雍 靜 晏小龍 曾禮強(qiáng)

電壓間諧波對(duì)緊湊型熒光燈光閃變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

雍 靜 晏小龍 曾禮強(qiáng)

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030）

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì) IEC閃變儀模型中的加權(quán)濾波器進(jìn)行分解，提出閃變儀的分解模型，該模型可直接導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)獲得的光通量信號(hào)以進(jìn)行光閃變強(qiáng)度Pst計(jì)算，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的可行性和有效性；設(shè)計(jì)并建立了實(shí)驗(yàn)裝置，利用高準(zhǔn)確度照度計(jì)采集緊湊型熒光燈在含有特定間諧波頻率和幅值的電壓下的光通量輸出，使用閃變儀分解模型，對(duì)其在間諧波電壓下的光閃變效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了緊湊型熒光燈在不同間諧波頻率和含量下的光閃變強(qiáng)度 Pst，并據(jù)此提出了針對(duì)緊湊型熒光燈光閃變的間諧波限制曲線。

間諧波 閃變儀 光通量 閃變 間諧波限制曲線

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，大量諧波、間諧波給電力系統(tǒng)帶來(lái)諸多電能質(zhì)量問(wèn)題。其中，變頻調(diào)速設(shè)備的大量使用使間諧波問(wèn)題越來(lái)越受到重視[1-2]。間諧波會(huì)帶來(lái)電壓波動(dòng)，形成電壓閃變效應(yīng)[3-4]，引起照明光源光通量波動(dòng)，導(dǎo)致光閃變效應(yīng)[5-7]。迄今為止，學(xué)者們對(duì)含間諧波電壓的波動(dòng)特征[8]，間諧波閃變效應(yīng)的計(jì)算與評(píng)估[9-10]等進(jìn)行了研究，取得一定成果。

目前國(guó)際上較通行的光閃變研究及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是IEC閃變儀，它基于調(diào)幅電壓對(duì)白熾燈的閃變效應(yīng)設(shè)計(jì)[11]，但對(duì)于評(píng)價(jià)間諧波給熒光燈造成的閃變效應(yīng)具有很大的局限性[12-15]。一方面，相比于調(diào)幅電壓波動(dòng)，間諧波的出現(xiàn)越來(lái)越廣泛，而 IEC閃變儀無(wú)法對(duì)高頻間諧波引起的閃變效應(yīng)作準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[12-13,19-21]；另一方面，IEC 閃變儀中的濾波器是以白熾燈作為評(píng)價(jià)對(duì)象設(shè)計(jì)，調(diào)幅電壓波動(dòng)限制值也是針對(duì)白熾燈得出，熒光燈與白熾燈工作原理不同，閃變機(jī)理也不同，因此IEC閃變儀以及相關(guān)閃變限制值對(duì)間諧波導(dǎo)致的熒光燈閃變不再適用[14-15]。有必要對(duì)熒光燈在間諧波下的光閃變效應(yīng)進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[15-18]對(duì)于熒光燈光閃變效應(yīng)進(jìn)行了初步的理論研究，但由于熒光燈工作過(guò)程的復(fù)雜性，電路的非線性和多樣性等因素，尚未形成基本的理論研究成果[22]，關(guān)于間諧波條件下的熒光燈閃變實(shí)驗(yàn)研究也較少，缺乏熒光燈閃變的間諧波兼容水平。

緊湊型熒光燈是目前用于替代白熾燈的一種熒光燈型，使用范圍廣泛。本文針對(duì)緊湊型熒光燈進(jìn)行光閃變實(shí)驗(yàn)研究，以期獲得針對(duì)其光閃變的間諧波限制曲線。主要方法是：對(duì)IEC閃變儀模型進(jìn)行分解，提出能將光通量信號(hào)直接導(dǎo)入的閃變儀分解模型，該分解模型保留了IEC閃變儀分析人眼和大腦對(duì)于光通量波動(dòng)效應(yīng)的部分，利用其進(jìn)行光閃變強(qiáng)度計(jì)算；采集不同的間諧波電壓條件下的熒光燈光通量信號(hào)，利用分解模型計(jì)算其短時(shí)光閃變強(qiáng)度Pst，獲得 Pst=1時(shí)的間諧波含量限制值，提出間諧波閃變限制曲線。這種方法可以推廣到其他光源，并獲得相應(yīng)的間諧波限制曲線，可為制訂電力系統(tǒng)間諧波限制標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

