有源濾波器在LED顯示屏諧波治理中的應(yīng)用

1、引言

在LED大屏上，多電源分布式開關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的諧波分量對(duì)電網(wǎng)和電氣設(shè)備造成的影響日益嚴(yán)重，如何抑制諧波分量成為一個(gè)備受關(guān)注的問題。

開關(guān)電源通常采用大功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，按一定規(guī)律控制開關(guān)，調(diào)整占空比以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。開關(guān)電源一般由整流器和濾波電容組成，交流輸入電壓進(jìn)入濾波器、整流器和濾波電容后變換為直流輸出電壓。現(xiàn)今，開關(guān)電源正在逐漸向高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化發(fā)展。

2、LED顯示屏諧波產(chǎn)生原因

LED需要低壓直流驅(qū)動(dòng)，因此顯示屏工程大量采用開關(guān)電源為顯示模塊提供驅(qū)動(dòng)。為了降低低壓直流電流在各種輸送環(huán)節(jié)耗損，顯示屏配電一般采用大量小功率開關(guān)電源模塊，配置成分布式局部低壓直流供電模式。這種實(shí)現(xiàn)方法在解決了低壓傳輸損耗的同時(shí)，卻帶來了諧波污染和中線電流過大等問題。其原因有：

開關(guān)電源為典型的諧波源，其諧波含量非常高，其波形為斷續(xù)的尖峰波。由于一般使用的開關(guān)電源容量較小（典型的案例為手提電腦的電源），并沒有引起足夠的重視。但如果大量的開關(guān)電源同時(shí)工作，其產(chǎn)生的諧波將不可忽視，如果不加以處理，可能對(duì)供電網(wǎng)造成污染，對(duì)同一網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備產(chǎn)生不可預(yù)知的危害。

常規(guī)三相近似平衡的負(fù)荷，其零線的正常電流一般小于相電流的30％。顯示屏系統(tǒng)無論怎么配置負(fù)荷分布，由于顯示畫面的變化，終會(huì)帶來瞬時(shí)三相不平衡。加之諧波電流的影響，其零線的電流可以達(dá)到相電流的280％。

3、LED顯示屏諧波產(chǎn)生的危害

諧波過大會(huì)導(dǎo)致零線電流過大，零線電流過大是一個(gè)嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，因?yàn)榱憔€上沒有過流保護(hù)裝置，不像相線上有保險(xiǎn)等裝置，當(dāng)電流過大時(shí)可以切斷電流。而當(dāng)零線上電流過大時(shí)，只能任其溫度升高，加速電纜老化，甚至引起火災(zāi)。

諧波不僅表現(xiàn)為電流諧波，而且由于諧波電流對(duì)電網(wǎng)沖擊使供電電壓含有諧波，會(huì)使電壓波形奇變嚴(yán)重，可能對(duì)電網(wǎng)上其他敏感設(shè)備造成不良影響，甚至使其工作異常，帶來關(guān)聯(lián)的法律責(zé)任問題，例如同樓中某公司的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器因突然停電，造成損失。

4、ANAPF低壓有源濾波器在LED顯示屏中的應(yīng)用

某廣場(chǎng)大型戶外LED顯示屏，該顯示屏供電系統(tǒng)有850個(gè)30OW的開關(guān)電源分布式并聯(lián)運(yùn)行，總功率共計(jì)250kw。開關(guān)電源是典型的諧波源，在工作時(shí)具有電流諧波畸變率高、諧波含量大、諧波頻譜寬、設(shè)備為容性負(fù)載、功率因數(shù)低等用電特性。當(dāng)大量的開關(guān)電源集中使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致中線電流過高，功率因數(shù)低，電流諧波畸變率高等現(xiàn)象，從而影響了LED顯示屏正常工作。

4.1諧波治理方案

基于該現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，并聯(lián)安裝一臺(tái)ANAPF型電力有源濾波器，設(shè)備參數(shù)如下：

