大功率(10kw)集中式直流供电led路灯照明系统方案v2.0

大功率（10kW）集中式直流供电 LED 路灯照明系统方案 2013 年 12 月 13 日 1.概述 集中直流供电是理想的 LED 路灯驱动方式，这样可以采用较细的输电线缆， 使总系统造价与传统的钠灯系统相当，影响 LED 推广的造价高这一重要障碍不 复存在。 但大功率恒流开关电源制造的难度和代价都极高，因此实际上没有人采用 这种方案。 而云杉光电的交流直驱 LED 路灯具有对供电电压自适应的特点，交流直流 供电均可，且对电源要求极低，三相交流电进行简单的整流后即可直接供电， 工频电压变化、线损等均不会对灯具性能指标造成影响。云杉光电提出的这种 方案既有节约线缆的建造成本优势，又有节电的运行成本优势，是目前看来最 佳的路灯照明解决方案。 2.LED 灯具的集中式直流供电与传统交流供电系统的比较 (a)传统交流供电系统 LED 灯具直接连接交流电网，一方面受电网的影响很大，例如电网对灯具 的 EMC 影响和电网传输过来的雷击影响；另一方面，每只 LED 灯具都需有 EMC、整流、功率因数校正、滤波、功率驱动、逆变降压、稳电压输出或再稳 流输出至 LED 光源。灯具控制装置的电路复杂、元器件多,灯具成本高。而且相 对而言，安全、EMC 问题比较突出。这些使 LED 灯具的可靠性低并影响寿命。 (b)集中式直流供电系统 LED 灯具连接在控制柜电源模块的直流输出端，一方面，基本不受交流电 网对灯具的电磁干扰（EMC）影响和不受交流电网侧传输过来雷击的影响(当然 也还是需要抵抗雷击打在直流线路上传输过来的脉冲影响)；另一方面，每只 LED 灯具可以不需要 EMC、整流、功率因数校正、滤波、功率驱动、逆变降压 等电路和元件。只需很少辅助元器件, 直接输出至串联的 LED 光源。如此，灯 具控制装置的电路非常简单，可靠性非常高，寿命可以很长，这对于使用环境 条件恶劣的道路和隧道照明工程非常有利。 3.国内外同类研究进展情况 关于直流电驱动 LED 灯具的研究探索，国内外都有机构在从事相关工作。 日本东北大学等研究机构在研究灾害时电力供应时候，试验直流供电驱动几百 只 LED 灯具。中国南方电网和地方政府也在实验集中式直流供电给 LED 路灯。 但是目前从他们的报道和文档看，普遍使用的是大功率直流稳压电源或者 恒流电源。 图 1，结构框图 整流滤波稳压DC-DC AC 380V LED 灯具 - 3 - 主要有两方面的缺点 (a)稳压部分的损耗很大，电源效率典型值 90%，那么对于 10kW 的电源 而言，就有 1000W 的发热，发热量太大了，配电柜的散热条件满足不了。 (b)尽管电源输出是恒压或者恒流的，但是长线缆的线损较大，尾端的 LED 灯具的电压比近端的 LED 灯具的电压降低较多，那么若是灯具以近端灯具为基 准采用同样配置的光源，则各 LED 等发光不一样，尾端显得暗；反之，以尾端 灯具为基准配置，则近端灯具就过于亮了。 4.我们的方案 云杉光电的交流直驱 LED 路灯具有对供电电压自适应的特点，交流直流供 电均可，且对电源要求极低，三相交流电进行简单的整流滤波而不需要稳压即 可直接供电，工频电压变化、线损等均不会对灯具性能指标造成影响。 交流直接驱动 LED 灯具的可靠性也非常高，没有普通 LED 灯具的开关电 源具有的变压器、电感、电解电容、耐高压 MOS 管等易损坏元器件，从结构 上保证了可靠性。根据供电电压自适应分配负载，可以应对高低压、高低温等 极端工况。 5.系统原理示意图 图 2，系统原理示意图 - 5 - 6.开关自动型 LED 灯具的优点 图 3，开关自动型 LED 驱动原理 图 4，AC 驱动电流电压波形模型 7.参数表 参数名称数值优点 功率10kW 量级 1，非常成熟的产品模块，能够通过国家安规标准和检 验。 2，能够驱动 55 套 180W 灯（比如一个灯杆两个路灯， 分别是 120W 主路和 60W 辅路） 。 输入电压380Vac 三相交流电路灯配电箱就是此市电配置 输出电压 537Vdc (=380*)2 与 380Vac 用电安全注意事项一致。 输出电流 19A (=10kW/537V） 电流小，所需电缆截面积小，线损也较小。 功率因数 PF=0.9 无功损耗非常小 总谐波失真 THD=20% 总谐波失真较小 三相平衡三相平衡 表 1，参数表 8.典型道路照明配置 对 10kW 直流电源，可以驱动 55 套 180W。这 180W 可以是主路 120W 配辅路 60W 路灯。 