2 IEC閃變儀原理及分解模型

2.1 IEC閃變儀的原理

IEC閃變儀由五個(gè)模塊組成[11]。如圖 1所示。圖中，模塊 1為采集電壓信號(hào) v(t)，并將其作歸一化處理，得到電壓標(biāo)幺化信號(hào) v0(t)。模塊 2為對(duì)歸一化電壓信號(hào)作平方處理得 v02(t)，得到電壓的波動(dòng)狀況。模塊3為加權(quán)濾波環(huán)節(jié)，由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波模塊組成：模塊3-1和模塊3-2。模塊3-1為帶通濾波器（0.05～35/42Hz）。對(duì)模塊 2輸出的電壓平方信號(hào)濾波，目的是提取調(diào)幅電壓的低頻有效值波動(dòng)信號(hào)dv(t)，并以此作為評(píng)價(jià)人對(duì)燈的閃變感受的依據(jù)；模塊3-2為中心頻率為8.8Hz的加權(quán)濾波器。模擬燈-眼的工作過(guò)程，輸出人眼對(duì)波動(dòng)電壓導(dǎo)致的白熾燈光通量波動(dòng)的視覺(jué)反應(yīng)信號(hào) eye(t)。該模塊由白熾燈型式、電壓、功率以及人的年齡、身體狀況等因素決定?？梢园言撃K看作燈與眼兩個(gè)環(huán)節(jié)，分解為兩個(gè)模塊[23]，如圖2所示。其中，模塊3-21模擬燈的行為，由輸入電壓波動(dòng)信號(hào)dv(t)，得到燈輸出的光通量波動(dòng)信號(hào)dLum(t)，該部分只與燈參數(shù)相關(guān)；模塊 3-22模擬人眼的行為，由輸入的光通量波動(dòng)信號(hào)，得到人眼視覺(jué)反應(yīng)信號(hào)，這個(gè)環(huán)節(jié)只與人眼的工作機(jī)理有關(guān)。模塊4由平方環(huán)節(jié)和平滑環(huán)節(jié)組成，模擬人腦對(duì)眼睛接受光刺激的反應(yīng)，輸出人腦對(duì)光閃變的感受信號(hào) brain(t)。模塊 5為評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)算法，輸出評(píng)價(jià)結(jié)果，常用 1min短期閃變強(qiáng)度值Pst作為光源是否發(fā)生閃變的判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 IEC閃變儀原理框圖Fig.1 Block diagram of IEC flickermeter

圖2 IEC閃變儀原理框圖分解模型Fig.2 Block diagram decomposition of IEC flickermeter

2.2 閃變儀的分解模型

IEC的閃變儀標(biāo)準(zhǔn)中的輸入電壓為調(diào)幅電壓，對(duì)于額定電壓為120V/60Hz與230V/50Hz的兩種白熾燈，分別在輸入電壓為正弦與矩形兩種調(diào)幅電壓形式時(shí)，給出了在短時(shí)閃變?cè)u(píng)價(jià)值 Pst=1時(shí)不同頻率調(diào)幅電壓的含量限制值。根據(jù)IEC閃變儀的構(gòu)成原理和光閃變發(fā)生機(jī)理，可以認(rèn)為：不論輸入 IEC閃變儀電壓形式及燈參數(shù)如何，同樣頻率與波動(dòng)幅度的光通量波動(dòng)，可以產(chǎn)生相同的閃變效果[11,24]。因此，當(dāng)輸入 IEC閃變儀模塊 3-22相同波動(dòng)頻率與波動(dòng)幅度的光通量波動(dòng)信號(hào) dLum(t)時(shí)，將得到相同的閃變?cè)u(píng)價(jià)值 Pst。于是，可分解出用于實(shí)驗(yàn)研究的IEC閃變儀分解模型，如圖3所示。

圖3 閃變儀的分解模型Fig.3 Improved flickermeter model

針對(duì)實(shí)驗(yàn)直接獲得的光通量信號(hào)Φ(t)，將對(duì)于光通量信號(hào)Φ(t)處理后得到的光通量波動(dòng)信號(hào) dLum(t)直接導(dǎo)入到模塊 3-22，從而得出 Pst。該模型略去了IEC原模型中產(chǎn)生電壓波動(dòng)的帶通濾波器和產(chǎn)生光通量波動(dòng)的燈環(huán)節(jié)，可以很方便地用于實(shí)驗(yàn)研究。