4.2 ANAPF有源濾波裝置諧波電流估算

諧波是由非線性設(shè)備產(chǎn)生的，而每種設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)都不同。因此實(shí)際諧波電流需采用專門設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，考慮到設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)諧波治理裝置的額定諧波補(bǔ)償電流應(yīng)略大于系統(tǒng)諧波電流。由于諧波電流本身的測(cè)量與計(jì)算比較復(fù)雜，況且在設(shè)計(jì)時(shí)往往很難采集到足夠的電氣設(shè)備使用中的諧波數(shù)據(jù)，可以根據(jù)下列公式以對(duì)諧波電流進(jìn)行估算。

其中K1為負(fù)荷率：即負(fù)荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.7-0.8；

     K2為諧波系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)場(chǎng)合不同而不同；

ST為變壓器額定容量，單位kVA；

     US為低壓系統(tǒng)電壓，一般取0.4。

    根據(jù)估算值，現(xiàn)場(chǎng)選用一臺(tái)100A的ANAPF有源濾波器進(jìn)行諧波治理。

4.3 ANAPF有源濾波器投入前后對(duì)比

4.3.1未安裝ANAPF有源濾波器時(shí)LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

未安裝有源濾波器時(shí)LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)zui大的總諧波電流含量98.4%，總諧波電壓畸變率8.4%，零線總諧波畸變率1724.3%。其中3次諧波為zui大諧波電流量，A相41.8A、B相41.7A、C相38A、零線電流122.2A，含諧波功率因數(shù)0.68，總諧波電壓嚴(yán)重超出國(guó)標(biāo)380V低壓側(cè)諧波電壓畸變率THDu值≤5%的要求。較為嚴(yán)重的3次諧波電壓超出國(guó)標(biāo)380V低壓側(cè)諧波電壓奇次畸變率THD≤4%的要求。

4.3.2 安裝有源濾波裝置后LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

投入安裝ANAPF有源濾波器后LED屏控制開關(guān)柜進(jìn)線側(cè)zui大的總諧波電流含量降至51%，總諧波電壓畸變率降至3.1%，零線總諧波畸變率94.1%。3次諧波電流量A相1.4A、B相1.1A、C相1.8A、零線電流9.8A，含諧波功率因數(shù)提高至0.81。總諧波電壓畸變率THDu值降至3.3%。3次諧波電壓降至低于國(guó)標(biāo)要求380V低壓側(cè)諧波電壓奇次畸變率THD≤4%的要求。

由上圖對(duì)比可見，ANAPF有源濾波器保護(hù)了LED供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，防止過電流速斷保護(hù)的誤動(dòng)作，有利于電網(wǎng)和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 

5、ANAPF低壓有源濾波器的報(bào)價(jià)及主要元件清單

6、結(jié)語(yǔ)

隨著顯示屏幕規(guī)模的變大，顯示屏幕工程對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染已是一個(gè)不可輕視的問題。諧波帶來的各種危害已經(jīng)初步顯現(xiàn)，由此引發(fā)的電網(wǎng)運(yùn)行事故和法律關(guān)聯(lián)責(zé)任都可能隨時(shí)發(fā)生。本文通過分析LED顯示屏中諧波特性和危害，并通過實(shí)際應(yīng)用案例，分析了有源濾波器投入前后的情況，說明了有源濾波器的諧波治理技術(shù)是供電電能質(zhì)量的手段之一，可將產(chǎn)生的諧波控制在zui小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電能質(zhì)量，保證設(shè)備安全運(yùn)行的作用。

參考文獻(xiàn):

［1］ 王可亮，瞿世尊，陳健．開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.電子元器件運(yùn)用，2004 ，6 （3）:17-19.

［2］ 三相四線有源濾波器在上海世博會(huì)國(guó)家電網(wǎng)館LED顯示屏諧波治理中的應(yīng)用.

［3］ 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.

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