LED亮化照明配电系统解决方案

陈 平(深圳市达特照明股份有限公司, 广东 深圳 518000)

LED亮化照明配电系统解决方案

陈 平
(深圳市达特照明股份有限公司, 广东 深圳 518000)

分析了某公园LED亮化照明配电系统的解决方案,通过分布式不间断电源的部署,配合无功补偿系统和线路拓扑的改造,大幅提升了LED亮化照明配电系统的电能质量,使维修费成本从每天20.55元下降到了0.45元,显著提升了照明配电系统的实用性和可靠性。

LED光源; 照明配电系统; 电涌; 无功补偿

0 引 言

终端电网的电涌是LED系统损坏的主要原因。终端电网的电涌主要来自:大容量无功设备与自动梯度无功补偿器之间的同步问题,导致2～4个周期的高电压;周边电网的干扰,导致混入杂波;开关故障导致的电涌。

本文研究了某公园LED亮化照明配电系统对抗电涌的解决方案,从而为相关类似工程提供参考。

1 项目概况

某公园东西长为2.5 km,南北宽为380 m,公园内石子道路长为9.2 km,道路两侧的景观灯采用三联装LED系统提供光源,每个光源的实际耗电功率为3 W,光源按照每5 m布置一对的方式进行部署,共部署3 680个三联装LED光源,共为11.04 kW。公园内硬化场地共三处,合计面积约为1 360 m2,按照每12 m2布置一个LED地灯的方式进行布置。LED地灯光源采用5联装布置方式,每个光源耗电为7.5 W,共为850 W。公园内另有服务类建筑及景观小木屋22处,建筑外墙使用13 W LED筒灯,共使用LED筒灯145盏,总耗电量为1.885 kW。LED灯总耗电总容量为13.775 kW。按照线路效率0.65计算,系统的总供电容量为21.193 kW。

该公园亮化照明系统用电由距离公园东外墙45 m的路边300 kVA 10/0.4 kV变压器、园区内部东北角的300 kVA 10/0.4 kV变压器、园区中南部的300 kVA 10/0.4 kV变压器、园区南段墙外约75 m的300 kVA 10/0.4 kV变压器联合供电,所有供电电源取自路边网状10 kV变压箱,电能质量难以保障。公园投入使用一年内,因电涌影响,损坏3 W照明灯具312个、7.5 W照明灯具77个、13 W照明灯具24个、12 V开关电源266个,系统为更换配件出动维修工时431个,直接经济损失超过7 500元。根据检修膨胀法则,如果电涌问题不能得到有效解决,以后每年的维修费还将继续增加。

2 需求分析

在10 kV网络中电涌难以避免,而300 kVA 10/0.4 kV变压器采用刚性电压控制的方式进行电压管理,所以电涌可以轻易地穿过变压器屏障。在300 kVA 10/0.4 kV变压器后构建安全保障设施,是系统得到保障的有效方式。

因为400 V链路较长,所以采用4台300 kVA 10/0.4 kV变压器联合供电的方式。在园区内布置了6个400 V电源控制箱,对独立划片的6个照明区域进行分别供电。6个区域的装机容量如表1所示。

表1 6个区域的装机容量

通过分析,本文在每个开关柜内部串联小容量不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS),实现对电能质量进行管理。其中1区、2区、3区配置8 kVA UPS,电池容量采用110 Ah×8布置,4区、5区、6区配置5 kVA UPS,电池容量采用110 Ah×6布置。UPS主机搭载在定时开关组配线夹前方,开关柜主断路器后方。UPS使用在线运行模式。

经过UPS整理过的波形,频率误差小于0.3%,电压误差小于2%,相位误差小于0.02%。与系统部署的梯度自动无功补偿设备配合,将系统内的电涌减少到最低。

3 系统设计

3.1 UPS选型

UPS目的是解决电压下陷、频率失真、谐波失真、相位偏移、持续欠压、持续过压、电涌、相位切换、闪断等常见电能质量问题。这些电能质量问题易造成LED灯具及其开关电源的损坏。使用UPS的最终目的是把300 kVA 10/400变压器的刚性电能控制通过交-直-交方式变换为柔性电能控制方式。

因为UPS需要使用大量的线圈、电压比较器、谐振器和晶闸管,其造价成本随着容量的升高而呈对数关系升高。所以使用分散式小容量UPS可以显著降低成本,提升系统的性价比。本文在每个开关柜内部串联小容量UPS,对电能质量进行管理。

SHANTE UPS C10K 10 000 VA/8 000 W提供8 000 W的额定功率,支持多种电磁控制接口,工作环境温度为0～40 ℃,环境湿度为20%～90%,适应户外机柜工作环境的苛刻要求。虽然该园区冬季最低温度达-5 ℃,但机柜内因安培热的作用,其工作环境较户外高10 ℃以上,完全符合工作条件。