2.3 對(duì)分解模型的驗(yàn)證

首先，對(duì)IEC閃變儀的仿真程序輸入不同頻率與含量的間諧波電壓，可得到這個(gè)電壓條件下的光閃變強(qiáng)度Pst，中間參量 dLum(t)、eye(t)的波動(dòng)曲線。間諧波的電壓形式為

式中，V為基波電壓的有效值，f0為基波電壓頻率，f為間諧波電壓頻率，m為間諧波電壓的含量。

對(duì)于 230V/50Hz的白熾燈，當(dāng)輸入頻率 f= 40Hz，間諧波含量m=1%的間諧波時(shí)，得到Pst= 3.8092，并得出中間參量的波動(dòng)曲線如圖 4、圖 5所示，即為光通量波動(dòng)曲線 dLum(t)，其波動(dòng)幅度ΔLum=0.094；視覺(jué)反應(yīng)信號(hào)曲線 eye(t)，其波動(dòng)幅度Δeye=0.038，且這兩條曲線的波動(dòng)頻率均為10Hz。

圖4 dLum(t)曲線Fig.4 Curve of dLum(t)

圖5 eye(t)曲線Fig.5 Curve of eye(t)

現(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)條件下用分解模型計(jì)算其短時(shí)閃變強(qiáng)度 Pst。實(shí)驗(yàn)中，使用照度計(jì)接收光源的瞬時(shí)照度曲線，由于照度與光源的光通量呈線性關(guān)系，因此照度曲線即可代表光通量信號(hào)。將光通量信號(hào)Φ(t)進(jìn)行標(biāo)幺化，并提取其包絡(luò)線波動(dòng)作為光通量波動(dòng)曲線dLum(t)，將這個(gè)曲線導(dǎo)入到分解模型中，來(lái)計(jì)算其閃變強(qiáng)度Pst。

對(duì)于 230V/50Hz的白熾燈，當(dāng)輸入 f=40Hz， m=1%的間諧波電壓時(shí)，獲取實(shí)驗(yàn)得到的光通量信號(hào)Φ(t)，導(dǎo)入分解模型中進(jìn)行計(jì)算，得到 Pst=2.1369，并得出中間參量 dLum(t)、eye(t)的波動(dòng)曲線：光通量波動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)幅度ΔLum=0.053，視覺(jué)曲線的波動(dòng)幅度Δeye=0.022，這兩個(gè)曲線的波動(dòng)頻率均為10Hz。再對(duì)f=40Hz，m=2%與f=42Hz，m=1%兩種間諧波電壓條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用IEC閃變儀程序仿真計(jì)算的結(jié)果，與對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的光通量數(shù)據(jù)用分解模型程序進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，中間參量波動(dòng)幅值ΔLum、Δeye和 Pst如表 1所示。

表1 仿真與實(shí)驗(yàn)條件下計(jì)算值對(duì)比Tab.1 Comparison of calculation between simulation and experimental results

由表1可知，在不同的電壓條件下，無(wú)論是IEC仿真程序計(jì)算還是用分解模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到ΔLum/Δeye、ΔLum/Pst的值的變化量都很小，可以認(rèn)為是一個(gè)恒定值，且在不同的電壓條件下，無(wú)論是仿真計(jì)算還是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，ΔLum、Δeye和Pst三者之間存在一定的線性關(guān)系；在相同電壓條件下，從表中可知：仿真計(jì)算下的ΔLum/Δeye、ΔLum/Pst與實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算下的結(jié)果很接近。因此可以認(rèn)為不論是仿真計(jì)算還是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，ΔLum、Δeye與Pst之間的線性關(guān)系都是相同的。由此可知，只要在模塊3-22中輸入一定波動(dòng)頻率與波動(dòng)幅度的光通量波動(dòng)dLum(t)曲線時(shí)，便會(huì)得到相同波動(dòng)頻率與一定波動(dòng)幅度的eye(t)曲線，并得到相應(yīng)的Pst值。

之所以在同樣電壓條件下，仿真計(jì)算與對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算得到的ΔLum、Δeye和 Pst不同，是因?yàn)樵谑褂梅纸饽Ｐ蜁r(shí)，導(dǎo)入了光源直接產(chǎn)生的光通量波動(dòng)曲線，需要在模塊 3-22之前的環(huán)節(jié)乘以一個(gè)修正系數(shù)k。設(shè)修正后光通量波動(dòng)為dLum(t)_new，則可以得到二者關(guān)系式為dLum(t)_new=k·dLum(t)。調(diào)整k=1.85后，再進(jìn)行計(jì)算，可得 Pst=3.953 3，與仿真計(jì)算得到的結(jié)果Pst=3.809 2非常接近。

