不同照明負(fù)荷對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

林順富，黃娜娜，朱明星

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.安徽大學(xué)教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽合肥 230601）

不同照明負(fù)荷對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

林順富1，黃娜娜1，朱明星2

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.安徽大學(xué)教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽合肥 230601）

測試分析并全面比較了相同光通量的白熾燈、緊湊型熒光燈（CFL）和LED燈在功率、諧波（包含超級諧波）等方面的電能質(zhì)量特性差異。同時(shí)基于測量結(jié)果，建立了仿真模型量化評估熒光燈和LED燈廣泛應(yīng)用對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響。測試仿真結(jié)果表明，CFL和LED燈的大量使用可能會(huì)使電壓總諧波畸變率超過限定值。

CFL；LED；電能質(zhì)量；非線性負(fù)荷

隨著電力電子技術(shù)在配電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題日益突顯。其中新能源接入對電網(wǎng)的影響備受關(guān)注[1-2]，但照明設(shè)備引起的電能質(zhì)量問題關(guān)注甚少。雖然照明設(shè)備單個(gè)容量較小，但其大量使用引起的電能質(zhì)量問題同樣不容忽視[3]。照明負(fù)荷約占總負(fù)荷的20%[4]，且隨著城市建設(shè)品質(zhì)的提高及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，照明負(fù)荷在城市總用電負(fù)荷中的比重仍在不斷提高。同時(shí)隨著社會(huì)節(jié)能意識(shí)的提高，緊湊型熒光燈（CFL）已取代傳統(tǒng)白熾燈成為主要的照明光源。與白熾燈不同，CFL燈是典型非線性負(fù)荷，會(huì)把從電網(wǎng)吸收的基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率并注入電網(wǎng)[5]，致使電網(wǎng)的諧波污染和低功率因數(shù)問題日益嚴(yán)重，影響供電質(zhì)量[6]。近年來，國外學(xué)者針對CFL產(chǎn)生的諧波問題進(jìn)行了大量研究[7-14]。文獻(xiàn)[7-10]指出，CFL的廣泛應(yīng)用會(huì)增加配電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率，如果系統(tǒng)在低次諧波發(fā)生諧振，影響會(huì)更加嚴(yán)重。其中一些研究建立了CFL的仿真模型，包括耦合導(dǎo)納矩陣模型[11-12]和詳細(xì)電路模型[13-14]。但國內(nèi)對其研究相對較少，文獻(xiàn)[15-16]測試分析了CFL的諧波電流頻譜。

LED燈具有體積小、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代主流照明光源。中國部分城市相繼出臺(tái)《推廣應(yīng)用半導(dǎo)體照明產(chǎn)品實(shí)施方案》，在公共場所逐步普及LED照明[17]。日本也計(jì)劃在2020年以后禁止生產(chǎn)和進(jìn)口白熾燈和熒光燈，改為普及LED燈[18]。LED燈也是非線性負(fù)荷。文獻(xiàn)[19]測試分析了單個(gè)LED燈的電流波形及頻譜。

當(dāng)前針對LED燈諧波問題的研究相對較少，且主要針對單一類型照明光源諧波發(fā)射特性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[20-26]對不同照明光源進(jìn)行了簡單對比，但并未橫向比較同等光通量的CFL、LED燈和白熾燈3種照明光源的廣泛應(yīng)用對配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的差異。再者當(dāng)前研究僅限于低頻諧波，未考慮超級諧波的發(fā)射特性。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的低頻諧波減少，但高于2 kHz的超級諧波逐漸增加[27]。這類諧波大量引入現(xiàn)代低壓電網(wǎng)，引發(fā)不少電能質(zhì)量新問題，但我國尚未開展相關(guān)研究[28]。

本文從3種光源的典型電路結(jié)構(gòu)出發(fā)，測試分析了相同光通量CFL、LED燈和白熾燈電能質(zhì)量發(fā)射特性的具體差異，包括有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波（包含超級諧波）等指標(biāo)，并建立仿真模型，以量化評估相同光通量白熾燈、CFL和LED燈的廣泛應(yīng)用對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

1 典型電路結(jié)構(gòu)與諧波產(chǎn)生機(jī)理

1.1 典型電路結(jié)構(gòu)

