有源諧波調節在路燈節能中的應用

祖彥勇，韓承雪

(商丘職業技術學院，河南 商丘 476000)

近年來，隨著城市規模的擴大，我國的城市道路照明裝置迅速增加.據城市道路照明技術總站統計，至 2012年，全國所用的路燈總數約為3000萬只.目前應用最廣泛的道路照明光源是鈉燈，因光源及配套電路屬于感性負載，功率因數低，且路燈負荷是分散均勻的，不適合集中補償，故一般采用單燈補償電容來提高其功率因數.一般把補償選擇在cosφ=0.85～0.95之間.增大電容器的容量可得到更高的功率因數，但電網和電氣裝置中出現的諧波電流會使功率因數低于理論值.本文對路燈電路進行了分析，并提出了用有源調節器來抑制諧波對其功率因數的影響[1]3-6.

1 路燈電路中的諧波問題

1.1 路燈補償電路組成工作原理

由于串聯鎮流器的原因，路燈電路的功率因數只有0.5左右，這不僅會使變壓器的容量不能充分利用，而且會大幅增加路燈線路的成本，因此，必須采取措施提高路燈的功率因數.常用的方法就是在感性負載的兩端并聯一個容量值合適的電容器，用容性的無功功率去補償感性的無功功率.這樣，既提高了電路的功率因數，又不影響負載的正常工作.電路接法如圖1所示.

圖1 提高功率因數的方法

從圖1可看出，并聯電容器后，感性負載的工作狀態，包括電流、電壓、功率等均未發生變化，它自身的功率因數也沒有變化，但是卻提高了整個電路(把兩個支路作為一個整體)的功率因數.也就是說，在電感性負載上并聯了電容器以后，減少了電源與負載之間的能量互換.此時電感性負載所需的無功功率，大部分由電容器供給，因而使變壓器的容量能得到充分利用.并且由向量圖可見，并聯電容器后線路電流也減小了，因而減小了線路損耗.所以電容補償提高了整個供電系統的功率因數.一般的經驗值為：250W的鈉燈并聯30μF的補償電容，400W的鈉燈并聯50μF的補償電容.

1.2 諧波對電容補償的影響

采用并聯電容器進行無功功率補償因具有功率損耗小、安裝維護方便等優點而得到了普遍的應用，但在正弦電壓波形的供電下，補償電容器只能補償路燈電路中電流波形的基本成分，而不能降低畦變電流波形中的諧波成分，導致氣體放電燈電路中不可能得到大于0.85的功率因數.另外，并聯到線路上進行無功補償的電容器對諧波會有放大作用，使得系統電壓及電流的畸變更加嚴重 ，進一步影響了補償效果，這也是電容器補償的一個缺點[2]6-11.

2諧波抑制措施

2.1 混合型有源諧波調節器的組成

有源調節器的結構如圖2所示.主要包括一個由諧波測量、調整控制、功率變換器組成的有源調節器，一個變壓器，一個LC無源濾波器.

圖2 串聯型有源諧波調節器框圖

2.2 工作原理

有源調節器在變壓器的次級產生一個電壓Uc,此電壓與交流電源的諧波成正比.而對于每一個n次諧波，此電壓Ucn=KIFn，IFn是電源電流的n次諧波，k是類似電阻R的系數，所以又有Ucn=RIFn.

如果Icn是并聯支路的n次諧波電流，ILn是負載的n次諧波，Ucn是是交流電源的n次電壓諧波，若把Zn定義為n次諧波無源濾波器的阻抗，則有以下公式

IFn=ILn-Icn

上述公式表明，交流電源為負載提供的電流中的諧波成分被大為削弱，并且R越大，交流電源的電流諧波就越小.并且從上述公式還可看出，有源調節器在與交流電源的并聯中相當于一個等效的“電子”阻抗，具有降低諧波的作用，并且，電壓Uc全是諧波. 因此，其方根均值遠低于基波.正是因為這樣，其電壓低于典型并聯調節器的電壓.無源濾波器受電壓基波多影響，以基波頻率提供電容性阻抗，這樣也就意味著有源濾波器可以提高裝置的功率因數[3]15.

4 結語

2012年我國的城市照明所耗電量約占全國照明耗電總量的40%，因此，對路燈照明系統加強無功補償是一種很好的節能方法.特別是當前電網中接有大量的如整流器、變頻器、開關電源、電動機、電弧設備等電力電子設備，這些設備運行時會產生大量諧波，這些諧波會使得系統電壓及電流產生嚴重的畸變，這些因素會使傳統的路燈功率因數補償效果大打折扣，而有源調節器可以消除這些諧波分量對路燈系統功率因數的影響，從而帶來顯著的經濟效益和社會效益.

[1] 劉建寶，陳 偉，趙錄懷.有源電力濾波器的新型神經網絡控制方法[J].現代電子技術，2004，27(3).

[2] 王軍華，李建貴，汪友華.混合型有源電力濾波器研究現狀與發展趨勢[J].電氣傳動,2007，37(12).

[3] 張乃國.UPS供電系統應用手冊[M].北京：電子工業出版社，2004.