在分解模型中乘以修正系數(shù) k=1.85進(jìn)行修正后，重新計(jì)算。在 f=40Hz，m=1%的間諧波的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)獲得的光通量曲線Φ(t)進(jìn)行計(jì)算處理，得到中間過(guò)程 dLum(t)、eye(t)如圖 6、圖 7所示，ΔLum約為 0.088，Δeye約為0.038，Pst為 3.94，對(duì)比可知，與仿真結(jié)果非常接近。

圖6 dLum(t)曲線Fig.6 Curve of dLum(t)

圖7 eye(t)曲線Fig.7 Curve of eye(t)

修正后不同實(shí)驗(yàn)條件下的計(jì)算結(jié)果與仿真計(jì)算的對(duì)比如表 2所示。表中 Pst1為仿真計(jì)算得到的光閃變強(qiáng)度，Pst2為修正分解模型后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到的光閃變強(qiáng)度。

表2 仿真與實(shí)驗(yàn)條件下Pst計(jì)算的對(duì)比Tab.2 Calculation of Pstcomparison between simulation and experimental results

由表 1中(Pst2-Pst1)/Pst1的計(jì)算結(jié)果可知，Pst2與Pst1非常接近，因此用本文提出的閃變儀的分解模型進(jìn)行計(jì)算得到的Pst是準(zhǔn)確的。

對(duì)于熒光燈及其他類(lèi)型的燈這個(gè)驗(yàn)證結(jié)果也同樣成立，因?yàn)楸疚奶岢龅母倪M(jìn)模型是直接輸入光通量波動(dòng)曲線得到的計(jì)算結(jié)果，與前面的燈環(huán)節(jié)沒(méi)有關(guān)系。

上述分解模型主要用于通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)閃變效應(yīng)的研究和評(píng)價(jià)，由于人眼對(duì)光閃變的敏感性與光波動(dòng)頻率及幅度密切相關(guān)，對(duì)8.8Hz左右頻率光通量波動(dòng)尤為敏感。這就對(duì)使用該模型時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取提出了較高要求，特別是光通量數(shù)據(jù)采集儀器的敏感性和精確度，本文所使用的 T-10照度計(jì)，最高準(zhǔn)確度可以達(dá)到 1 lx。實(shí)際中，當(dāng)光通量太小時(shí)，波動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確性降低，不能作為評(píng)價(jià)依據(jù)；另一方面使用該分解模型是建立在相同光通量波動(dòng)產(chǎn)生相同閃變效應(yīng)的基礎(chǔ)上，這在波動(dòng)波形基本呈正弦的情況下是成立的，但如果波形畸變嚴(yán)重時(shí)，上述基礎(chǔ)是否仍然成立尚待研究。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的是獲取不同的熒光燈在不同的間諧波電壓條件下的光通量信號(hào)曲線Φ(t)，以計(jì)算其光閃變強(qiáng)度 Pst。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)可以分為四個(gè)部分：

（1）間諧波電壓輸出（generating interharmonic voltage fluctuation）：用來(lái)輸出含間諧波含量的正弦電壓給燈具，使燈具發(fā)光。

（2）照明箱（lighting booth）：給燈具提供封閉的照明環(huán)境，以隔絕外來(lái)雜散光的影響，并放置照度計(jì)在其中讀取光通量信號(hào)。

（3）光通量數(shù)據(jù)獲?。╨uminance data acquisition system）：使用柯尼卡公司的T-10高準(zhǔn)確度照度計(jì)來(lái)采集光通量信號(hào)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送入示波器中，使用示波器獲取光通量信號(hào)Φ(t)。

（4）Pst計(jì)算（quantifying the flickering severity）：對(duì)于讀取的光通量信號(hào)Φ(t)，通過(guò)分解模型的計(jì)算程序來(lái)計(jì)算其 Pst。

圖8所示為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物連接圖以及原理框圖。

3.1 間諧波電壓輸出

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置連接原理框圖Fig.8 Block diagram of experimental installation connecting