白熾燈由電流通過燈絲加熱至白熾狀態(tài)產(chǎn)生光。與白熾燈不同，CFL和LED燈都含有電子鎮(zhèn)流器，其典型電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，CFL和LED燈都是電容濾波的單相橋式不控整流負(fù)荷。二者的區(qū)別在于，CFL通過高頻逆變器及高頻變壓器得到高頻高壓供電，而LED燈通過恒流驅(qū)動(dòng)器得到恒流供電。CFL通電后，燈絲上的電子粉發(fā)射電子產(chǎn)生電離發(fā)出紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光。而LED燈是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，通電后LED燈內(nèi)的載流子不斷移動(dòng)，直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。

圖1 CFL和LED燈的典型電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical circuit diagrams of the CFL and LED lamp

1.2 低次諧波與超級諧波的產(chǎn)生

CFL和LED燈是典型單相橋式整流電容濾波負(fù)荷。當(dāng)電源電壓高于直流側(cè)電容電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源向電容充電；當(dāng)電源電壓低于直流側(cè)電容電壓時(shí)，二極管截止，電容向負(fù)荷側(cè)放電。交流側(cè)電流i的波形關(guān)于原點(diǎn)對稱，因此其中不含偶次諧波分量，對電流i進(jìn)行傅里葉分解得：

由圖1可得，CFL和LED燈濾波電容后包含高頻逆變器和斬波器，其開關(guān)頻率在幾kHz至幾百kHz不等，由此向低壓電網(wǎng)中引入了超級諧波。

對白熾燈、CFL和LED燈的電路結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理綜合分析，得到3種照明光源的典型特性差異，如表1所示。

表1 白熾燈、CFL和LED燈特性對比Tab.1 Characteristics comparison of the incandescent，CFL and LED lamps

2 低次諧波實(shí)測與分析

基于LabVIEW配電網(wǎng)諧波在線監(jiān)測系統(tǒng)，對相同光通量的白熾燈、CFL和LED燈進(jìn)行測試，比較其電能質(zhì)量特性差異[29]。

2.1 電流特性對比

圖2是白熾燈、CFL及LED燈的電流波形。可以看出，白熾燈電流波形近似為正弦波，CFL與LED燈電流波形為脈沖形態(tài)，畸變嚴(yán)重。

提取各電流波形的均方根值、幅值及波峰系數(shù)來反應(yīng)三者之間電流波形的差異，其計(jì)算公式如下。

三者的電流曲線特征值如表2所示。波峰系數(shù)越接近1.414，波形越接近正弦波。由表2看出，CFL的電流波形較LED畸變嚴(yán)重。

圖2 白熾燈、CFL和LED燈的實(shí)測電流波形Fig.2 Measured current waveforms of the incandescent，CFL and LED lamps

表2 白熾燈、CFL和LED燈電流曲線特征值Tab.2 The current curve eigenvalues of the Incandescent，CFL and LED lamps

圖3（a）和圖3（b）分別是白熾燈、CFL和LED燈的電流諧波頻譜和諧波電流含有率圖。可以看出，白熾燈電流含有少量諧波成分，其總諧波電流畸變率約為4.66%。白熾燈電流畸變的原因：一是電網(wǎng)背景諧波的影響；二是燈絲隨著溫度升高電阻發(fā)生變化。CFL與LED燈電流含有豐富的諧波成分，主要是3、5、7、9等奇次諧波。CFL的電流諧波含量明顯高于LED燈，兩者的ITHD分別為118.58%和67.39%。

圖4是3種照明光源各次諧波電流的相位分布圖，以各次諧波電壓相位為參考相位。可以看出，CFL和LED燈的基波電流相位分別超前于基波電壓相位30°和60°，阻抗特性表現(xiàn)為容性。7、11、13次諧波電流相位三者差異不大，其他各次諧波電流相位差異較大。白熾燈各次諧波電流相位均與諧波電壓一致，由此也可確定白熾燈的諧波含量確由背景諧波電壓引起的。CFL和LED燈的各次諧波電流相位超前或滯后電壓相位，各次諧波阻抗特性不同。

