燈具抗電壓跌落特性研究及其補償

唐 宇 于希娟 丁屹峰 周作春 周小麗 劉木清

(1.北京電力科學研究院，北京 100000;2.復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 引言

電壓跌落 (周波跌落)主要是因為電網、電力設備故障或負荷突然出現大的變化引起的［1］～［4］。一些文獻中采用從系統側解決電壓跌落的方法［5］，本文從用戶側入手，主要以光源為負載研究燈具的抗電壓跌落特性并提出補償方法。氣體放電燈 (HID)包括高壓鈉燈、金鹵燈等為電壓敏感性負載，當電網電壓跌落或突然斷電后，燈具僅能維持很短時間就會熄滅，而HID燈的原理決定了它們斷電后重啟需要較長的時間，大概需要十幾分鐘［6］。為了滿足重要政治用戶對照明負荷正常用電的特定需求，達到“零閃動”的目標，需要在分析HID燈具抗電壓跌落性能的基礎上，研究HID燈具的抗電壓跌落補償裝置，使得電網電壓波動或故障斷電后，HID燈能維持不熄滅，保持到應急后備電源切換上去，可以保證燈具不會受電網故障而熄滅重啟。本文首先用電壓跌落發生裝置進行常用典型燈具的抗電壓跌落特性研究，并針對HID燈具提出單燈的補償方法，從而保證燈具不熄滅。

2 燈具抗電壓跌落試驗

2.1 測試原理

在本文中用北京電力科學研究院研發的電壓跌落模擬發生裝置對典型的燈具進行試驗，電壓跌落模擬發生裝置和試驗原理圖如圖1所示。試驗中可以設定電壓跌落幅值、起始相角、間隔時間和重復次數等。該裝置具體技術指標如下:跌落幅值范圍:0～100%;跌落持續時間范圍:1ms～5min，分辨率1ms;跌落相角范圍:0～359℃，分辨率1℃;輸出電流:200A;模擬三相三線 (三相四線)系統同時電壓跌落;分相模擬電壓跌落，相間跌落時間差可以控制。

圖1 電壓跌落模擬裝置原理圖Fig.1 Schematic of voltage drop generating device

針對跌落幅值、持續時間、跌落相角三個特征量進行組合試驗，每個組合進行三次，兩次試驗之間最小時間間隔依被試設備的特性而不同 (對于氣體放電燈類，因電壓跌落會影響放電特性，要等穩定后進行下一次試驗)，但不得小于10s。試驗中記錄被試燈具的電壓和電流波形;引起熄滅發生的跌落相角、跌落幅值和持續時間;以及被試燈具熄滅后恢復正常運行的重啟時間。電壓跌落特性描述如圖2所示。跌落幅值是指電網電壓有效值跌落的幅度，用額定值的1%～90%標示，跌落相角指電壓開始跌落的起始相位角，持續時間是指低電壓的持續時間。

圖2 電壓跌落示意圖Fig.2 Schematic diagram of voltage drop

2.2 測試結果

對高壓鈉燈、金屬鹵化燈、節能燈、白熾燈、LED燈進行電壓跌落試驗，各種燈的啟動特性和電壓跌落響應性能如表1所示。從表1可以看出，LED、白熾燈和節能燈啟動較快，熄滅后也可立即恢復，而高壓鈉燈和金屬鹵化燈啟動特性相對較差，啟動過程時間較長，燈熄滅后需要充分冷卻才能啟動，大概需要10分鐘左右才能恢復照明，對電壓跌落也較敏感。

圖3、圖4分別為電壓跌落至67%和81%時的鈉燈試驗錄波圖，從圖中可以看出，電壓跌落至67%時，高壓鈉燈持續6ms熄滅，而電壓跌落至81%時，持續20ms燈保持不熄滅。表2～表6為典型高壓鈉燈和金鹵燈的實驗數據。

通過對不同種類、功率的氣體放電燈進行實驗，可以看出氣體放電燈的功率與抗跌落能力有關。氣體放電燈的功率越大，其抗跌落的性能相對越強。

表1 燈具的啟動特性和電壓跌落響應性能Table 1 The startup characteristics and the voltage drop response performance of the lamps

