有源濾波器在LED顯示屏諧波治理中的應用

有源濾波器在LED顯示屏諧波治理中的應用

1、引言

在LED大屏上，多電源分散式開關電源得到了廣泛應用，其產生的諧波分量對電網和電氣設備造成的影響日益嚴重，如何抑制諧波分量成為一個備受關注的問題。

開關電源通常採用大功率半導體器件作為開關元件，按一定規律控制開關，調整占空比以調節輸出電壓的大小。開關電源一般由整流器和濾波電容組成，交流輸入電壓進入濾波器、整流器和濾波電容後變換為直流輸出電壓。現今，開關電源正在逐漸向高頻、高可靠、低耗、低雜訊、抗干擾和模塊化發展。

2、LED顯示屏諧波產生原因

LED需要低壓直流驅動，因此顯示屏工程大量採用開關電源為顯示模塊提供驅動。為了降低低壓直流電流在各種輸送環節耗損，顯示屏配電一般採用大量小功率開關電源模塊，配置成分散式局部低壓直流供電模式。這種實現方法在解決了低壓傳輸損耗的同時，卻帶來了諧波污染和中線電流過大等問題。其原因有：

開關電源為典型的諧波源，其諧波含量非常高，其波形為斷續的尖峰波。由於一般使用的開關電源容量較小（典型的案例為手提電腦的電源），並沒有引起足夠的重視。但如果大量的開關電源同時工作，其產生的諧波將不可忽視，如果不加以處理，可能對供電網造成污染，對同一網內的其他設備產生不可預知的危害。

常規三相近似平衡的負荷，其零線的正常電流一般小於相電流的30％。顯示屏系統無論怎麼配置負荷分布，由於顯示畫面的變化，終會帶來瞬時三相不平衡。加之諧波電流的影響，其零線的電流可以達到相電流的280％。

3、LED顯示屏諧波產生的危害

諧波過大會導致零線電流過大，零線電流過大是一個嚴重的火災隱患，因為零線上沒有過流保護裝置，不像相線上有保險等裝置，當電流過大時可以切斷電流。而當零線上電流過大時，只能任其溫度升高，加速電纜老化，甚至引起火災。

諧波不僅表現為電流諧波，而且由於諧波電流對電網衝擊使供電電壓含有諧波，會使電壓波形奇變嚴重，可能對電網上其他敏感設備造成不良影響，甚至使其工作異常，帶來關聯的法律責任問題，例如同樓中某公司的網路伺服器因突然停電，造成損失。

4、ANAPF低壓有源濾波器在LED顯示屏中的應用

某廣場大型戶外LED顯示屏，該顯示屏供電系統有850個30OW的開關電源分散式並聯運行，總功率共計250kw。開關電源是典型的諧波源，在工作時具有電流諧波畸變率高、諧波含量大、諧波頻譜寬、設備為容性負載、功率因數低等用電特性。當大量的開關電源集中使用時會導致中線電流過高，功率因數低，電流諧波畸變率高等現象，從而影響了LED顯示屏正常工作。

4.1諧波治理方案

基於該現場的特點，並聯安裝一台ANAPF型電力有源濾波器，設備參數如下：

4.2 ANAPF有源濾波裝置諧波電流估算

諧波是由非線性設備產生的，而每種設備的實際工作狀態都不同。因此實際諧波電流需採用專門設備進行測量，考慮到設備的技術及經濟性，設計諧波治理裝置的額定諧波補償電流應略大於系統諧波電流。由於諧波電流本身的測量與計算比較複雜，況且在設計時往往很難採集到足夠的電氣設備使用中的諧波數據，可以根據下列公式以對諧波電流進行估算。

其中K1為負荷率：即負荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.7-0.8；

K2為諧波係數，根據系統場合不同而不同；

ST為變壓器額定容量，單位kVA；

US為低壓系統電壓，一般取0.4。

根據估算值，現場選用一台100A的ANAPF有源濾波器進行諧波治理。

4.3 ANAPF有源濾波器投入前後對比

未安裝有源濾波器時LED屏控制開關櫃進線側最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次諧波為最大諧波電流量，A相41.8A、B相41.7A、C相38A、零線電流122.2A，含諧波功率因數0.68，總諧波電壓嚴重超出國標380V低壓側諧波電壓畸變率THDu值≤5%的要求。較為嚴重的3次諧波電壓超出國標380V低壓側諧波電壓奇次畸變率THD≤4%的要求。

投入安裝ANAPF有源濾波器後LED屏控制開關櫃進線側最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次諧波電壓降至低於國標要求380V低壓側諧波電壓奇次畸變率THD≤4%的要求。

由上圖對比可見，ANAPF有源濾波器保護了LED供電系統安全、穩定、經濟運行，防止過電流速斷保護的誤動作，有利於電網和系統的安全穩定運行。

5、結語

隨著顯示屏幕規模的變大，顯示屏幕工程對電網造成的諧波污染已是一個不可輕視的問題。諧波帶來的各種危害已經初步顯現，由此引發的電網運行事故和法律關聯責任都可能隨時發生。本文通過分析LED顯示屏中諧波特性和危害，並通過實際應用案例，分析了有源濾波器投入前後的情況，說明了有源濾波器的諧波治理技術是改善供電電能質量的有效手段之一，可將產生的諧波控制在最小範圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電能質量，保證設備安全運行的作用。

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