LED路灯高压直流集中电源系统方案

高压直流模块（HVDC）系列应用——LED路灯高压直流集中电源系统方案北京国电赛思科技有限公司二〇一四年五月LED路灯高压直流集中电源系统方案1随着大功率发光二极管（LED）光源技术的进步，LED路灯以其寿命长、发光效率高等特点已经在很多城市逐渐替代传统的高压钠灯、金卤灯、高压汞灯和白炽灯，进入了实用阶段。但是在配电环节仍然沿用传统的交流配电模式，即：每个LED路灯都配有一个AC-DC电源模块，去驱动LED光源。如图1所示。图1：传统LED路灯电源系统模型众所周知，AC-DC电源模块的寿命很大程度受制于模块中的电解电容。一般电源模块的设计寿命不会超过1万小时，这与LED光源10万小时的寿命相差甚远。因此经常会发生因驱动电源故障而导致照明中断的现象。这不仅影响了LED照明系统的可靠性，还大大增加了维护成本。为提高LED路灯整体寿命，有效保证路灯照明系统的可靠性，我们提出了本方案：LED路灯高压直流集中电源系统。一、系统设计思路LED路灯高压直流集中电源系统的设计思路是：将传统LED路灯的AC-DC电源分成两部分：AC-DC部分和DC-DC部分。AC-DC部分实现交流220V转换成直流240V，DC-DC部分实现直流240V转换成LED路灯所需要的电压等级。把AC-DC部分集中到一个电源箱，并做N+X冗余，而DC-DC部分保留在LED灯具中。LED路灯高压直流集中电源系统方案2图2：LED路灯高压直流集中电源系统模型该系统具有以下几方面的优势：第一，高可靠性：高压直流母线采用N+X模块冗余供电，模块采用热插拔技术，即使有模块出现故障，也可以保证不间断供电，提高了系统供电的可靠性;灯具上只有一个非隔离的DC/DC恒流源，电路简单，无电解电容，可靠性很高，寿命可以做到10年以上。第二，高效率：传统的LED路灯驱动电源效率在90%左右，高压直流整流模块效率大于95%;HVDC监控可以实现N+X冗余模块的休眠功能，可以保证在各种负载条件下都保持很高的效率。第三，施工工程简单：该系统将调光信号直接耦合在供电线缆上，无需给每盏灯敷设控制线缆，从而大大简化了整个施工工程，降低了建设成本。第四，运营成本低：高效率高功率因数减少了交流电网的运营费用;热备份、高可靠性减少了设备的日常维护费用;驱动电源更长寿命使灯的使用成本更低。二、系统结构整个直流配电系统包括：路灯变压器、电源柜（直流供电站）、监控服务器群、监控终端以及IP网络系统，如图3所示。LED路灯高压直流集中电源系统方案3路灯变压器把10/6KV高压交流电变成380V低压交流电输出到电源柜，电源柜将低压交流电转化成为240V直流电，通过直流输配电线路将直流电力和调光信号输送到分散的LED路灯，驱动、调节其路灯亮度。另一方面，电源柜也会通过GPRS或3G网络将路灯以及电源柜的运行状态上报到监控中心，监控中心可以通过监控终端或监控大屏幕，借助GPS以及地图系统实时、直观地掌握整个路灯系统的运行状态。具有相关权限的用户也可以借助智能手机、笔记本APP,通过移动方式控制和查看系统的运行状态。图3：LED路灯高压直流集中电源系统拓扑图电源柜（直流供电站）是直流配电系统的核心，它完成了交流电到直流电的转换。本系统成功解决了谐波、功率因数、可靠性等问题，满足电网公司对用户的强制标准要求。解决路灯变压器不平衡输出，降低变压器容量，减少供电电缆截面积，提高城市照明系统的安全性、可靠性、可维护性和寿命。采用直流供电后，LED灯具内的直流恒流驱动电源已取消了整流桥、滤波电容、LED路灯高压直流集中电源系统方案4PFC等回路，使驱动电源的设计更加灵活，主电路结构简单、可靠性高。三、系统关键部件介绍1.LED灯具电源传统交流供电的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（例如灯具中有耐受电网电压的电解电容等元件）。图4：传统LED路灯电源与高压直流LED路灯电源比较高电压直流供电的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。LED路灯高压直流集中电源系统方案5简单恒压型的只需很少辅助元器件，直接输出至串联的LED光源，或再加恒流电路输出恒定电流至串联的LED光源更好。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。复杂一些的智能直流LED灯具还需加上智能接收控制电路及内部智能控制协议程序，灯具控制装置的元器件稍多，电路稍复杂，灯具成本稍高。但相对于同类的智能交流LED灯具来说，仍然是简单得多，可靠性也更高，寿命更长，对于道路和隧道照明工程仍然非常有利。2.控制柜LED路灯高压直流集中供电系统控制柜实现交流到直流的转换，为整个LED路灯系统提供稳定的直流电源。图5：高压直流LED路灯电源控制柜结构第一，根据工程实际，控制柜一般控制几十只LED灯具。控制柜首先把电网交流电源变换为高压直流，输出给LED灯具，并且控制柜中含有智能控制电路模块使其能接受远程遥控，进而控制电源模块调节输出直流电压的大小来对所有LED灯具进行统一自动开关及调光，也能对每只智能LED灯具单独进行多功能智能控制。