有源谐波调节在路灯节能中的应用

祖彦勇，韩承雪

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476000)

近年来，随着城市规模的扩大，我国的城市道路照明装置迅速增加.据城市道路照明技术总站统计，至 2012年，全国所用的路灯总数约为3000万只.目前应用最广泛的道路照明光源是钠灯，因光源及配套电路属于感性负载，功率因数低，且路灯负荷是分散均匀的，不适合集中补偿，故一般采用单灯补偿电容来提高其功率因数.一般把补偿选择在cosφ=0.85～0.95之间.增大电容器的容量可得到更高的功率因数，但电网和电气装置中出现的谐波电流会使功率因数低于理论值.本文对路灯电路进行了分析，并提出了用有源调节器来抑制谐波对其功率因数的影响[1]3-6.

1 路灯电路中的谐波问题

1.1 路灯补偿电路组成工作原理

由于串联镇流器的原因，路灯电路的功率因数只有0.5左右，这不仅会使变压器的容量不能充分利用，而且会大幅增加路灯线路的成本，因此，必须采取措施提高路灯的功率因数.常用的方法就是在感性负载的两端并联一个容量值合适的电容器，用容性的无功功率去补偿感性的无功功率.这样，既提高了电路的功率因数，又不影响负载的正常工作.电路接法如图1所示.

图1 提高功率因数的方法

从图1可看出，并联电容器后，感性负载的工作状态，包括电流、电压、功率等均未发生变化，它自身的功率因数也没有变化，但是却提高了整个电路(把两个支路作为一个整体)的功率因数.也就是说，在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换.此时电感性负载所需的无功功率，大部分由电容器供给，因而使变压器的容量能得到充分利用.并且由向量图可见，并联电容器后线路电流也减小了，因而减小了线路损耗.所以电容补偿提高了整个供电系统的功率因数.一般的经验值为：250W的钠灯并联30μF的补偿电容，400W的钠灯并联50μF的补偿电容.

1.2 谐波对电容补偿的影响

采用并联电容器进行无功功率补偿因具有功率损耗小、安装维护方便等优点而得到了普遍的应用，但在正弦电压波形的供电下，补偿电容器只能补偿路灯电路中电流波形的基本成分，而不能降低畦变电流波形中的谐波成分，导致气体放电灯电路中不可能得到大于0.85的功率因数.另外，并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重 ，进一步影响了补偿效果，这也是电容器补偿的一个缺点[2]6-11.

2谐波抑制措施

2.1 混合型有源谐波调节器的组成

有源调节器的结构如图2所示.主要包括一个由谐波测量、调整控制、功率变换器组成的有源调节器，一个变压器，一个LC无源滤波器.

图2 串联型有源谐波调节器框图

2.2 工作原理

有源调节器在变压器的次级产生一个电压Uc,此电压与交流电源的谐波成正比.而对于每一个n次谐波，此电压Ucn=KIFn，IFn是电源电流的n次谐波，k是类似电阻R的系数，所以又有Ucn=RIFn.

如果Icn是并联支路的n次谐波电流，ILn是负载的n次谐波，Ucn是是交流电源的n次电压谐波，若把Zn定义为n次谐波无源滤波器的阻抗，则有以下公式

IFn=ILn-Icn

上述公式表明，交流电源为负载提供的电流中的谐波成分被大为削弱，并且R越大，交流电源的电流谐波就越小.并且从上述公式还可看出，有源调节器在与交流电源的并联中相当于一个等效的“电子”阻抗，具有降低谐波的作用，并且，电压Uc全是谐波. 因此，其方根均值远低于基波.正是因为这样，其电压低于典型并联调节器的电压.无源滤波器受电压基波多影响，以基波频率提供电容性阻抗，这样也就意味着有源滤波器可以提高装置的功率因数[3]15.

4 结语

2012年我国的城市照明所耗电量约占全国照明耗电总量的40%，因此，对路灯照明系统加强无功补偿是一种很好的节能方法.特别是当前电网中接有大量的如整流器、变频器、开关电源、电动机、电弧设备等电力电子设备，这些设备运行时会产生大量谐波，这些谐波会使得系统电压及电流产生严重的畸变，这些因素会使传统的路灯功率因数补偿效果大打折扣，而有源调节器可以消除这些谐波分量对路灯系统功率因数的影响，从而带来显著的经济效益和社会效益.

[1] 刘建宝，陈 伟，赵录怀.有源电力滤波器的新型神经网络控制方法[J].现代电子技术，2004，27(3).

[2] 王军华，李建贵，汪友华.混合型有源电力滤波器研究现状与发展趋势[J].电气传动,2007，37(12).

[3] 张乃国.UPS供电系统应用手册[M].北京：电子工业出版社，2004.