一種城市LED路燈集中直流供電方案

鄭 旭 ，王海波 ，張蘇東，馬加俊

(1.淮安市路燈管理處，淮安 223001;2.鹽城師范學院實驗中心，鹽城 224002;3.鹽城師范學院物理與電子科學學院，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。隨著大功率發光二極管(LED）光源的技術進步，LED路燈已逐步進入實用階段，但仍沿用交流配電模式，不適應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、固體發光，由于單個LED光源工作電壓為2～3 V，在實際應用中為提高電源效率一般采用多個LED光源串聯工作，但串聯回路總的工作電壓一般不會超過40 V。現有LED路燈的工作模式是:每一盞燈配一個將交流220 V轉換為適合LED光源運行的多路恒流驅動電源，驅動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控制回路嚴重影響驅動電源壽命。

圖1是現有LED路燈驅動電源原理簡化圖:C是整流濾波儲能電容，L是串入電源變壓器電感作為儲能元件和D1，D2一起構成PFC回路，以調整電流導通時間，提升功率因數，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路燈驅動電源原理簡化圖

實測結果表明功率因數PF可以達到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，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作為儲能元件，受溫度的影響變化也較大，一定的振動幅度也會造成損壞和參數的變化。上述原因縮短了LED路燈驅動電源的壽命，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，需要專業技術人員進行操作，已嚴重影響了LED路燈的推廣應用。

為了充分發揮LED光源節能、長壽命的優點，更好地推廣道路照明新技術，必須科學地分析研究影響LED路燈電源壽命及產生諧波原因，在保證電網供電安全的前提下使LED路燈的壽命達到與LED光源相當的水平，才能使LED路燈達到實用化要求。

1 城市LED路燈直流配電系統

在愛迪生(美國通用）發明電燈之初，采用的是直流供電系統，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，解決了當時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用。然而，時光荏苒百年后，電力電子技術的飛速發展，直流輸電的大功率、低損耗、高可靠性輸送等優點顯得非常明顯，目前已在超高壓、大功率、長距離輸電中獲得廣泛應用。

路燈直流配電模式是針對LED光源特點，提出的解決LED路燈壽命問題方法，它采用電力電子技術構建的滿足供電電網安全性要求的直流供電站提供直流電源，達到簡化LED路燈驅動電源設計，提高LED路燈整體壽命，有效保證城市道路采用LED照明系統可靠性的目的。

圖2是路燈直流配電系統示意圖，包括:路燈變壓器1，整流器2，無功補償3，直流配電線路、LED路燈驅動電源4，LED光源5，常規保護控制用開關、熔絲、防雷等未標示。

圖2 路燈直流配電系統示意圖

直流配電系統通過路燈變壓器1把10/6 kV高壓交流電變成380 V低壓交流電，整流器2轉換低壓交流電為240 V直流電，無功補償和濾波器3對整流過程中產生的諧波及無功功率進行補償，保證滿足電網諧波與功率因數標準要求，直流輸配電線路將直流電力輸送到分散的LED路燈驅動電源4驅動LED光源5正常發光照明。

直流配電系統的核心是直流供電站，它實現交流電到直流電的轉換。主要包括:整流濾波器和無功補償兩部分，現有技術有多種方案選擇:

(1）普通路燈變壓器與三相六脈整流器，結合5次諧波補償，優點是結構簡單，整流元件少，可靠性高，三相六脈整流功率因數可達到0.8，總電流諧波畸變小于60%.

(2）單機三繞組整流變壓器結合三相十二脈整流技術，諧波比第一種方案小，基本滿足電力系統對低壓配電系統要求，三相十二脈整流功率因數可達到0.9，總電流諧波畸變小于13%。

(3）兩臺雙繞組變壓器并列運行結合三相十二脈整流方案，由于采用兩臺獨立變壓器，其輸出阻抗容易匹配設計，可杜絕5次諧波。

(4）單機四繞組整流變壓器結合三相十八脈整流，諧波較第二種方案更小，功率因數可達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標準要求。

(5）普通路燈變壓器結合脈寬調制(PWM）整流技術，采用全控型開關管IGBT取代傳統的半控型開關管或二極管，以PWM斬控式整流取代相控整流或不控整流，系統動態響應快，功率因數可達0.99，諧波電流畸變小于3%。

無論采用上述哪種技術方案構成的直流供電系統，均可成功解決諧波、功率因數、可靠性等問題，滿足電網公司對用戶的強制標準要求。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，提高城市照明系統的安全性、可靠性、可維護性，延長壽命。

2 直流供電站

直流供電站實現方案較多，這里選用現代電力電子技術下最簡單的三相單開關Buck型脈寬調制整流方案進行說明，圖3是原理簡圖，S是IGBT開關管，通過控制它的高速開關實現電感能量的轉移及穩壓功能，該方案輸入交流電壓諧波小于3%，PF達到1。

圖3 三相單開關脈寬調制整流原理簡圖

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償，六個整流二極管把交流電轉換為直流電，IGBT開關管S實現無功補償、直流穩壓及功率因數調整，之后的電感和電容作為直流電源平波。

3 直流恒流驅動電源

直流恒流驅動電源實現方式很多，有隔離和非隔離兩類，以圖4實現的PWM高頻非隔離恒流型直流電源為例，圖4中電容C1，C2構成共模干擾抑制回路，電感L1、電容C3，C4構成差模干擾抑制回路，U是恩智浦的PWM控制芯片，Q1是MOS開關管，R3，R4是恒流檢測電阻，電感L2、電容C8構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路燈驅動電源內已取消了整流橋、濾波電容、PFC等回路，使驅動電源的設計更加靈活，主電路結構簡單、可靠性高。

4 小結

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，可以提高供電系統功率因數、減少諧波電流，將分散的LED路燈驅動電源中的整流、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LED路燈推廣應用。同時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，提高整個路燈系統的安全性、可靠性、可維護性，并延長壽命。

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