摘要：为减少能源消耗，LED灯具被研究出来并广泛使用在日常照明中，节约能耗、寿命长等是该类灯具的显著优点，但该类灯具也存在明显缺陷，即照明过程会出现大量谐波，这会影响配电系统的正常运转。鉴于此本文围绕谐波展开讨论，对其设计标准、电源架构等进行总结，并阐述其产生原理，针对谐波危害制定提出相应的治理方法，希望对相关单位提升配电设计质量有所启发。
关键词：节能灯具；LED照明；谐波；治理方法
直流驱动是LED灯具的显著特性，这是由其系统中的PN结导通性质决定的，且灯具间电源驱动互不干扰，每个电源驱动模块向灯具直接供电，220V交流电直接向产品中接入，有效避免电能损耗。交流电需要经过整流、恒流处理后，才能输出直流电，整流元件具有单向导电性，在正反向电压的影响下，可能会产生非正玄波，进而畸变成为谐波，目前我国正在研究如何减少配电系统谐波。
1.LED照明配电系统设计标准及驱动电源构架
1.1配电系统设计要点
1.1.1系统谐波电流限定标准
奇次谐波是LED灯电压传输中经常出现的，谐波输入电流根据傅里叶级数展开式导出，见公式1-1。
（1-1）
指的是基波，其它两个量表示3次和5次谐波，220V交流电源的角频率用
表示。配电系统采用的是三项交流电，电流相角的差值都为120°，在此情况下谐波相角间差值为0。中性线上叠加的分别是9次、12次谐波，可见相线中存在大量谐波。不同功率灯具的谐波限流值也存在差异，如表一所示，是功率在25W以上的谐波电流限值，对于小于此功率灯具，其谐波电流满足下述要求的任意一项即可：在相关标准中，每瓦都有对应的谐波限值，小功率灯具满足此限值即可；谐波畸变率在规定值之下，86%是3次谐波的畸变率限值。
表一 功率在25W之上的谐波电流限值表
1.1.2导线截面设计标准
节流量是确定导线截面的重要参数，节流量计算公式如1-2式，1-3、1-4式计算的是相线、中性线上流过的实际电流值，系统电路中的不同位置按照不同公式计算节流量。
（1-2）
（1-3）
（1-4）
用于单向配电回路中的节流量计算，此定值在三项回路中的相线电流量计算中也可用到，
用于计算三项回路上中性线的节流量计算，上述三式是针对功率在将25W以上灯具的计算公式。功率小于25W的灯具，其导线截面积选择按照其它公式计算[1]。
1.1.3断路器选用标准
400V是LED照明系统中的最大供电电压，一般电路常采用C型断路器，该类型断路器的脱扣范围为5In～10Ｉn，Ｉn表示整定电流，尖峰电流存在于照明灯具运行过程中，电流峰值是稳定电流的11倍左右，为保证正常供电，断路器工作期间要将尖峰电流避开，即整定电流必须保持在回路稳定电流的2.4倍及以上。比较D型断路器，C型断路器的灵敏度较高，且能避免长时间用电出现的灯具发热现象。
1.2输入电源构架
驱动电路运行，保证灯具正常照明的输入电路有三种常见架构形式，下面详细介绍每种架构。
1.2.1简易型
又称为无功率因数校正构架，全桥整流器、滤波电容是构成交流输入的主要组件，输入电路简单明了，具有较强可靠性。但电路的滤波电容很大，在电流输入过程中会形成较多尖峰脉冲电流，电流中会产生大量谐波，因此该架构形式不推荐使用。
1.2.2逐流式
与简易型电流输入结构相比，该类型输入结构的交流部分增加适当数量的二极管。电路构架简单，整流器和电容能够补偿电路运行中存在的电流缺位，电流脉冲宽且平缓，输入电流中的谐波含量较少，且电压中的谐波含量也比较小。电路构架成本低，是目前最为理想的输入电路结构。
1.2.3有源功率因数校正结构
在逐流式结构基础上，在交流部分增加功率开关管、控制电路等组件，多个元件共同作用，完成电流输入任务。电路比较复杂，但在校正功率因数上效果很好。电路运行过程中，输出的正弦波相对标准，谐波含量很好，经济条件较好的企业，可选择此种结构的输入电路。
2.谐波产生原理及对配电系统的危害
2.1谐波及其危害
按照国家电网的相关规定，电网输入电流应该是标准的正弦波，当正弦波发生变化，利用傅里叶级数能将谐波从中分离出来。在基波上叠加的高次谐波，被称为谐波，谐波次数的计算公式如下：
（2-1）
—谐波频率
—基波（50HZ）
偶次谐波在电路正常工作时可被大量抵消，但奇次谐波会不断叠加，因此对配电网运行影响最大的是奇次谐波。
其对配电系统的危害包括以下几方面：电动机共振。脉动转矩是由电动机产生的磁场和谐波电流作用下产生的，在脉动转矩影响下，周期振动会在电动机运转中出现，进而引发共振，加速设备损坏；绝缘性降低。附加组件发热、局部放电现象明显，都是电路绝缘性降低的主要表现；设备损耗加大。谐波电流的存在，会增加设备的有效电阻，设备做工需要抵抗更多的附加电阻，其磨损程度加剧；系统频繁受到外界干扰[2]。正弦波稳定性受到破坏，声音、文字等通过电信系统传输的信息受到谐波干扰，信号极易出现失真现象，不利于配电线路的正常运营。
