灯具抗电压跌落特性研究及其补偿

唐 宇 于希娟 丁屹峰 周作春 周小丽 刘木清

(1.北京电力科学研究院，北京 100000;2.复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

电压跌落 (周波跌落)主要是因为电网、电力设备故障或负荷突然出现大的变化引起的［1］～［4］。一些文献中采用从系统侧解决电压跌落的方法［5］，本文从用户侧入手，主要以光源为负载研究灯具的抗电压跌落特性并提出补偿方法。气体放电灯 (HID)包括高压钠灯、金卤灯等为电压敏感性负载，当电网电压跌落或突然断电后，灯具仅能维持很短时间就会熄灭，而HID灯的原理决定了它们断电后重启需要较长的时间，大概需要十几分钟［6］。为了满足重要政治用户对照明负荷正常用电的特定需求，达到“零闪动”的目标，需要在分析HID灯具抗电压跌落性能的基础上，研究HID灯具的抗电压跌落补偿装置，使得电网电压波动或故障断电后，HID灯能维持不熄灭，保持到应急后备电源切换上去，可以保证灯具不会受电网故障而熄灭重启。本文首先用电压跌落发生装置进行常用典型灯具的抗电压跌落特性研究，并针对HID灯具提出单灯的补偿方法，从而保证灯具不熄灭。

2 灯具抗电压跌落试验

2.1 测试原理

在本文中用北京电力科学研究院研发的电压跌落模拟发生装置对典型的灯具进行试验，电压跌落模拟发生装置和试验原理图如图1所示。试验中可以设定电压跌落幅值、起始相角、间隔时间和重复次数等。该装置具体技术指标如下:跌落幅值范围:0～100%;跌落持续时间范围:1ms～5min，分辨率1ms;跌落相角范围:0～359℃，分辨率1℃;输出电流:200A;模拟三相三线 (三相四线)系统同时电压跌落;分相模拟电压跌落，相间跌落时间差可以控制。

图1 电压跌落模拟装置原理图Fig.1 Schematic of voltage drop generating device

针对跌落幅值、持续时间、跌落相角三个特征量进行组合试验，每个组合进行三次，两次试验之间最小时间间隔依被试设备的特性而不同 (对于气体放电灯类，因电压跌落会影响放电特性，要等稳定后进行下一次试验)，但不得小于10s。试验中记录被试灯具的电压和电流波形;引起熄灭发生的跌落相角、跌落幅值和持续时间;以及被试灯具熄灭后恢复正常运行的重启时间。电压跌落特性描述如图2所示。跌落幅值是指电网电压有效值跌落的幅度，用额定值的1%～90%标示，跌落相角指电压开始跌落的起始相位角，持续时间是指低电压的持续时间。

图2 电压跌落示意图Fig.2 Schematic diagram of voltage drop

2.2 测试结果

对高压钠灯、金属卤化灯、节能灯、白炽灯、LED灯进行电压跌落试验，各种灯的启动特性和电压跌落响应性能如表1所示。从表1可以看出，LED、白炽灯和节能灯启动较快，熄灭后也可立即恢复，而高压钠灯和金属卤化灯启动特性相对较差，启动过程时间较长，灯熄灭后需要充分冷却才能启动，大概需要10分钟左右才能恢复照明，对电压跌落也较敏感。

图3、图4分别为电压跌落至67%和81%时的钠灯试验录波图，从图中可以看出，电压跌落至67%时，高压钠灯持续6ms熄灭，而电压跌落至81%时，持续20ms灯保持不熄灭。表2～表6为典型高压钠灯和金卤灯的实验数据。

通过对不同种类、功率的气体放电灯进行实验，可以看出气体放电灯的功率与抗跌落能力有关。气体放电灯的功率越大，其抗跌落的性能相对越强。

表1 灯具的启动特性和电压跌落响应性能Table 1 The startup characteristics and the voltage drop response performance of the lamps

续表

图3 高压钠灯试验录波图:电压跌落至67%持续6ms(灯熄)Fig.3 Waveform of sodium lamp:voltage drops to 67%for 6ms(lights out)