圖3 白熾燈、CFL和LED燈的實(shí)測電流頻譜Fig.3 Measured current spectrum of the incandescent，CFL and LED lamps

圖4 白熾燈、CFL和LED燈的各次諧波電流相位Fig.4 Measured harmonic current phase of the incandescent，CFL and LED lamps

2.2 功率特性對比

表3給出3種照明光源的功率計(jì)算結(jié)果。由表3可知，在相同光通量的情況下，白熾燈的有功功率約為CFL燈的6倍、LED燈的10倍。CFL和LED燈的無功功率為負(fù)值，數(shù)值大致相同。這與圖4得出的結(jié)論相一致，即CFL和LED為容性負(fù)荷，發(fā)出無功功率。白熾燈功率因數(shù)近似為1。CFL和LED燈的功率因數(shù)較低，前者小于0.6，后者小于0.4。

表3 3種測試照明光源的功率參數(shù)Tab.3 Power parameters of three tested lamps

圖5為3種照明光源的諧波有功功率曲線。由圖5看出，白熾燈和LED燈的諧波有功功率（Ph）為正值，諧波有功的潮流由系統(tǒng)流向負(fù)荷，流向LED燈的諧波有功功率要高于白熾燈。而CFL的Ph為負(fù)值，諧波有功的潮流由負(fù)荷流向系統(tǒng)。白熾燈、CFL和LED燈的諧波有功功率分別約占其有功功率的0.12%、0.10%和2.46%。

圖5 白熾燈、CFL和LED燈的諧波有功功率Fig.5 Harmonic active power of the incandescent，CFL and LED lamps

由圖4中3種照明光源的諧波電流相位圖，可以看出諧波有功功率方向特性。若諧波電流相位分布在1、4象限，可以認(rèn)為諧波有功潮流由系統(tǒng)流向負(fù)荷；若在2、3象限，則諧波有功潮流由負(fù)荷流向系統(tǒng)。白熾燈各次諧波有功潮流均由系統(tǒng)流向白熾燈。CFL的3、5次諧波有功功率流入配電系統(tǒng)；其余各次諧波有功潮流由系統(tǒng)流向CFL；而LED燈除了9、15次之外，其他各次諧波有功潮流均由系統(tǒng)流向LED，這與圖5中總諧波有功潮流方向是相一致的。

3 超級諧波實(shí)測與分析

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)頻率的提高，電子設(shè)備的低次諧波減少，但高次諧波增加，由其產(chǎn)生的干擾問題也在上升。目前，世界對超級諧波的認(rèn)知有限，關(guān)于超級諧波的標(biāo)準(zhǔn)尚不完整，各國際組織紛紛開始關(guān)注超級諧波問題，但國內(nèi)尚未展開研究，因此對超級諧波的關(guān)注是必要的。而節(jié)能燈又是低壓配電網(wǎng)主要的超級諧波源之一，本文對其超級諧波特性進(jìn)行了測量和分析。

超級諧波的頻率范圍為2～150 kHz，超級諧波的擴(kuò)散不同于普通諧波發(fā)射，其包含原生發(fā)射和次生發(fā)射。原生發(fā)射指裝置單獨(dú)引起的發(fā)射；次生發(fā)射指受其他裝置的影響后引起的發(fā)射。同時(shí)，超級諧波只在室內(nèi)設(shè)備之間傳遞，并不進(jìn)入電網(wǎng)[27]。

準(zhǔn)確測量頻率范圍為2～150 kHz的諧波電流是研究其特性的基礎(chǔ)。目前，標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-7和IEC 61000-4-30 Ed.3分別規(guī)定了其測量方法。2種測量方法各有優(yōu)勢，但后者在分析低失真波形時(shí)缺乏準(zhǔn)確性，前者更穩(wěn)定且有更好的信噪比[19]。因此本文根據(jù)IEC 61000-4-7進(jìn)行測量分析。

標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-7定義了高次諧波的計(jì)算方法。為了準(zhǔn)確分析高頻諧波的頻譜，需先對原始信號(hào)進(jìn)行低頻濾波。之后對10個(gè)周期的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變化，得到離散頻譜Y1f，其頻譜分辨率為5 Hz。再把頻譜Y1f聚合成中心頻率為a，分辨率為200 Hz的頻譜Y2a，計(jì)算公式如下：