2.2谐波在LED照明工作中的产生原理
驱动电源、灯串以及控制器是LED灯具的主要组成部分，经长期实践验证，控制器工作期间产生的谐波量很少，不会对电路运转产生很大影响，其它两部分是导致线路失真的主要原因。
2.2.1驱动器运行产生谐波
如图一所示，是驱动器的经典模型，电容C2兼具充放电、储存电能功能，设电源接通时刻为将t0,此时整流元件工作时产生的正向电阻忽略不计，根据正弦波特性可知，输入电压达到峰值附近时，整流元件的二极管才表现出导通状态，其导通角保持在60°，在此情况下尖峰脉冲会出现在输入电流的波形图中，正弦波发生畸变，进而导致线路中出现大量谐波，引发驱动器出现谐波失真现象。
2.2.2 LED灯串导致谐波失真
桥式整流器存在于灯串中，当整流电路的输入电压处于负半周期时，输出电压保持为上正下负，此时直流电路中的所有输入电压都呈现正向分布。灯串正向导通压降一般保持在3V左右，当电路处于直流电压状态，LED灯呈现截止状态，此时输入电流数值为0，输入电流波形出现畸变，进而产生谐波。
图一 LED驱动经典模式
3.谐波测试及治理方法
若想减少电路中的谐波含量，必须先对线路中的谐波电流进行测试，针对不同相谐波分析其产生原因，从而给出有针对性的解决方法。
3.1谐波测试
将某大型工厂作为测试对象，利用电能质量分析仪，对低压开关柜进线处的电流进行测量和分析，得到的测量结果如下：输出电压的波形变化量较小，三相电压畸变率都保持在1%左右，远小于规定值5%。三相电路产生的谐波电流畸变率比较明显，畸变率最大可达7.162%，电流的3次谐波值在25A上下浮动，整体波形为马鞍形，偏离标准正弦波，该工厂急需对谐波电流进行处理[3]。
3.2解决方法
从分散和集中治理两个角度，来减少电路运行中的谐波量，分散治理方法如下：对驱动电源进行合理架构，详细架构方式见第一部分内容，经过研究发现，后两种架构方式的效果较好，能有效减少电路中谐波的产生；减小LED负载电阻，将电容或者电阻并联在灯串相应位置，负载转移线路多了一条，输入电流做功有效率提高，波形不会偏离标准正弦波太多。
集中治理方法如下：工厂中使用的LED灯具较多，相应的电源模块较多，若对模块进行单个治理，成本较高，衡量各方标准后，采用分区治理模式，利用无源滤波对输入电路分块治理。相较于有源滤波，其优点是改造成本低，完成线路改造后基本不需要维护，且线路故障次数较少。机械式构架比较简单，排查故障难度较小，若为电子构架，线路某处出现故障，可能引发大面积停电，不利于后期维护检修。有源滤波具有较强针对性，能及时消减电路传输中产生的谐波，无源滤波则是借助电抗器、电容器两者的相互配合，作用于整个配电系统，工厂为保证电路传输安全，常采用无源滤波对谐波进行滤除。
此外，无源滤波在消减谐波的同时，会对系统照明功率进行补偿，且滤波器在大电流下能正常工作。有源、无源滤波都有其优缺点，在谐波治理过程中需根据实际情况选择治理方法。
3.3配电系统如何有效避免谐波
若是新建的大规模工厂，将照明系统和其它供电系统分离开来，△联结是低压侧供电采用的主要方式，单独供电配合此联结方式，能大面积消除电路中存在的3次谐波，高低压供电线路隔离开来，照明系统不受其它负载线路影响，保证配电系统始终处于稳定工作状态[4]。
若是已建成厂区，对照明系统进行小单元改造，将滤波装置安装在系统电源输入线路中，避免谐波随电流进入线路，进而降低配电线路稳定性。
4.结束语
绿色、节能是LED灯具的主要特点，符合当今社会倡导的节能环保理念，该类灯具是目前市场上销量最广的灯具。但灯具使用过程中伴随大量谐波产生，这会影响电网系统的稳定性，对此研究者推出一系列谐波消除办法，在照明系统中取得显著效果。目前谐波消除技术逐渐成熟，但想要完全消除谐波对配电系统的影响，还需进一步完善相应技术。
参考文献：
[1]刘德祥, 袁天. LED照明谐波分析及其对配电设计的影响[J]. 智能建筑电气技术, 2018(05):9+67-69.
[2]赵莉华,牛纯春,雷晶晶,等. 照明设备的谐波问题及抑制措施[J]. 电测与仪表,2016(8):95-101.
[3]徐晓晓. 浅谈LED照明对电网谐波影响及治理[J]. 电器应用, 2017(20):16-19.
[4]张丽. 分析谐波对配电变压器经济运行的影响[J]. 通讯世界,2017(4):172-173.
论文作者:陈志鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：谐波论文; 电流论文; 电路论文; 灯具论文; 系统论文; 畸变论文; 无源论文; 《电力设备》2019年第6期论文;