續表

圖3 高壓鈉燈試驗錄波圖:電壓跌落至67%持續6ms(燈熄)Fig.3 Waveform of sodium lamp:voltage drops to 67%for 6ms(lights out)

圖4 高壓鈉燈試驗錄波圖:電壓跌落至81%持續20ms(燈不熄滅)Fig.4 Waveform of Sodium lamp:voltage drops to 81%for 20ms(lights on)

表2 被試高壓鈉燈 (SON-T150W)試驗結果Table 2 Measurement result for sodium lamp(SON-T150W)

表3 被試高壓鈉燈 (SON-T1000W)試驗結果Table 3 Measurement result for sodium lamp(SON-T1000W)

表4 被試金屬鹵化燈 (HPI-T250W)試驗結果Table 4 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T250W)

表5 被試金屬鹵化燈 (HPI-T400W)試驗結果Table 5 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T400W)

表6 被試金屬鹵化燈 (HPI-T1000W)試驗結果Table 6 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T1000W)

3 燈具抗電壓跌落補償

3.1 補償裝置原理

針對上述燈具抗電壓跌落的實驗結果，本文提出了一種燈具抗電壓跌落補償的裝置，補償裝置采用一個電容器儲能，平時電網電壓工作正常時，燈具由電網供電，同時電網通過整流器整流給電容充電;當電網電壓跌至額定電壓的60%時，電容存儲的能量通過逆變電路將電壓變為交流220V輸出供給燈具，燈具由補償裝置供電，系統中采用一個DSP進行電網電壓的實時監控和電路的控制。補償裝置原理圖如圖5所示。

圖5 補償裝置結構框圖Fig.5 Structure diagram of compensation device

主電路如圖6所示。逆變器為單相橋式結構。逆變器直流側采用電解電容作為儲能裝置，提供直流側電壓ud。當電網供電正常的時候，雙向晶閘管VT1導通，直流側電容由IGBT反并聯的二極管通過電感L進行充電儲能。當檢測到電網電壓跌落超過40%時，VT1分斷，使負載脫離電網，同時，VT2導通，逆變器輸出交流電壓，以供給負載使用。

圖6 補償裝置主電路結構圖Fig.6 The main circuit diagram of the compensation device

圖7 補償裝置控制電路圖Fig.7 Control circuit diagram of the c ompensation device

控制電路如圖7所示。控制電路采用基于DSP的數模混合結構實現。其中中央處理器DSP采樣電網電壓，用于投切判斷;采樣直流側電壓，用于輸出電壓有效值控制。DSP的PWM單元輸出四路高頻驅動信號至逆變橋的4支IGBT管，兩路通斷信號至2支晶閘管開關。電路控制部分供電由兩部分構成，當電網供電正常時，有電網電壓降壓整流取電，當電網供電不正常而被切除時，由直流側電容分壓后供電。

3.2 實驗結果

以負載為一個400W的金鹵燈為例，根據試驗該燈具在電網電壓跌到額定電壓的70%時燈具會熄滅，故該實例中設定電壓切換的閾值電壓為額定電壓的70%時進行切換，即電網電壓小于154V時進行投切，設燈具最高允許輸入電壓為額定電壓的120%，即220×1.2=264V，設置當電網斷電后裝置能夠維持100ms(這個時間也是電網后備電源二次投切所需要的時間)，則儲能電容值計算如下:

在實際應用中，考慮留一定的裕量，選用400V/1000的電容兩只來實現。圖8為逆變器輸出端電壓波形，圖9為逆變器輸出負載端電壓波形，將補償裝置接入400W金鹵燈，電網電壓斷電100ms燈具維持不熄滅，電壓跌至60%時10s內燈具不熄滅。

圖8 逆變器輸出電壓波形Fig.8 Voltage waveform of the inverter output

4 結論

本文選用了市面上典型的幾款燈具進行了燈具

抗電壓跌落試驗，試驗表明，金鹵燈和鈉燈等氣體放電光源對電壓較為敏感，并且啟動特性較差，最后根據試驗結果，提出了一種針對單燈的補償裝置，保證在電網電壓斷電或突然跌落時給予補償，保證燈具不熄滅。

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