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，多電源分布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。

開關電源通常采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、整流器和濾波電容后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、低噪聲、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采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，顯示屏配電一般采用大量小功率開關電源模塊，配置成分布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。由于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），并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于相電流的30％。顯示屏系統無論怎么配置負荷分布，由于顯示畫面的變化，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，而且由于諧波電流對電網沖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絡服務器因突然停電，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的開關電源分布式并聯運行，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

基于該現場的特點，并聯安裝一臺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采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于系統諧波電流。由于諧波電流本身的測量與計算比較復雜，況且在設計時往往很難采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為諧波系數，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，現場選用一臺100A的ANAPF有源濾波器進行諧波治理。

4.3 ANAPF有源濾波器投入前后對比

4.3.1未安裝ANAPF有源濾波器時LED屏控制開關柜進線側電能質量數據

未安裝有源濾波器時LED屏控制開關柜進線側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。

4.3.2 安裝有源濾波裝置后LED屏控制開關柜進線側電能質量數據

投入安裝ANAPF有源濾波器后LED屏控制開關柜進線側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，有利于電網和系統的安全穩定運行。 

5、ANAPF低壓有源濾波器的報價及主要元件清單

6、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，并通過實際應用案例，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是供電電能質量的手段之一，可將產生的諧波控制在zui小范圍內，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。

參考文獻:

［1］ 王可亮，瞿世尊，陳健．開關電源的設計［J］.電子元器件運用，2004 ，6 （3）:17-19.

［2］ 三相四線有源濾波器在上海世博會國家電網館LED顯示屏諧波治理中的應用.

［3］ 上海安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.

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