不同照明负荷对配电网电能质量的影响

林顺富，黄娜娜，朱明星

（1.上海电力学院电气工程学院，上海 200090；2.安徽大学教育部电能质量工程研究中心，安徽合肥 230601）

不同照明负荷对配电网电能质量的影响

林顺富1，黄娜娜1，朱明星2

（1.上海电力学院电气工程学院，上海 200090；2.安徽大学教育部电能质量工程研究中心，安徽合肥 230601）

测试分析并全面比较了相同光通量的白炽灯、紧凑型荧光灯（CFL）和LED灯在功率、谐波（包含超级谐波）等方面的电能质量特性差异。同时基于测量结果，建立了仿真模型量化评估荧光灯和LED灯广泛应用对配电网的电能质量影响。测试仿真结果表明，CFL和LED灯的大量使用可能会使电压总谐波畸变率超过限定值。

CFL；LED；电能质量；非线性负荷

随着电力电子技术在配电网中的广泛应用，电力系统的电能质量问题日益突显。其中新能源接入对电网的影响备受关注[1-2]，但照明设备引起的电能质量问题关注甚少。虽然照明设备单个容量较小，但其大量使用引起的电能质量问题同样不容忽视[3]。照明负荷约占总负荷的20%[4]，且随着城市建设品质的提高及经济社会的发展，照明负荷在城市总用电负荷中的比重仍在不断提高。同时随着社会节能意识的提高，紧凑型荧光灯（CFL）已取代传统白炽灯成为主要的照明光源。与白炽灯不同，CFL灯是典型非线性负荷，会把从电网吸收的基波功率转化为谐波功率并注入电网[5]，致使电网的谐波污染和低功率因数问题日益严重，影响供电质量[6]。近年来，国外学者针对CFL产生的谐波问题进行了大量研究[7-14]。文献[7-10]指出，CFL的广泛应用会增加配电网的电压总谐波畸变率，如果系统在低次谐波发生谐振，影响会更加严重。其中一些研究建立了CFL的仿真模型，包括耦合导纳矩阵模型[11-12]和详细电路模型[13-14]。但国内对其研究相对较少，文献[15-16]测试分析了CFL的谐波电流频谱。

LED灯具有体积小、低功耗等优点，有望成为新一代主流照明光源。中国部分城市相继出台《推广应用半导体照明产品实施方案》，在公共场所逐步普及LED照明[17]。日本也计划在2020年以后禁止生产和进口白炽灯和荧光灯，改为普及LED灯[18]。LED灯也是非线性负荷。文献[19]测试分析了单个LED灯的电流波形及频谱。

当前针对LED灯谐波问题的研究相对较少，且主要针对单一类型照明光源谐波发射特性进行研究。文献[20-26]对不同照明光源进行了简单对比，但并未横向比较同等光通量的CFL、LED灯和白炽灯3种照明光源的广泛应用对配电网电能质量影响的差异。再者当前研究仅限于低频谐波，未考虑超级谐波的发射特性。随着电力技术的发展，电力电子装置的低频谐波减少，但高于2 kHz的超级谐波逐渐增加[27]。这类谐波大量引入现代低压电网，引发不少电能质量新问题，但我国尚未开展相关研究[28]。

本文从3种光源的典型电路结构出发，测试分析了相同光通量CFL、LED灯和白炽灯电能质量发射特性的具体差异，包括有功功率、无功功率、功率因数、谐波（包含超级谐波）等指标，并建立仿真模型，以量化评估相同光通量白炽灯、CFL和LED灯的广泛应用对配电网电能质量的影响。

1 典型电路结构与谐波产生机理

1.1 典型电路结构

白炽灯由电流通过灯丝加热至白炽状态产生光。与白炽灯不同，CFL和LED灯都含有电子镇流器，其典型电路结构如图1所示。由图1可知，CFL和LED灯都是电容滤波的单相桥式不控整流负荷。二者的区别在于，CFL通过高频逆变器及高频变压器得到高频高压供电，而LED灯通过恒流驱动器得到恒流供电。CFL通电后，灯丝上的电子粉发射电子产生电离发出紫外线，紫外线激发荧光粉发光。而LED灯是一种固态的半导体器件，通电后LED灯内的载流子不断移动，直接把电能转化为光能。

