一种城市LED路灯集中直流供电方案

郑 旭 ，王海波 ，张苏东，马加俊

(1.淮安市路灯管理处，淮安 223001;2.盐城师范学院实验中心，盐城 224002;3.盐城师范学院物理与电子科学学院，盐城 224002）

0 引言

道路照明的常用电光源是高压钠灯、金卤灯、高压汞灯和白炽灯，它们的工作原理决定了采用交流配电模式。随着大功率发光二极管(LED）光源的技术进步，LED路灯已逐步进入实用阶段，但仍沿用交流配电模式，不适应LED光源的特性，已无法满足LED照明可靠性需求。

LED光源的工作特性是:直流、低电压、恒流、固体发光，由于单个LED光源工作电压为2～3 V，在实际应用中为提高电源效率一般采用多个LED光源串联工作，但串联回路总的工作电压一般不会超过40 V。现有LED路灯的工作模式是:每一盏灯配一个将交流220 V转换为适合LED光源运行的多路恒流驱动电源，驱动电源主要包含单相整流、滤波电容、PFC控制、逆变回路、恒流控制等回路，其中单相整流、滤波电容、PFC控制回路严重影响驱动电源寿命。

图1是现有LED路灯驱动电源原理简化图:C是整流滤波储能电容，L是串入电源变压器电感作为储能元件和D1，D2一起构成PFC回路，以调整电流导通时间，提升功率因数，减少电源电流谐波分量。输入电源电流各次谐波有效值:

图1 LED路灯驱动电源原理简化图

实测结果表明功率因数PF可以达到0.85以上，其中三次谐波电流占基波分量的59%，总电流谐波畸变THD为64%，提高了功率因数，但谐波问题未得到有效解决。

图1中配置的高压整流滤波储能电容C寿命受工作温度影响极大，在理想工作温度下不超过8000 h，极端情况下不超过4000 h;串入电源变压器电感L作为储能元件，受温度的影响变化也较大，一定的振动幅度也会造成损坏和参数的变化。上述原因缩短了LED路灯驱动电源的寿命，一般灯具厂家的电源寿命保用期两年，而电源更换非常麻烦，需要专业技术人员进行操作，已严重影响了LED路灯的推广应用。

为了充分发挥LED光源节能、长寿命的优点，更好地推广道路照明新技术，必须科学地分析研究影响LED路灯电源寿命及产生谐波原因，在保证电网供电安全的前提下使LED路灯的寿命达到与LED光源相当的水平，才能使LED路灯达到实用化要求。

1 城市LED路灯直流配电系统

在爱迪生(美国通用）发明电灯之初，采用的是直流供电系统，随后特斯拉(美国西屋）提出交流供电方案，最终因电压升/降方便，解决了当时直流电源变换困难影响长距离输电的问题，因此交流输配电取代直流输电而获得广泛应用。然而，时光荏苒百年后，电力电子技术的飞速发展，直流输电的大功率、低损耗、高可靠性输送等优点显得非常明显，目前已在超高压、大功率、长距离输电中获得广泛应用。

路灯直流配电模式是针对LED光源特点，提出的解决LED路灯寿命问题方法，它采用电力电子技术构建的满足供电电网安全性要求的直流供电站提供直流电源，达到简化LED路灯驱动电源设计，提高LED路灯整体寿命，有效保证城市道路采用LED照明系统可靠性的目的。

图2是路灯直流配电系统示意图，包括:路灯变压器1，整流器2，无功补偿3，直流配电线路、LED路灯驱动电源4，LED光源5，常规保护控制用开关、熔丝、防雷等未标示。

图2 路灯直流配电系统示意图

直流配电系统通过路灯变压器1把10/6 kV高压交流电变成380 V低压交流电，整流器2转换低压交流电为240 V直流电，无功补偿和滤波器3对整流过程中产生的谐波及无功功率进行补偿，保证满足电网谐波与功率因数标准要求，直流输配电线路将直流电力输送到分散的LED路灯驱动电源4驱动LED光源5正常发光照明。

直流配电系统的核心是直流供电站，它实现交流电到直流电的转换。主要包括:整流滤波器和无功补偿两部分，现有技术有多种方案选择:

(1）普通路灯变压器与三相六脉整流器，结合5次谐波补偿，优点是结构简单，整流元件少，可靠性高，三相六脉整流功率因数可达到0.8，总电流谐波畸变小于60%.

(2）单机三绕组整流变压器结合三相十二脉整流技术，谐波比第一种方案小，基本满足电力系统对低压配电系统要求，三相十二脉整流功率因数可达到0.9，总电流谐波畸变小于13%。

(3）两台双绕组变压器并列运行结合三相十二脉整流方案，由于采用两台独立变压器，其输出阻抗容易匹配设计，可杜绝5次谐波。

(4）单机四绕组整流变压器结合三相十八脉整流，谐波较第二种方案更小，功率因数可达0.9，总电流谐波畸变小于5.6%，总谐波电压失真小于2%，符合IEEE519－1992标准要求。

(5）普通路灯变压器结合脉宽调制(PWM）整流技术，采用全控型开关管IGBT取代传统的半控型开关管或二极管，以PWM斩控式整流取代相控整流或不控整流，系统动态响应快，功率因数可达0.99，谐波电流畸变小于3%。

无论采用上述哪种技术方案构成的直流供电系统，均可成功解决谐波、功率因数、可靠性等问题，满足电网公司对用户的强制标准要求。解决路灯变压器不平衡输出，降低变压器容量，减少供电电缆截面积，提高城市照明系统的安全性、可靠性、可维护性，延长寿命。

2 直流供电站

直流供电站实现方案较多，这里选用现代电力电子技术下最简单的三相单开关Buck型脉宽调制整流方案进行说明，图3是原理简图，S是IGBT开关管，通过控制它的高速开关实现电感能量的转移及稳压功能，该方案输入交流电压谐波小于3%，PF达到1。

图3 三相单开关脉宽调制整流原理简图

图3中A，B，C是路灯变压器的输出交流电源，电感L及之后的电容作为滤波补偿，六个整流二极管把交流电转换为直流电，IGBT开关管S实现无功补偿、直流稳压及功率因数调整，之后的电感和电容作为直流电源平波。

3 直流恒流驱动电源

直流恒流驱动电源实现方式很多，有隔离和非隔离两类，以图4实现的PWM高频非隔离恒流型直流电源为例，图4中电容C1，C2构成共模干扰抑制回路，电感L1、电容C3，C4构成差模干扰抑制回路，U是恩智浦的PWM控制芯片，Q1是MOS开关管，R3，R4是恒流检测电阻，电感L2、电容C8构成直流输出滤波回路。

图4 高频非隔离恒流型直流电源原理图

采用直流供电后LED路灯驱动电源内已取消了整流桥、滤波电容、PFC等回路，使驱动电源的设计更加灵活，主电路结构简单、可靠性高。

4 小结

城市LED路灯采用直流供电模式，由直流供电站提供LED路灯直流电源，可以提高供电系统功率因数、减少谐波电流，将分散的LED路灯驱动电源中的整流、滤波、PFC元器件取消，提高照明灯具的可靠性，延长LED路灯寿命，促进LED路灯推广应用。同时可解决路灯变压器不平衡输出，降低变压器容量，减少供电电缆截面积，提高整个路灯系统的安全性、可靠性、可维护性，并延长寿命。

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［2］王晶.UPS整流滤波与电能质量.UPS应用

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［5］俞红祥，林敏，纪延超.单开关三相交直流变换器的谐波消除PWM技术［J］.电力系统及其自动化学报