对道路而言，以每 30m 一根灯杆计算，那么当电源从一端引入且 10kW 道路单边情况，相当于能够驱动 1650m 的距离。 9.电缆截面积的选型 单芯载流量（25）(A) 序号铜电线型号 VVYJV 11.5mm2/c2025 22.5mm2/c2835 - 7 - 34mm2/c3850 46mm2/c4860 510mm2/c6585 616mm2/c90110 725mm2/c115150 表 2，通用电缆选型表 9.1. 负荷计算 表 1 中直流电源输出电流只有 18.62A(=10000W/(380V*1.414)，参照表 2 数据，如果按照允许发热条件来选取电缆的话，可以看出 1.5mm2已能满足 要求，从日常生活经验看这个数据都是不太合适的，主要是没有考虑电压降的 问题。 9.2. 电压降的校验 根据城市道路照明设计标准的规定，末端电压降比例=10% 根据参考文献 1 的公式(3)，电压降比例，% 2 ) 1( * 10 )*(P u% 2 e nn u XtgR n ii 其中 P e 每盏路灯的有功功率 ,kW，此处为 0.18kW; un 线路的额定电压 ,kV ，此处为 0.537kV; Ri 每档路灯线路的电阻 , ，跟线径有关； Xi 每档路灯线路的感抗 , ，跟线径有关； 相位差，单灯功率因数为 cos，此处 cos=0.9， 故 tg(arc cos0.9)=0.4843 n 路灯灯具个数，此处 n=55。 对 VV 电缆，交流电阻和感抗表格如下，比我们不稳压的直流差别不算大， 故以此做数据。 表 3，不同线径电阻和感抗表 电压降要求=10%，所以 104 . 0 ) 155(*55*18 . 0 537 . 0 *200 ) 1(* 200 * 2 2 nnP u XtgR e n ii 47 . 3 03 . 0 104 . 0 * *r L XtgR xtg ii ii 从表 3 查询获悉，6mm2是合适的线径。 另外的优点是，本方案仅仅使用 2 线，加上地线是 3 线；而交流供电则需 要三相四线，加上地线就是三相五线。节省大量线缆成本。 - 9 - 同时，线缆较细，也不易被盗窃。 10. 三相平衡和缺相运行时候 一般使用三相交流电的路灯线缆配置方案，以及缺一相表现，如下图所示， 。 - 11 - 图 5，三相交流电的连线图，和缺相运行时的表现 而如果使用本文介绍的方案，即大功率（10kW）直流电源统一驱动较多 盏 LED 路灯，直流电源输入是三相交流电，输出是直流电一对线。故而本方案 还有一个优点是三相平衡。 同时，缺一相运行时候，也不会出现如图 2 所示的灭了 1/3 之一灯的情况， 而是所有的灯具都亮，只不过功率下降，功率因数也下降。 功率功率因数 三相 100%0.9 二相 80%0.7 一相 50%0.5 表 4，缺相运行的功率和功率因数的变化 11. 材料成本和运行成本对比 1650m 道路一侧，灯杆间距 30 米，54 个灯杆，每个灯杆 2 盏灯，主路 辅路各 1 盏。对 LED 灯，是 120W+60W，对钠灯是 250W+150W。 序号 大功率直流电源统 一驱动 LED 灯方案 自携带恒流开关电源 的 LED 灯 钠灯备注 1 每灯杆上的灯具单价 300035001500 2 54个灯杆的灯具总价 16200018900081000(2)=(1)x50 3 大功率直流电源 400000 4 电缆规格 6mm2x2+4mm2x1 正负两根线加地线 10mm2x4+6mm2x1 三相五线 16mm2x4+10mm2x1 三相五线 5 电缆单价（元/m） 153555 6 电缆长度(m) 162016201620 7 电缆费用 243005670089100(7)=(5)x(6) 8 材料成本总价 ￥190,300￥245,700￥170,100(8)=(2)+(3)+(7) 9 每灯杆灯具所耗功率(W) 180180400 - 13 - 10 54个灯杆灯具功率(W) 9720972021600(10)=(9)x50 11 电源效率 99.5%90%65% 12 实际功率 9769 10800 33231 (12)=(10)/(11) 13 平均每日照明时间(h) 11.3511.3511.35 14 每年耗电(kWh) 40470 44742 137667 (14)=(12)x(13)x365/1000 15 电价（元/kWh） 0.81250.81250.8125 16 每年电费（元） 32,88236,353111,854(16)=(14)x(15) 17 灯具寿命（年） 420.5 18 4年内更换灯具费用 027,00075,600 钠