SHANTE没有提供5 000 VA容量的机型,因此为实现5 000 VA的最佳性价比,采用GES-RT5K 5 kVA/4.5 kW 作为4区、5区、6区的UPS支持。系统同样支持多种电磁控制接口,工作环境要求与SHANTE系统类似,只是价格较SHANTE略高。使用1台GES-RT5K 5 kVA/4.5 kW比使用2台SHANTE UPS C3K 3 000 VA/2 400 W更具经济性。

3.2 无功补偿改造

照明配电系统的4个无功补偿器分别安装在4台300 kVA 10/0.4 kV变压器低压柜后端,无功补偿器使用ARM7架构,容量均为300 kVA。无功补偿器搭载点后端为400 V总配。总配除为公园项目提供电能外,还为附近居民及商户提供电能。为了满足配电照明系统要求,项目部报请供电部门对相关的4个无功补偿器的软件进行了刷写,将系统的响应周期从100 ms(5个波峰)调整为20 ms(1个波峰)。通过此次调整,系统内理论上不再存在超过10个连续波峰的持续无功高压,系统电能质量得到一定程度的提升,缓解了UPS的处理压力。

3.3 双侧桥接线设计

照明配电系统在改造前已通过桥接断路器将整个亮化系统的6个电源控制箱实现了环状互连,通过桥接线路,400 V网络之间形成了整体。ADQ3-2P-63A换向开关是本文照明配电系统前置400 V桥接线路的控制模式。该开关可以自动选择具有正向电压的线路作为电源线路。当系统需要检修时,该开关可以转换为手动模式,将上述两组电源完全隔断。

该照明配电系统在改造后,自UPS下放直接布置二层电网,确保经过UPS整理的电能得到有效的桥接。桥接方式与前级400 V网络相同,同样使用ADQ3-2P-63A换向开关作为桥接线控制器。UPS的整定波形采用两种方式同步得到节拍,以确保电能并网不存在相位差。上行节拍模式通过获取电源侧的电能波形,确定电能输出的节拍。虽然上行电源的电能质量较差,但节拍统一。下行节拍模式将其中一个UPS设置为主动模式,而其他UPS设置为侦测模式。侦测模式的UPS会通过下行电网内的节拍直接获得电网需求节拍,对电能输出节拍进行控制。

照明配电系统以上行节拍模式作为主动节拍UPS的节拍控制模式,以下行节拍模式作为侦测UPS的节拍控制模式,确保下行电网的电能相位统一。经过UPS整理过的波形,频率误差小于0.3%,电压误差小于2%,相位误差小于0.02%。

3.4 其他升级

照明配电系统在升级时采用了分布式接地极的设计,在电源控制箱处做重复接地,采用TN-S接地系统。每盏LED必须接PE线,不专设接地极,可以保证环境电流不影响LED模块的运行。

另外,采用带有独立电涌保险装置的12 V开关电源,在电涌发生时优先跳闸。在以上升级不足以满足电涌的过滤作用时,将更换LED灯具和12 V电源适配器的成本转化为更换保险管的成本。因为保险管每更换一次的成本小于1元,远低于更换LED模组或12 V开关电源的成本。升级不是强制更换所有的12 V开关电源,仅更换替代的备用开关电源。

4 结 语

本文采用了以增加UPS设备为主、梯度无功补偿软件和其他细节改造为辅的综合供电改造,提升了照明配电系统的电能质量,减少了电涌的发生概率。该照明配电系统经过2014年夏秋雷雨季节的考验,事故高发期内的事故率从改造前的1.86次/d(679次/365 d)下降到0.09次/d,维修费用从20.55元/d(7500元/d)下降到0.45元/d,系统的可靠性和可用性得到了显著的提升。

[1] 鲁刚强.基于单片机PWM信号控制LED的软件实现方法[J].电子技术,2012(5):46-47.

[2] 杨恒.LED照明驱动器设计[M].北京:中国电力出版社,2010.

[3] 李智华,周峰,王元章,等.基于ZigBee的LED智能照明控制系统[J].现代建筑电气,2013,4(6):9-13.

Solution of LED Brightening Lighting Distribution System

CHEN Ping

(Shenzhen DARI Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)

Based on the park example,this paper analyzed the solution of LED brightening lighting distribution system.By the arrangement of distributed uninterruptible power supply,and transformation of reactive power compensation system and the circuit topology,the power quality of LED brightening lighting distribution system was improved significantly.The daily maintenance cost is reduced from 20.55 yuan to 0.45 yuan,which dramatically improves the practicality and reliability of lighting distribution system.

LED source; lighting distribution system; surging; reactive compensation

陈 平(1978—),男工程师,从事照明技术开发推广工作。

TU 852

B

1674-8417(2015)05-0035-03

2015-01-05