為了準(zhǔn)確分析高次諧波的發(fā)射特性，需要設(shè)計(jì)合適的高通濾波器。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，高通濾波器的基波衰減應(yīng)超過55 dB。通常采用巴特沃斯濾波器，但其在低頻的幅值誤差較大，在2 kHz誤差為12.5%，在4 kHz為1%，這限制了其在4 kHz以下頻率的應(yīng)用。橢圓濾波器能明顯提高基波和低頻諧波的衰減程度。通帶最大衰減為3 dB的巴特沃思濾波器在2 kHz有-12%的幅值誤差，而橢圓濾波器在2～150 kHz誤差小于0.5%[27]：因此本文采用橢圓濾波器以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為避免電網(wǎng)中其他設(shè)備引起的次生發(fā)射，分別將CFL和LED燈單獨(dú)接入可編程電源，進(jìn)行測試，研究其原生發(fā)射特性。3種光源發(fā)射的超級諧波幅值圖6所示。由圖6可知，兩者在30～50 kHz之間的諧波電流幅值較大，且都在32 kHz時(shí)出現(xiàn)一峰值，其中CFL的幅值要高于LED。LED燈在其他頻段的諧波電流幅值分布均勻，大小在0.002 A左右。CFL在86 kHz附近出現(xiàn)又一高峰，諧波電流幅值達(dá)到0.045 A。

圖6 CFL與LED燈的超級諧波頻譜圖Fig.6 Superharmonic spectrum of the incandescent，CFL and LED lamps

4 仿真與分析

4.1 單個(gè)光源模型

為了評估CFL和LED燈廣泛使用的影響，需建立精確的仿真模型。CFL和LED燈都是電容濾波單相整流不可控電路結(jié)構(gòu)，可由通用單相整流橋等效電路模型表示[19]?；跍y量結(jié)果，建立了CFL和LED燈的等效電路模型，如圖7所示。C1為EMI濾波電容，C2平滑直流側(cè)電壓，C2之外的直流側(cè)電路由等效電阻表示。

圖7 CFL與LED燈的仿真模型Fig.7 Simulation model of the CFL and LED lamps

將仿真模型得到的電流波形及其頻譜與實(shí)測值作比較，如圖8所示。由圖8看出，模型仿真值與實(shí)測值有良好的一致性。

4.2 配電系統(tǒng)仿真

4.2.1 配電系統(tǒng)模型

我國典型低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。采用10 kV進(jìn)線，經(jīng)10 kV/0.4 kV電壓等級的配電變壓器為用戶供電。變壓器的聯(lián)結(jié)方式為Dyn11，中性點(diǎn)直接接地。變壓器的額定容量為800 kV·A，短路阻抗4.5%，空載電流0.8%，空載損耗1.4 kW，短路損耗7.5 kW[30]。

圖8 CFL與LED燈仿真與實(shí)測電流頻譜對比Fig.8 Current spectrum of the testing current and the simulated current of the CFL and LED lamps

圖9 低壓配電系統(tǒng)仿真示意圖Fig.9 Simulation diagram of low voltage distribution system

4.2.2 電能質(zhì)量分析

將不同數(shù)量的CFL和LED燈分別接入低壓側(cè)a相，觀察不同數(shù)量CFL和LED燈同時(shí)接入的諧波電流情況。隨著CFL和LED燈數(shù)量的增加，配電網(wǎng)的各次諧波電流有效值的增長趨勢，如圖10所示。由圖10看出，CFL和LED燈的3次諧波電流有效值都等比例增長，而其他各次諧波增長比例各不相同，CFL的較高次諧波增速逐漸降低，而LED燈的較高次諧波增速變大。這是由于CFL和LED燈的電流畸變引起了配電網(wǎng)電壓畸變，而畸變電壓又對諧波電流產(chǎn)生了衰減（放大）效應(yīng)。

