斩控式调压技术在道路照明节能中的应用

张兴华，麦伟民，傅强，赵善麒

(1.江苏宏微科技股份有限公司，江苏 常州 213022； 2.常州市城市照明管理处，江苏 常州 213022；3.河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022)

0 引言

随着经济社会的快速发展和城镇化进程的加快，道路照明和景观照明作为重要的基础设施和现代化城市的标志也快速发展起来[1-2]。然而，城市照明系统在“亮化”城市和为人们提供生活便利的同时，也消耗着大量的电力能源。据统计，每年照明用电约占全国总发电量的12%～15%，而道路照明又占了这其中的很大比例[3]。因此，道路照明具有很大的节电空间和节能意义。

道路照明负载大多属于气体放电灯，可以通过灯具稳定工作后降低供电电压的方式调节灯具功率。目前，道路照明负载的调压方式有：1)可控硅相控调压，通过控制可控硅的导通相角，将电网输入的正弦波电压截断一部分，从而降低输出电压的平均值，这种调压方式存在谐波大、对电网污染严重且对灯具的寿命有影响等缺点；2)变压器自耦调压，通过不同的变压器抽头，将电网电压降低到5、10 V等固定的档位，从而达到降压的目的[4]，这种调压方式避免了可控硅相控调压谐波大的缺陷，能够实现正弦波电压输出，但体积大，笨重，只能固定档位降压，降压过程中容易造成灯具“闪灭”。

随着电力电子技术的发展，以IGBT为代表的高频大功率电力电子器件快速发展，可使斩波全控调压方式能够在大功率领域得以应用。采用这种调压方式，可使输出电压具有动态响应速度快、无级平滑调节，输出纯正弦波的优点，且整机装置纯电子化、重量轻。此处根据斩控式调压的优点，设计一种针对道路照明节能应用的基于IGBT的高频大功率调压装置，经实际应用及数据测试，证明该装置具有稳定可靠，节电效果显著的特点。

1 斩控式调压的原理

图1是斩控式调压的功率调节电路拓扑结构。设输入电压为

us(t)=Vssinωt。

(1)

控制信号的傅里叶级数为

(2)

式中:D为占空比;ω为开关角频率。

输出电压可表示为

u0(t)=S(ωst)us(t)=DVssinωt+

sin[(kω-ωs)t-kDπ]}。

(3)

由式(3)可知，输出电压由基波和高次谐波组成，基波与输入电压同频，高次谐波可以通过低通滤波器滤除。最终得到输出电压为

u0(t)=DVmsinωt。

(4)

因此，可以通过调整斩波占空比D，得到平滑的正弦波输出电压。

功率调节电路如图1所示，由两个双管双向IGBT模块组成，其中，T1、T2及各自反并联的快速恢复二极管D1、D2组成双向斩波模块，T3、T4及各自反并联的快速恢复二极管D3、D4组成双向续流模块。控制方式采用非互补控制方式，它的主要特点是正反相开关的工作方式可以分别控制，适用于各种负载。

图1 功率调节电路

功率调节电路的工作过程是：在输入交流电压的正半周期，T1高频斩波，T2全开通, T3关断，T4开通续流；在输入交流电压的负半周期，T1全开通，T2高频斩波，T3开通续流，T4关断。

2 系统设计

斩控式调压装置的原理框图如图2所示，斩控式调压装置包括输入保护电路、EMC滤波电路、功率调节电路、输出滤波电路、控制电路、宽电压输入电源、通信模块等。

K2为旁路保护继电器，当系统启动后，K2吸合，先检测输入输出的电压、电流是否正常，并给灯具预热一定时间使得灯具充分点亮并稳定工作一段时间。之后K1、K3闭合，K2断开，系统开始进入调压节电状态。当出现故障，如过压、过流、过温等时，K2立即吸合，将装置旁路，并给路灯负载提供通道，保障道路照明。

由于工作在高频斩波状态，系统输出的电压采用较小的滤波元件即可得到平滑的正弦波。本系统采用LC低通滤波器进行滤波[5]，为了使滤波器输出电压接近于正弦波同时又不引起谐振，LC滤波器的截止频率fc必须远小于输出电压所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于基波频率[6]。在此，选取L为100 μH,C为70 μF。

图2 斩控式调压装置的原理框图

3 实验与分析

通过一台容量为100 A的斩控式调压装置，对市区某段道路路灯负载进行测试，路灯类型为400 W高压钠灯，不节电状态下负载总电流约为78.4 A。在两个路灯灯杆中间的地面上测试照度。表1为预热和节电状态下所测得的输入电压、输出电压和电流、输出功率以及照度数据，表2为不同输出电压下，功率下降百分比与照度下降百分比的对应数据。

表1 现场测试参数

表2 功率与照度对比

由表1和表2可以看出，在节电状态下，照度下降的比率小于功率下降比率的二分之一，这印证了当电压下降，进而功率也下降时，灯具的照度并不是按等比例下降。因此，本文设计的斩控式调压装置，在保证了节电率的同时，照度也能够保障道路的照明效果。

图3为调压节电状态下，输出电压220 V时的电压波形，图4为输出电压170 V时的电压波形，可以看出输出电压为正弦波且平滑。

图3 输出电压220 V时的波形

图4 输出电压170 V时的波形

4 结论

道路照明用电量占全国总用电量的比重达12%以上，因此道路照明节能具有广阔的应用空间。本文针对道路照明具有较大的节电需求，以及传统可控硅和变压器调压技术的固有缺陷，设计了一种基于大功率IGBT斩控式调压的照明节电装置，采用高频大功率IGBT作为开关器件，具有无级平滑调节线路电压且优先保障照明的特点。通过道路实验，验证了该装置在保证节电率较高的同时，灯具的照度下降较少，能够保障照明效果。同时输出电压平滑，对电网影响小，可延长灯具使用寿命。