大功率10kW集中式直流供电LED路灯照明系统方案V20.docx
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大功率10kW集中式直流供电LED路灯照明系统方案V20
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
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
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*
）
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
序号
铜电线型号
单芯载流量（25℃）（A）
VV
YJV
1
1.5mm2/c
20
25
2
2.5mm2/c
28
35
3
4mm2/c
38
50
4
6mm2/c
48
60
5
10mm2/c
65
85
6
16mm2/c
90
110
7
25mm2/c
115
150
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
，
其中Pe——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,Ω，跟线径有关；
Xi——每档路灯线路的感抗,Ω，跟线径有关；
Φ——相位差，单灯功率因数为cosΦ，此处cosΦ=0.9，
故tg（arccos0.9）=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
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。
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，。
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
3000
3500
1500
2
54个灯杆的灯具总价
162000
189000
81000
（2）=
（1）x50
3
大功率直流电源
4000
0
0
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）
15
35
55
6
电缆长度（m）
1620
1620
1620
7
电缆费用
24300
56700
89100
（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）
180
180
400
10
54个灯杆灯具功率（W）
9720
9720
21600
（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）
11.35
11.35
11.35
14
每年耗电（kWh）
40470
44742
137667
（14）=（12）x（13）x365/1000
15
电价（元/kWh）
0.8125
0.8125
0.8125
16
每年电费（元）
32,882
36,353
111,854
（16）=（14）x（15）
17
灯具寿命（年）
4
2
0.5
18
4年内更换灯具费用
0
27,000
75,600
钠灯泡按照200元每个灯杆配置；普通LED等按照电源更换估算。
19
4年内高车使用费、人工费
0
0
0
暂时不计入其中
20
平均每年运行成本总价
￥32,882
￥43,103
￥130,754
（20）=（16）+（（18）+（19））/4
表5，材料成本和运行成本对比
12.参考文献
[1]，黄成、付永锋，路灯电压损失的简易计算，山西建筑，2004年11月，第30卷，第22期。
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