分別將800盞相同光通量的白熾燈、CFL和LED燈接入配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，研究其電能質(zhì)量影響差異。圖11顯示了3種照明光源分別使用情況下公共連接點(diǎn)處（PCC）的諧波電流頻譜。由圖11看出，CFL的低次諧波高于LED燈，而高次諧波低于LED燈。

圖10 不同數(shù)量的CFL和LED燈的諧波電流有效值Fig.10 RMS of the harmonic current of the CFL and LED lamps

圖11 白熾燈、CFL和LED燈的仿真電流頻譜Fig.11 Simulation current spectrum of the incandescent，CFL and LED lamps

表4給出了800只CFL和LED燈使用時(shí)產(chǎn)生的各次諧波電流有效值?？梢钥闯觯珻FL和LED燈的基波電流有效值大致相等；CFL和LED燈的3次諧波電流含量最高，有效值分別達(dá)到20.489 A和8.724 A。

表4 800只CFL和LED燈的諧波電流有效值Tab.4 RMS of eight hundreds of CFLs and LED lamps

表5顯示了3種照明光源分別使用時(shí)的電能質(zhì)量特性參數(shù)?？芍谙嗤馔壳闆r下：1）當(dāng)CFL代替白熾燈時(shí)，吸收的有功功率降低21.662 kW，發(fā)出的無功功率增加9.979 kV·A，功率因數(shù)由1降低至0.576，引起的電壓總諧波畸變率達(dá)到6.756%；2）當(dāng)LED燈取代CFL時(shí)，吸收的有功功率降低3.497 kW，發(fā)出的無功功率降低0.203 kV·A，功率因數(shù)減小0.237，產(chǎn)生的電壓總諧波畸變率減少1.928%；3） CFL和LED的大量使用引起的VTHD分別為6.756%和4.828%，其中CFL超出5%的限定值，而LED燈非常接近5%。

表5 不同光源的電能質(zhì)量特性參數(shù)Tab.5 Power parameters of different lamps

5 結(jié)論

本文對相同光通量的白熾燈、CFL和LED燈進(jìn)行了測試分析，并建立仿真模型研究了同等光通量情況下大量CFL燈和LED燈代替白熾燈對配電網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量影響，得出以下結(jié)論：

1）CFL燈和LED燈均為容性負(fù)荷，向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。相同光通量下，諧波有功潮流由CFL流向系統(tǒng)，而對于白熾燈和LED燈，是由系統(tǒng)流向負(fù)荷。

2）CFL和LED諧波電流的疊加是非線性的，各次諧波的增長比例不同。隨著燈數(shù)的增長，兩者的3次諧波電流線性增加，但CFL燈的高次諧波電流增速下降，而LED燈的高次諧波電流增速上升。

3）大量CFL替代白熾燈，會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，使得電壓總諧波畸變率超過5%的限定值；LED燈廣泛使用也會(huì)使低壓側(cè)VTHD接近限定值。

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Influence of Different Lighting Loads on Power Quality of the Distribution System

LIN Shunfu1，HUANG Nana1，ZHU Mingxing2
（1.College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.Ministry of Education Power Quality Engineering Research Center，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China）

This paper measures and analyzes the power quality emission characteristics of the incandescent，CFL and LED lights with the same luminous flux，including the power，normal harmonics，super harmonics and other indices.Additionally，a simulation model is developed based on the measurements to quantify the power quality impact the widespread adoption of CFL and LED lamps has on distribution systems.The results have proved that the considerable application of CFL and LED lights may result in VTHD surpassing the limit.

CFL；LED；power quality；nonlinear loads

2016-09-09。

林順富（1983—），男，博士，教授，從事電能質(zhì)量及智能電網(wǎng)用戶端技術(shù)研究；

（編輯 馮露）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51207088）；國網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SGRI-DL-71-14-004）；上海市科委科創(chuàng)項(xiàng)目（14DZ1201602）；上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心（13DZ2251900）。

Project Supported by the National Science Foundation of China（51207088）；State Grid Corporation Science and Technology Program（SGRI-DL-71-14-004）；Science and Technology Commission of Shanghai（14DZ1201602）；Green Energy Grid Engineering Technology Research Center of Shanghai（13DZ2251900）.

1674-3814（2017）03-0001-07

TM71

A

黃娜娜（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量。