LED路灯高压直流集中电源系统方案6第二，控制柜的电源模块可分为单个大功率电源模块或多个小功率电源子模块的组合。多个小功率电源子模块组合的直流输出又可分为并联后统一输出或各自多路输出。由于并联后统一输出方式可以做到当其中一个电源子模块出现故障时，热备份电源子模块立刻接入输出线路，既能保证系统在同等功率输出下可靠运行，又可使电源子模块备份数量减至最低。但技术要求较高，例如各电源子模块直流输出电压的误差要尽可能小。直流输出电压可分为高电压直流例如300V（输出高电压可减少电线线路损耗，提高系统整体效率），或安全低电压例如120V以下（线路和灯具对人体的电气安全性高一些，但同等负载下电线线路损耗将大很多，线路本身的发热多，成本高）。3.线路控制柜的输入端需接交流供电电网，可分为单相交流输入或三相交流输入两种。三相交流输入能平衡电网负载，是比较好的方式。输出直流供电线路可以是三线（对120V高电压直流的正极、负极和地线），或二线（对应于≤120V直流的正极、负极，且满足安全特低电压的各项要求时）。4.智能控制协议和途径（1）远程电脑与控制柜之间目前有很多种基于Internet网的二次开发协议，但还没有特别统一专用的。（2）手机通过GPRS与控制柜之间只是用于系统维护人员进行个别数据的设置和反馈信息接收，要想做到对系统进行全面、快速、连续的单灯控制在技术上是不现实的。更重要的是从公共安全角度出发，对于路灯、隧道灯及大型楼宇等公共照明场合，应该不允许系统维护人员随意进行手机全面控制。LED路灯高压直流集中电源系统方案7（3）控制柜与各灯具之间对于可对每只灯具都能进行单独控制的智能系统，主控制设备与各灯具之间必须有控制协议和途径。由控制柜电源模块受控调节输出直流电压大小来对所有LED灯具进行自动统一的开关或调光。控制柜与各单灯之间智能控制途径为电力线载波方式，无需重新敷设控制线缆。本系统采用专利的“一种无modem的路灯调光控制方法”，实现主控制设备与各灯具之间的通信。四、系统特点1、冗余备份，多重保护，系统可靠系统支持N+X电源模块热备份机制，在X个模块故障时，系统监控迅速反馈并智能调节动态功率输出，依然维持着照明亮度稳定及一致性的表现。图6：N+X电源模块热备份机制在大于M个电源模块失效时，系统后台软件根据剩余模块承载的亮度发出调光指令，减小亮度，保证照明系统维持“最大能力照明”。对于交流输入具有缺相保护功能。在3相缺1相时，电源系统会控制调整最大亮度为50%额定值，保证路灯继续照明。2、预设定功能和光敏控制开关机相结合LED路灯高压直流集中电源系统方案8供电系统可以定时自动开关机，用户可以根据季节照明需要，随时设置5个自动调光时间点和对应亮度，自动开关机。对城市实现集中控制，可以减少人工控制的误差和成本。同时，系统还支持光敏控制，在特定天气条件下，精确、及时地开关机，并对照明系统的照度进行调节，以强大的实用性和控制柔性化，满足用户更高的智能照明要求。图7：LED路灯照明预设值功能3、完善的后台软件管理功能系统记录有电源柜的GPS信息，在地图信息页面，可以显示所有控制区域的电源柜运行状态。对于故障点系统会以红色闪烁报警。支持Android和iOS系列产品进行远程遥控。LED路灯高压直流集中电源系统方案9图8：LED路灯地图位置管理系统界面4、高效节能采用业界领先的高频开关技术，带来的不仅是卓越的数字控制精度，还带来更高效的节能——体积更小、效率更高。恒流模块效率可以达到98%，无modem电源消耗，灯头恒流模块无待机功耗，更节省了能源消耗。5、安全可靠公司独家采用HALT（HighlyAcceleratedLifeTest）高加速寿命试验测试，逐级增加严酷等级环境应力，来进行破坏性试验，来测试产品设计中潜伏的各种缺陷，直到产品的破坏极限。系统带电工作时，通过-40℃~+65℃（95%湿度）下，72小时持续温度冲击试验。恒流模块支持IP67防护等级，轻松满足灯头内高温工作环境，小巧轻便。五、应用实例以1000盏，180W的LED路灯为例，整体费用估算如下：1、每个电源柜，负责80盏路灯的供电；2、每个电源柜安装6个（5+1）单模块为3000w的电源模块；3、每盏灯配置一个恒流源；4、每个电源柜配置一套PLC和一个GPRS模块LED路灯高压直流集中电源系统方案10整体费用估算如下：序号设备名称型号单价数量合计备注1直流电源柜PS18K13含：柜体、6个3000w电源模块2PLC控制器PS-C10013与恒流源进行载波通信3GPRS模块PS-T0113与监控中心进行GPRS通信4恒流源PS-1801000每盏灯配置一个DC-DC电源5监控平台PS-M1001通过GPRS，监控各个电源柜的运行状态6合计六、联系我们任经理北京国电赛思科技有限公司地址：北京朝阳区北苑路13号院领地officeA座903电话：[phone]传真：[phone]手机：[phone]（北京）13826515528（深圳）网站：（改版中，预计2014年6月上线）