使用Chroma（致茂）公司的設(shè)備Chroma 61505來(lái)發(fā)生間諧波電壓，并輸出給燈具。Chroma是一臺(tái)可程控交流電壓供應(yīng)器，可以輸出包含諧波、間諧波在內(nèi)的不同類(lèi)型的電壓。通過(guò)數(shù)據(jù)接口 RS 232可將Chroma與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，并使用配套的軟件平臺(tái)Chroma 615_616 soft panel來(lái)控制設(shè)備。

在軟件soft panel的主界面，設(shè)置輸出電壓的基波頻率為 50Hz，有效值為 220V。然后在soft panel的interharmonic選項(xiàng)卡中，設(shè)置輸出間諧波的頻率、含量與時(shí)長(zhǎng)，便可輸出疊加在基波上的間諧波電壓。間諧波頻率范圍可在0.01～2 400Hz（精確到0.01Hz）內(nèi)變化，間諧波含量值是以基波幅值為基礎(chǔ)的百分比含量，其準(zhǔn)確度為0.1%。如可設(shè)置頻率為40Hz、含量為1.2%的間諧波。將Chroma產(chǎn)生的電壓通過(guò)輸出線輸出，即可將電壓供給光源。

3.2 照明實(shí)驗(yàn)箱

照明實(shí)驗(yàn)箱為一個(gè)35cm×33cm×37.5cm的紙質(zhì)箱體，內(nèi)部有兩個(gè)部分：照明輸出與光通量接收。

將燈具安裝在箱壁上，并將 Chroma輸出的電壓輸入給燈具?？刂?Chroma電壓輸出時(shí)可以控制燈具的照明情況。將實(shí)驗(yàn)箱體封閉，可避免外來(lái)雜散光的干擾，這樣箱內(nèi)接收光照的照度計(jì)可以正確反映光源發(fā)出的光通量的情況。實(shí)驗(yàn)中使用的燈具為 1支白熾燈與3支熒光燈，型號(hào)分別為：白熾燈：歐普 OPEL PZ220-60W（標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T10681-2009）；緊湊型熒光燈：飛利浦 YPZ220/8-2U.RR.D，飛利浦YPZ220/14-2U.RR.D，熒火蟲(chóng)YPZ220/8-2U.RR.D。

實(shí)驗(yàn)中使用照度計(jì)采集光源投射在箱體內(nèi)壁的光照度。照度計(jì)采集的是照度計(jì)安裝面的照度值，由于照度計(jì)安置在相對(duì)燈源固定的位置，而照度與光源的光通量是成正比關(guān)系。因此，照度的波動(dòng)情況就反映了光通量的波動(dòng)情況。

實(shí)驗(yàn)中選用柯尼卡公司的 T-10照度計(jì)，照度計(jì)通過(guò)外部的光接收積分球來(lái)接收光源的光信號(hào)，其相對(duì)光譜感應(yīng)與國(guó)際照明委員會(huì)CIE光譜視覺(jué)效率V(λ)的8%(f1)相匹配。光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電二極管后轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大電路，放大為電壓信號(hào)輸出。照度計(jì)模擬輸出的準(zhǔn)確度為1mV/位，90%響應(yīng)時(shí)間為 1ms。光接收積分球接收到的瞬時(shí)光通量信號(hào)與模擬輸出的電壓信號(hào)成正比關(guān)系。調(diào)節(jié)照度計(jì)的量程檔，當(dāng)光通量達(dá)到滿量程 3 000lx時(shí)，輸出電壓為照度計(jì)的最大飽和電壓3V。

3.3 光通量數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)中使用泰克公司的Tektronix MSO 5104示波器。示波器的模擬帶寬為1GHz，最高10G/s的采樣率，DC增益準(zhǔn)確度為±1.5%。將照度計(jì)輸出電壓信號(hào)輸入給示波器，即可在示波器上顯示電壓信號(hào)波動(dòng)，并可將這個(gè)電壓波動(dòng)的數(shù)字信號(hào)保存下來(lái)。設(shè)置示波器的采樣率為100k/s，讀取1s的波動(dòng)信號(hào)。可以觀察到1s內(nèi)的光通量曲線有100個(gè)波動(dòng)，可知其波動(dòng)頻率為基波頻率的 2倍。