图1 CFL和LED灯的典型电路结构图Fig.1 Typical circuit diagrams of the CFL and LED lamp

1.2 低次谐波与超级谐波的产生

CFL和LED灯是典型单相桥式整流电容滤波负荷。当电源电压高于直流侧电容电压时，二极管导通，电源向电容充电；当电源电压低于直流侧电容电压时，二极管截止，电容向负荷侧放电。交流侧电流i的波形关于原点对称，因此其中不含偶次谐波分量，对电流i进行傅里叶分解得：

由图1可得，CFL和LED灯滤波电容后包含高频逆变器和斩波器，其开关频率在几kHz至几百kHz不等，由此向低压电网中引入了超级谐波。

对白炽灯、CFL和LED灯的电路结构及发光原理综合分析，得到3种照明光源的典型特性差异，如表1所示。

表1 白炽灯、CFL和LED灯特性对比Tab.1 Characteristics comparison of the incandescent，CFL and LED lamps

2 低次谐波实测与分析

基于LabVIEW配电网谐波在线监测系统，对相同光通量的白炽灯、CFL和LED灯进行测试，比较其电能质量特性差异[29]。

2.1 电流特性对比

图2是白炽灯、CFL及LED灯的电流波形。可以看出，白炽灯电流波形近似为正弦波，CFL与LED灯电流波形为脉冲形态，畸变严重。

提取各电流波形的均方根值、幅值及波峰系数来反应三者之间电流波形的差异，其计算公式如下。

三者的电流曲线特征值如表2所示。波峰系数越接近1.414，波形越接近正弦波。由表2看出，CFL的电流波形较LED畸变严重。

图2 白炽灯、CFL和LED灯的实测电流波形Fig.2 Measured current waveforms of the incandescent，CFL and LED lamps

表2 白炽灯、CFL和LED灯电流曲线特征值Tab.2 The current curve eigenvalues of the Incandescent，CFL and LED lamps

图3（a）和图3（b）分别是白炽灯、CFL和LED灯的电流谐波频谱和谐波电流含有率图。可以看出，白炽灯电流含有少量谐波成分，其总谐波电流畸变率约为4.66%。白炽灯电流畸变的原因：一是电网背景谐波的影响；二是灯丝随着温度升高电阻发生变化。CFL与LED灯电流含有丰富的谐波成分，主要是3、5、7、9等奇次谐波。CFL的电流谐波含量明显高于LED灯，两者的ITHD分别为118.58%和67.39%。

图4是3种照明光源各次谐波电流的相位分布图，以各次谐波电压相位为参考相位。可以看出，CFL和LED灯的基波电流相位分别超前于基波电压相位30°和60°，阻抗特性表现为容性。7、11、13次谐波电流相位三者差异不大，其他各次谐波电流相位差异较大。白炽灯各次谐波电流相位均与谐波电压一致，由此也可确定白炽灯的谐波含量确由背景谐波电压引起的。CFL和LED灯的各次谐波电流相位超前或滞后电压相位，各次谐波阻抗特性不同。

图3 白炽灯、CFL和LED灯的实测电流频谱Fig.3 Measured current spectrum of the incandescent，CFL and LED lamps

图4 白炽灯、CFL和LED灯的各次谐波电流相位Fig.4 Measured harmonic current phase of the incandescent，CFL and LED lamps

2.2 功率特性对比

表3给出3种照明光源的功率计算结果。由表3可知，在相同光通量的情况下，白炽灯的有功功率约为CFL灯的6倍、LED灯的10倍。CFL和LED灯的无功功率为负值，数值大致相同。这与图4得出的结论相一致，即CFL和LED为容性负荷，发出无功功率。白炽灯功率因数近似为1。CFL和LED灯的功率因数较低，前者小于0.6，后者小于0.4。

表3 3种测试照明光源的功率参数Tab.3 Power parameters of three tested lamps

图5为3种照明光源的谐波有功功率曲线。由图5看出，白炽灯和LED灯的谐波有功功率（Ph）为正值，谐波有功的潮流由系统流向负荷，流向LED灯的谐波有功功率要高于白炽灯。而CFL的Ph为负值，谐波有功的潮流由负荷流向系统。白炽灯、CFL和LED灯的谐波有功功率分别约占其有功功率的0.12%、0.10%和2.46%。