图4 高压钠灯试验录波图:电压跌落至81%持续20ms(灯不熄灭)Fig.4 Waveform of Sodium lamp:voltage drops to 81%for 20ms(lights on)

表2 被试高压钠灯 (SON-T150W)试验结果Table 2 Measurement result for sodium lamp(SON-T150W)

表3 被试高压钠灯 (SON-T1000W)试验结果Table 3 Measurement result for sodium lamp(SON-T1000W)

表4 被试金属卤化灯 (HPI-T250W)试验结果Table 4 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T250W)

表5 被试金属卤化灯 (HPI-T400W)试验结果Table 5 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T400W)

表6 被试金属卤化灯 (HPI-T1000W)试验结果Table 6 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T1000W)

3 灯具抗电压跌落补偿

3.1 补偿装置原理

针对上述灯具抗电压跌落的实验结果，本文提出了一种灯具抗电压跌落补偿的装置，补偿装置采用一个电容器储能，平时电网电压工作正常时，灯具由电网供电，同时电网通过整流器整流给电容充电;当电网电压跌至额定电压的60%时，电容存储的能量通过逆变电路将电压变为交流220V输出供给灯具，灯具由补偿装置供电，系统中采用一个DSP进行电网电压的实时监控和电路的控制。补偿装置原理图如图5所示。

图5 补偿装置结构框图Fig.5 Structure diagram of compensation device

主电路如图6所示。逆变器为单相桥式结构。逆变器直流侧采用电解电容作为储能装置，提供直流侧电压ud。当电网供电正常的时候，双向晶闸管VT1导通，直流侧电容由IGBT反并联的二极管通过电感L进行充电储能。当检测到电网电压跌落超过40%时，VT1分断，使负载脱离电网，同时，VT2导通，逆变器输出交流电压，以供给负载使用。

图6 补偿装置主电路结构图Fig.6 The main circuit diagram of the compensation device

图7 补偿装置控制电路图Fig.7 Control circuit diagram of the c ompensation device

控制电路如图7所示。控制电路采用基于DSP的数模混合结构实现。其中中央处理器DSP采样电网电压，用于投切判断;采样直流侧电压，用于输出电压有效值控制。DSP的PWM单元输出四路高频驱动信号至逆变桥的4支IGBT管，两路通断信号至2支晶闸管开关。电路控制部分供电由两部分构成，当电网供电正常时，有电网电压降压整流取电，当电网供电不正常而被切除时，由直流侧电容分压后供电。

3.2 实验结果

以负载为一个400W的金卤灯为例，根据试验该灯具在电网电压跌到额定电压的70%时灯具会熄灭，故该实例中设定电压切换的阈值电压为额定电压的70%时进行切换，即电网电压小于154V时进行投切，设灯具最高允许输入电压为额定电压的120%，即220×1.2=264V，设置当电网断电后装置能够维持100ms(这个时间也是电网后备电源二次投切所需要的时间)，则储能电容值计算如下:

在实际应用中，考虑留一定的裕量，选用400V/1000的电容两只来实现。图8为逆变器输出端电压波形，图9为逆变器输出负载端电压波形，将补偿装置接入400W金卤灯，电网电压断电100ms灯具维持不熄灭，电压跌至60%时10s内灯具不熄灭。

图8 逆变器输出电压波形Fig.8 Voltage waveform of the inverter output

4 结论

本文选用了市面上典型的几款灯具进行了灯具

抗电压跌落试验，试验表明，金卤灯和钠灯等气体放电光源对电压较为敏感，并且启动特性较差，最后根据试验结果，提出了一种针对单灯的补偿装置，保证在电网电压断电或突然跌落时给予补偿，保证灯具不熄灭。

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［2］张慧洁，王奔，田甜.动态电压恢复器的变结构控制研究.电测与仪表，2011，48(550):42～46.

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［5］王宾，潘点存，徐丙根.配电系统电压跌落问题的分析 ［J］.电网技术，2004，28(2):56～59.

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