LED照明對(duì)電網(wǎng)諧波影響分析

摘 要：隨著非線性照明設(shè)備的廣泛使用，其對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)所造成的影響越來(lái)越大，尤其是設(shè)備在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的諧波對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)所造成的影響不可忽視。因此，為了確保供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，就要對(duì)供電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波采取有效的措施，進(jìn)而為供電網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行提供可靠的保障。本文對(duì)LED的原理及其燈具產(chǎn)生諧波的原因進(jìn)行了比較深入的分析研究，在此基礎(chǔ)上，提出了具有一定針對(duì)性的解決措施，能夠在一定程度上改善諧波所造成的影響，對(duì)于從事相關(guān)工作的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：LED；照明；電網(wǎng)諧波

1 前言

由于LED具有能耗低、環(huán)保、壽命長(zhǎng)以及體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，其被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中，逐漸取代了熒光燈和高壓鈉燈，大大改善了光照質(zhì)量，提高了人們工作和生活的光環(huán)境質(zhì)量。但是隨著LED燈具的廣泛推廣，其自身在工作過(guò)程所帶來(lái)的問(wèn)題也逐漸凸顯，影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)所造成的諧波影響更是不容小覷，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行埋下了不小的安全隱患。因此，為了確保電網(wǎng)能夠始終處于良好的工作狀態(tài)之中，就要對(duì)LED照明過(guò)程中所產(chǎn)生的諧波采取有效的控制措施，確保其在合理的范圍內(nèi)，進(jìn)而避免對(duì)電網(wǎng)造成不利影響，從而確保電網(wǎng)能夠安全平穩(wěn)的進(jìn)行工作。

2 LED的原理及其燈具產(chǎn)生諧波的原因

2.1 LED的原理

LED的全稱(chēng)是發(fā)光二極管，本質(zhì)上屬于一種半導(dǎo)體二極管，主要是由P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體以及PN結(jié)三部分構(gòu)成，其也具有半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦浴．?dāng)對(duì)PN結(jié)施加一定的外加正向電壓后，電壓所形成的外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)就會(huì)相互抵消，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就會(huì)在電場(chǎng)的作用下形成具有一定規(guī)律的擴(kuò)散電流，處于高能狀態(tài)中的電子在與空穴復(fù)合的過(guò)程中，會(huì)將過(guò)多的能量通過(guò)光能的形式進(jìn)行有效釋放，進(jìn)而將電能有效的轉(zhuǎn)化為光能。由于二極管具有伏安特性和非線性特征，在LED工作的過(guò)程中，隨著正向電壓的逐漸增加，當(dāng)其超過(guò)導(dǎo)通壓降時(shí)，較小的電壓變化就會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生巨大變化，進(jìn)而給電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響。

2.2 LED燈具產(chǎn)生諧波的原因

LED燈具在工作過(guò)程中產(chǎn)生諧波的原因主要有驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載LED燈串，對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器具有整流和濾波的功能，進(jìn)而確保LED燈具能夠進(jìn)行穩(wěn)定的照明。LED燈具在工作過(guò)程中所輸入和輸出的波形圖具有自身的特點(diǎn)，只有當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)器電路中的輸入電壓處于峰值附近時(shí)，整流二極管才能被有效的導(dǎo)通。由于其導(dǎo)通角相對(duì)較小，在導(dǎo)通的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致輸入的電流呈現(xiàn)尖狀脈沖，即LED中輸入的電流發(fā)生一定程度的畸變。

負(fù)載LED燈串是按照一定結(jié)構(gòu)形式所構(gòu)成的LED燈組，在其工作過(guò)程中，由于單個(gè)LED的正向?qū)▔航狄话阍?～3V之間，在直流電壓的建立過(guò)程中，當(dāng)兩個(gè)LED電壓處于0～2V或0～3V之間時(shí)，此時(shí)，LED處于截止?fàn)顟B(tài)，其中的電流為零。正是由于LED燈具具有這種非線性的特征，導(dǎo)致其在工作過(guò)程中的輸入電流會(huì)發(fā)生一定的畸變，進(jìn)而導(dǎo)致諧波失真超標(biāo)的發(fā)生。

3 LED燈具諧波的解決措施

3.1 分散治理

（1）驅(qū)動(dòng)電源改進(jìn)措施

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電源的改進(jìn)措施主要有PPFC和APFC兩種不同的形式，其電路的結(jié)構(gòu)形式有所不同，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，要充分考慮其工作環(huán)境要求，選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而確保LED燈具能夠進(jìn)行正常的工作。這兩種電路的不同連接形式其消除諧波的能力不盡相同，其中前者的電路形式比較簡(jiǎn)潔，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)中的設(shè)備相對(duì)較少，因此，電路所耗費(fèi)的成本相對(duì)較低，諧波含量較小；后者電路的結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，在電路結(jié)構(gòu)中要用到大量的電子設(shè)備，因此，所花費(fèi)的成本相對(duì)較高，諧波含量低，效果比較理想。因此，在實(shí)際的處理過(guò)程中，要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。