3.4 Pst計(jì)算

實(shí)驗(yàn)中，將照度計(jì)獲取到的光通量曲線提取出其標(biāo)幺化的光通量波動(dòng)包絡(luò)曲線，然后輸入分解模型中，即可得Pst。取光通量曲線Φ(t)中影響人眼光反應(yīng)效果的上包絡(luò)線作為光通量波動(dòng)曲線dLum(t)。閃變儀分解模型程序的計(jì)算步驟如圖9所示。

圖9 Pst的計(jì)算流程Fig.9 The calculation process of Pst

在取定的間諧波頻率下，Pst會(huì)隨著間諧波含量m的變化而變化。調(diào)節(jié) m，使 Pst＝1，此時(shí)的間諧波含量m即為間諧波含量限制值m0。由于電壓發(fā)生設(shè)備Chroma的設(shè)置中，間諧波含量m的準(zhǔn)確度為0.1%，因此可以認(rèn)為，當(dāng)計(jì)算得到Pst值在0.9～1.1時(shí)，Pst＝1。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有幾點(diǎn)需要注意：

（1）由于熒光燈發(fā)光特性，在剛剛點(diǎn)燃時(shí)其光通量處于不斷升高的階段。熒光燈需要點(diǎn)燃后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其光通量才能穩(wěn)定下來(lái)。因此，輸入間諧波電壓給熒光燈后，應(yīng)等待約 3min后，才能開(kāi)始用照度計(jì)獲取其光通量數(shù)據(jù)。

（2）在照明箱中，燈不宜離照度計(jì)太近，以免照度計(jì)的照度超出量程，輸出電壓超出最大飽和電壓。應(yīng)當(dāng)保持輸出的電壓與燈的光通量的關(guān)系處于線性區(qū)域。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將蓋上照明箱蓋子進(jìn)行封閉，以避免外界光源的干擾。

（4）可以在照明箱上開(kāi)通一個(gè)小孔，在實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)小孔肉眼觀察燈的閃變情況，驗(yàn)證此時(shí)是否可以觀察到光閃變。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 光閃變限制曲線的獲得

對(duì)于一特定光源，改變間諧波電壓的頻率 f與含量m，使該電壓條件下Pst＝1，則此時(shí)的m即為該頻率f下的間諧波含量限制值m0，通過(guò)該方法得到的點(diǎn)（f，m0）構(gòu)成的曲線，即為該光源的光閃變限制曲線。由于不同光源的電路構(gòu)成不同，其在相同的電壓條件下的閃變效果也不同。其光閃變限制曲線也不同。

已有研究成果顯示，電壓中的間諧波分量導(dǎo)致的電壓閃變頻率 f△與間諧波頻率 f有如下關(guān)系[4-6]式中，f0為基波頻率；H為間諧波最接近的諧波頻率的次數(shù)；f△＜50Hz。不同的間諧波頻率可能會(huì)導(dǎo)致相同的電壓閃變頻率，如58Hz和158Hz的間諧波都導(dǎo)致8Hz的電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[6]還指出：具有相同 f△的不同頻率間諧波，若其幅值相同，則其導(dǎo)致的電壓波動(dòng)峰值相同，但波動(dòng)有效值不同[6]。

以飛利浦14W 熒光燈為研究對(duì)象。取H＝1，間諧波頻率 f=40Hz時(shí)，改變間諧波含量 m的取值，對(duì)光通量曲線進(jìn)行 Pst計(jì)算，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 14W飛利浦CFL燈在40Hz間諧波下的Pst值Tab.3 Pstof 14W Philips CFL under 40Hz interharmonic

由上表可知，當(dāng) m=1.2%時(shí)，Pst值最接近 1。因此可以認(rèn)為該燈在 f=40Hz下的間諧波含量臨界值m0=1.2%。用同樣的辦法，可以求得14W 飛利浦CFL燈在 H＝1時(shí)，頻率從 25～75Hz變化下間諧波含量限制值 m0的取值如表4所示。

表4 14W飛利浦CFL燈間諧波含量限制值Tab.4 Interharmonic limit of 14W Philips CFL

根據(jù)上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以作出14W 飛利浦燈在Pst=1時(shí)的光閃變限制曲線，如圖 10所示，從中看出間諧波含量限制值m0隨頻率的變化情況。

