǎn)換低壓交流電為240 V直流電，無功補(bǔ)償和濾波器3對整流過程中產(chǎn)生的諧波及無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，保證滿足電網(wǎng)諧波與功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，直流輸配電線路將直流電力輸送到分散的LED路燈驅(qū)動(dòng)電源4驅(qū)動(dòng)LED光源5正常發(fā)光照明。

直流配電系統(tǒng)的核心是直流供電站，它實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)換。主要包括:整流濾波器和無功補(bǔ)償兩部分，現(xiàn)有技術(shù)有多種方案選擇:

(1）普通路燈變壓器與三相六脈整流器，結(jié)合5次諧波補(bǔ)償，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，整流元件少，可靠性高，三相六脈整流功率因數(shù)可達(dá)到0.8，總電流諧波畸變小于60%.

(2）單機(jī)三繞組整流變壓器結(jié)合三相十二脈整流技術(shù)，諧波比第一種方案小，基本滿足電力系統(tǒng)對低壓配電系統(tǒng)要求，三相十二脈整流功率因數(shù)可達(dá)到0.9，總電流諧波畸變小于13%。

(3）兩臺(tái)雙繞組變壓器并列運(yùn)行結(jié)合三相十二脈整流方案，由于采用兩臺(tái)獨(dú)立變壓器，其輸出阻抗容易匹配設(shè)計(jì)，可杜絕5次諧波。

(4）單機(jī)四繞組整流變壓器結(jié)合三相十八脈整流，諧波較第二種方案更小，功率因數(shù)可達(dá)0.9，總電流諧波畸變小于5.6%，總諧波電壓失真小于2%，符合IEEE519－1992標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5）普通路燈變壓器結(jié)合脈寬調(diào)制(PWM）整流技術(shù)，采用全控型開關(guān)管IGBT取代傳統(tǒng)的半控型開關(guān)管或二極管，以PWM斬控式整流取代相控整流或不控整流，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率因數(shù)可達(dá)0.99，諧波電流畸變小于3%。

無論采用上述哪種技術(shù)方案構(gòu)成的直流供電系統(tǒng)，均可成功解決諧波、功率因數(shù)、可靠性等問題，滿足電網(wǎng)公司對用戶的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求。解決路燈變壓器不平衡輸出，降低變壓器容量，減少供電電纜截面積，提高城市照明系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性，延長壽命。

2 直流供電站

直流供電站實(shí)現(xiàn)方案較多，這里選用現(xiàn)代電力電子技術(shù)下最簡單的三相單開關(guān)Buck型脈寬調(diào)制整流方案進(jìn)行說明，圖3是原理簡圖，S是IGBT開關(guān)管，通過控制它的高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)電感能量的轉(zhuǎn)移及穩(wěn)壓功能，該方案輸入交流電壓諧波小于3%，PF達(dá)到1。

圖3 三相單開關(guān)脈寬調(diào)制整流原理簡圖

圖3中A，B，C是路燈變壓器的輸出交流電源，電感L及之后的電容作為濾波補(bǔ)償，六個(gè)整流二極管把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，IGBT開關(guān)管S實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償、直流穩(wěn)壓及功率因數(shù)調(diào)整，之后的電感和電容作為直流電源平波。

3 直流恒流驅(qū)動(dòng)電源

直流恒流驅(qū)動(dòng)電源實(shí)現(xiàn)方式很多，有隔離和非隔離兩類，以圖4實(shí)現(xiàn)的PWM高頻非隔離恒流型直流電源為例，圖4中電容C1，C2構(gòu)成共模干擾抑制回路，電感L1、電容C3，C4構(gòu)成差模干擾抑制回路，U是恩智浦的PWM控制芯片，Q1是MOS開關(guān)管，R3，R4是恒流檢測電阻，電感L2、電容C8構(gòu)成直流輸出濾波回路。

圖4 高頻非隔離恒流型直流電源原理圖

采用直流供電后LED路燈驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)已取消了整流橋、濾波電容、PFC等回路，使驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)更加靈活，主電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

4 小結(jié)

城市LED路燈采用直流供電模式，由直流供電站提供LED路燈直流電源，可以提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)、減少諧波電流，將分散的LED路燈驅(qū)動(dòng)電源中的整流、濾波、PFC元器件取消，提高照明燈具的可靠性，延長LED路燈壽命，促進(jìn)LED路燈推廣應(yīng)用。同時(shí)可解決路燈變壓器不平衡輸出，降低變壓器容量，減少供電電纜截面積，提高整個(gè)路燈系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護(hù)性，并延長壽命。

［1］開關(guān)電源功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波限制方法，輸配電設(shè)備網(wǎng)

［2］王晶.UPS整流濾波與電能質(zhì)量.UPS應(yīng)用

［3］陳士軍.直流輸電的優(yōu)勢與前景［J］.水電站設(shè)計(jì)

［4］吳昊，王鋼.加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電源可靠性設(shè)計(jì)匹配LED路燈壽命［J］.國際光電與顯示