图5 白炽灯、CFL和LED灯的谐波有功功率Fig.5 Harmonic active power of the incandescent，CFL and LED lamps

由图4中3种照明光源的谐波电流相位图，可以看出谐波有功功率方向特性。若谐波电流相位分布在1、4象限，可以认为谐波有功潮流由系统流向负荷；若在2、3象限，则谐波有功潮流由负荷流向系统。白炽灯各次谐波有功潮流均由系统流向白炽灯。CFL的3、5次谐波有功功率流入配电系统；其余各次谐波有功潮流由系统流向CFL；而LED灯除了9、15次之外，其他各次谐波有功潮流均由系统流向LED，这与图5中总谐波有功潮流方向是相一致的。

3 超级谐波实测与分析

随着电力电子技术的发展，开关频率的提高，电子设备的低次谐波减少，但高次谐波增加，由其产生的干扰问题也在上升。目前，世界对超级谐波的认知有限，关于超级谐波的标准尚不完整，各国际组织纷纷开始关注超级谐波问题，但国内尚未展开研究，因此对超级谐波的关注是必要的。而节能灯又是低压配电网主要的超级谐波源之一，本文对其超级谐波特性进行了测量和分析。

超级谐波的频率范围为2～150 kHz，超级谐波的扩散不同于普通谐波发射，其包含原生发射和次生发射。原生发射指装置单独引起的发射；次生发射指受其他装置的影响后引起的发射。同时，超级谐波只在室内设备之间传递，并不进入电网[27]。

准确测量频率范围为2～150 kHz的谐波电流是研究其特性的基础。目前，标准IEC 61000-4-7和IEC 61000-4-30 Ed.3分别规定了其测量方法。2种测量方法各有优势，但后者在分析低失真波形时缺乏准确性，前者更稳定且有更好的信噪比[19]。因此本文根据IEC 61000-4-7进行测量分析。

标准IEC 61000-4-7定义了高次谐波的计算方法。为了准确分析高频谐波的频谱，需先对原始信号进行低频滤波。之后对10个周期的连续信号进行离散傅里叶变化，得到离散频谱Y1f，其频谱分辨率为5 Hz。再把频谱Y1f聚合成中心频率为a，分辨率为200 Hz的频谱Y2a，计算公式如下：

为了准确分析高次谐波的发射特性，需要设计合适的高通滤波器。标准规定，高通滤波器的基波衰减应超过55 dB。通常采用巴特沃斯滤波器，但其在低频的幅值误差较大，在2 kHz误差为12.5%，在4 kHz为1%，这限制了其在4 kHz以下频率的应用。椭圆滤波器能明显提高基波和低频谐波的衰减程度。通带最大衰减为3 dB的巴特沃思滤波器在2 kHz有-12%的幅值误差，而椭圆滤波器在2～150 kHz误差小于0.5%[27]：因此本文采用椭圆滤波器以保证分析结果的准确性。

为避免电网中其他设备引起的次生发射，分别将CFL和LED灯单独接入可编程电源，进行测试，研究其原生发射特性。3种光源发射的超级谐波幅值图6所示。由图6可知，两者在30～50 kHz之间的谐波电流幅值较大，且都在32 kHz时出现一峰值，其中CFL的幅值要高于LED。LED灯在其他频段的谐波电流幅值分布均匀，大小在0.002 A左右。CFL在86 kHz附近出现又一高峰，谐波电流幅值达到0.045 A。

图6 CFL与LED灯的超级谐波频谱图Fig.6 Superharmonic spectrum of the incandescent，CFL and LED lamps

4 仿真与分析

4.1 单个光源模型

为了评估CFL和LED灯广泛使用的影响，需建立精确的仿真模型。CFL和LED灯都是电容滤波单相整流不可控电路结构，可由通用单相整流桥等效电路模型表示[19]。基于测量结果，建立了CFL和LED灯的等效电路模型，如图7所示。C1为EMI滤波电容，C2平滑直流侧电压，C2之外的直流侧电路由等效电阻表示。