（2）負(fù)載LED燈改進(jìn)措施

為了有效改善LED負(fù)載，在電路中不存在電流的時(shí)候，需要通過(guò)采取有效的人為干預(yù)措施，以此來(lái)為電路中增加適當(dāng)?shù)碾娏鳌Ｔ趯?shí)際的操作過(guò)程中，通過(guò)在LED燈具上并聯(lián)某一適當(dāng)?shù)碾娙莼螂娮瑁M(jìn)而為負(fù)載增加一條有效的通路，為電路的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠地保障。但是該種改進(jìn)措施也會(huì)導(dǎo)致LED燈具在工作過(guò)程中的總功率增加，進(jìn)而導(dǎo)致電能損耗增加，造成電能的浪費(fèi)。

3.2 集中治理

對(duì)于大規(guī)模采用小功率電源模塊的LED燈具來(lái)說(shuō)，對(duì)所有驅(qū)動(dòng)回路進(jìn)行改善的成本較高，經(jīng)濟(jì)上不合理，而且對(duì)電源模塊也無(wú)法進(jìn)行完全的補(bǔ)償，因此，需要通過(guò)采取集中治理的方式進(jìn)行改善。當(dāng)前的集中治理方案可以分為無(wú)源濾波和有源濾波兩種不同的方式，這兩種不同的方式各有優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)比如下：

（1）價(jià)格成本上，無(wú)源濾波器技術(shù)經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，其整體技術(shù)已經(jīng)日趨完善，并且具有比較廣泛的適應(yīng)性，能夠應(yīng)用于多個(gè)不同的領(lǐng)域，并且其在工作過(guò)程中抵抗外界的影響能力較強(qiáng)，能夠長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的狀態(tài)中，也就無(wú)需進(jìn)行后期的維修，因此，其整體成本相對(duì)較低，而有源濾波器的技術(shù)尚不成熟，后期需要進(jìn)行一定的維護(hù)工作，導(dǎo)致其成本相對(duì)較高；

（2）無(wú)源濾波器在工作過(guò)程中是將電抗器與電容器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)兩者進(jìn)行配合，進(jìn)而將諧波予以吸收，以此來(lái)消除諧波對(duì)電網(wǎng)所造成的不利影響，避免電網(wǎng)收到諧波的不良影響。有源濾波器則通過(guò)對(duì)諧波次數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的分析研究，進(jìn)而制定出有針對(duì)性的改善措施，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行抵消處理，將諧波量控制在合理的范圍內(nèi)，確保整個(gè)電路能夠進(jìn)行平穩(wěn)的運(yùn)行。

（3）有源濾波器主要用于處理小電流，而無(wú)源濾波器可以用于大電流。因此，在實(shí)際的選擇過(guò)程中，要結(jié)合電網(wǎng)工作過(guò)程中的電流大小，選擇經(jīng)濟(jì)合理的適宜濾波器。

3.3 LED照明配電的具體實(shí)施

（1）在規(guī)模較大的新建廠區(qū)，在照明系統(tǒng)中通過(guò)采用功率較小的電源變壓器為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，同時(shí)在低壓側(cè)采用△進(jìn)行聯(lián)結(jié)，進(jìn)而能夠?qū)⒕€路中存在的3次諧波成分進(jìn)行有效的消除，為電路的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠地保障。

（2）在進(jìn)行改造的電網(wǎng)單元中，需要增設(shè)相應(yīng)的設(shè)備，以此來(lái)消除諧波所造成的影響。通過(guò)在照明干線上增設(shè)小容量的濾波裝置，進(jìn)而能夠有效的消除線路中的諧波，將整個(gè)電網(wǎng)中的諧波含量限制在一定范圍內(nèi)，從而避免諧波對(duì)其他用電設(shè)備造成干擾。

（3）對(duì)于已在驅(qū)動(dòng)電路上增加消諧設(shè)備的照明燈具，由于消諧設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)χC波進(jìn)行合理的消除，整個(gè)電網(wǎng)中的諧波含量相對(duì)較低。由于諧波對(duì)電網(wǎng)所造成的影響可以忽略不計(jì)，因此，可不再另外增加濾波器。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著電網(wǎng)中所使用的LED照明設(shè)備數(shù)量逐漸增多，其對(duì)電網(wǎng)所造成的諧波影響也越來(lái)越大，為了確保電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，就需要深入分析LED照明對(duì)電網(wǎng)諧波所造成的影響，再根據(jù)分析結(jié)果采取有效的改善措施，降低其對(duì)電網(wǎng)所造成的不利影響，進(jìn)而確保電網(wǎng)能夠始終處于良好的工作狀態(tài)。

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作者簡(jiǎn)介：

張偉奇（1980.01）；性別：男，民族：漢，籍貫：湖北鄂州，學(xué)歷：專(zhuān)科；研究方向：照明電氣。