图7 CFL与LED灯的仿真模型Fig.7 Simulation model of the CFL and LED lamps

将仿真模型得到的电流波形及其频谱与实测值作比较，如图8所示。由图8看出，模型仿真值与实测值有良好的一致性。

4.2 配电系统仿真

4.2.1 配电系统模型

我国典型低压配电系统结构如图9所示。采用10 kV进线，经10 kV/0.4 kV电压等级的配电变压器为用户供电。变压器的联结方式为Dyn11，中性点直接接地。变压器的额定容量为800 kV·A，短路阻抗4.5%，空载电流0.8%，空载损耗1.4 kW，短路损耗7.5 kW[30]。

图8 CFL与LED灯仿真与实测电流频谱对比Fig.8 Current spectrum of the testing current and the simulated current of the CFL and LED lamps

图9 低压配电系统仿真示意图Fig.9 Simulation diagram of low voltage distribution system

4.2.2 电能质量分析

将不同数量的CFL和LED灯分别接入低压侧a相，观察不同数量CFL和LED灯同时接入的谐波电流情况。随着CFL和LED灯数量的增加，配电网的各次谐波电流有效值的增长趋势，如图10所示。由图10看出，CFL和LED灯的3次谐波电流有效值都等比例增长，而其他各次谐波增长比例各不相同，CFL的较高次谐波增速逐渐降低，而LED灯的较高次谐波增速变大。这是由于CFL和LED灯的电流畸变引起了配电网电压畸变，而畸变电压又对谐波电流产生了衰减（放大）效应。

分别将800盏相同光通量的白炽灯、CFL和LED灯接入配电网进行仿真，研究其电能质量影响差异。图11显示了3种照明光源分别使用情况下公共连接点处（PCC）的谐波电流频谱。由图11看出，CFL的低次谐波高于LED灯，而高次谐波低于LED灯。

图10 不同数量的CFL和LED灯的谐波电流有效值Fig.10 RMS of the harmonic current of the CFL and LED lamps

图11 白炽灯、CFL和LED灯的仿真电流频谱Fig.11 Simulation current spectrum of the incandescent，CFL and LED lamps

表4给出了800只CFL和LED灯使用时产生的各次谐波电流有效值。可以看出，CFL和LED灯的基波电流有效值大致相等；CFL和LED灯的3次谐波电流含量最高，有效值分别达到20.489 A和8.724 A。

表4 800只CFL和LED灯的谐波电流有效值Tab.4 RMS of eight hundreds of CFLs and LED lamps

表5显示了3种照明光源分别使用时的电能质量特性参数。可知，在相同光通量情况下：1）当CFL代替白炽灯时，吸收的有功功率降低21.662 kW，发出的无功功率增加9.979 kV·A，功率因数由1降低至0.576，引起的电压总谐波畸变率达到6.756%；2）当LED灯取代CFL时，吸收的有功功率降低3.497 kW，发出的无功功率降低0.203 kV·A，功率因数减小0.237，产生的电压总谐波畸变率减少1.928%；3） CFL和LED的大量使用引起的VTHD分别为6.756%和4.828%，其中CFL超出5%的限定值，而LED灯非常接近5%。

表5 不同光源的电能质量特性参数Tab.5 Power parameters of different lamps

5 结论

本文对相同光通量的白炽灯、CFL和LED灯进行了测试分析，并建立仿真模型研究了同等光通量情况下大量CFL灯和LED灯代替白炽灯对配电网产生的电能质量影响，得出以下结论：

1）CFL灯和LED灯均为容性负荷，向电网发出无功功率。相同光通量下，谐波有功潮流由CFL流向系统，而对于白炽灯和LED灯，是由系统流向负荷。

2）CFL和LED谐波电流的叠加是非线性的，各次谐波的增长比例不同。随着灯数的增长，两者的3次谐波电流线性增加，但CFL灯的高次谐波电流增速下降，而LED灯的高次谐波电流增速上升。

3）大量CFL替代白炽灯，会产生较大的谐波电流，使得电压总谐波畸变率超过5%的限定值；LED灯广泛使用也会使低压侧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。

林顺富（1983—），男，博士，教授，从事电能质量及智能电网用户端技术研究；

（编辑 冯露）

国家自然科学基金项目（51207088）；国网公司科技项目（SGRI-DL-71-14-004）；上海市科委科创项目（14DZ1201602）；上海绿色能源并网工程技术研究中心（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

黄娜娜（1992—），女，硕士研究生，研究方向为电能质量。