圖10 14W飛利浦燈的閃變限制曲線Fig.10 Flicker limit curve of 14W Philips CFL

由圖10可知：14W 飛利浦CFL與白熾燈的間諧波閃變限制曲線的走向趨勢(shì)相似，都是由以f=50Hz為對(duì)稱軸的兩支接近對(duì)稱的 V字型曲線分支構(gòu)成。當(dāng) f=41Hz與f=59Hz時(shí)，光通量波動(dòng)頻率為 9Hz，間諧波限制含量達(dá)到最小值，光源在這個(gè)頻率下最易發(fā)生閃變；而當(dāng)間諧波頻率越遠(yuǎn)離f=41Hz與f=59Hz時(shí)，間諧波含量限制值變大。這個(gè)規(guī)律與視感度系數(shù)曲線中的規(guī)律一致，當(dāng) f=8.8Hz（接近9Hz）時(shí)瞬時(shí)閃變視感度達(dá)到最大值，此時(shí)人眼對(duì)燈光閃爍最為敏感。這表明實(shí)驗(yàn)所得的間諧波閃變限制曲線是正確的。

在H=3、H=5時(shí)，使f△從2～25Hz變化，用同樣的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取高頻間諧波下 14W 飛利浦熒光燈在不同頻率下的間諧波含量限制值如表5、表6所示。

表5 14W飛利浦CFL燈H=3時(shí)間諧波含量限制值Tab.5 Interharmonic limit of 14W Philips CFL when H=3

表6 14W飛利浦CFL燈H=5時(shí)間諧波含量限制值Tab.6 Interharmonic limit of 14W Philips CFL when H=5

從而可獲得14W飛利浦燈在H=1，H=3，H=5時(shí)不同頻率下的閃變限制曲線，如圖11所示。

圖11 14W飛利浦燈的閃變限制曲線Fig.11 Flicker limit curve of 14W Philips CFL

由圖11中可知：在高頻間諧波下（H=3，H=5時(shí)）緊湊型熒光燈的光閃變限制曲線的走向規(guī)律與低頻時(shí)一致，另外，在相同的間諧波電壓波動(dòng)頻率f△下，高頻下的間諧波限制含量比低頻時(shí)更大，緊湊型熒光燈對(duì)低頻間諧波電壓更為敏感。

4.2 不同光源的間諧波光閃變限制曲線及其對(duì)比

采用同樣的方法，對(duì)不同功率和品牌的緊湊型熒光燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可以得到相似的結(jié)果。表 7～表9所示為8W飛利浦燈H＝1、H=3、H=5時(shí)，間諧波限制值 m0的取值；表 10為熒火蟲(chóng)燈 H=1時(shí)間諧波限制值m0的取值。圖12為14W飛利浦燈、8W飛利浦燈、8W熒火蟲(chóng)燈在H＝1時(shí)（低頻間諧波下）的間諧波光閃變限制曲線。圖13為8W飛利浦燈在H＝1、H=3、H=5時(shí)的間諧波光閃變限制曲線的對(duì)比。

表7 8W飛利浦CFL當(dāng)H=1時(shí)間諧波含量限制值Tab.7 Interharmonic limit of 8W Philips CFL when H=1

表8 8W飛利浦CFL燈H=3時(shí)間諧波含量限制值Tab.8 Interharmonic limit of 8W Philips CFL when H=3

表9 8W飛利浦CFL燈H=5時(shí)間諧波含量限制值Tab.9 Interharmonic limit of 8W Philips CFL when H=5

表10 8W熒火蟲(chóng)CFL燈H=1時(shí)間諧波含量限制值Tab.10 Interharmonic limit of 8W Yihuochong CFL when H=1

圖12 14W飛利浦燈、8W飛利浦燈、8W熒火蟲(chóng)燈的閃變限制曲線Fig.12 Flicker limit curve of 14W Philips CFL、8W Philips CFL and 8W Yinghuochong CFL

將間諧波導(dǎo)致的電壓波動(dòng)規(guī)律與圖 13所示的光閃變實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，能引起相同電壓閃變頻率和峰值波動(dòng)深度的間諧波，會(huì)引起不同的光源光閃變效應(yīng)，說(shuō)明間諧波引起的電壓有效值波動(dòng)是決定光閃變的重要因素。圖13的結(jié)果還表明，光源的光閃變僅對(duì)奇數(shù)次諧波附近的間諧波敏感，對(duì)偶數(shù)次諧波附近的間諧波則幾乎沒(méi)有限制要求。

圖13 8W飛利浦燈在H=1，3，5下的閃變限制曲線Fig.13 Flicker limit curve of 8W Philips CFL when H=1，3，5

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：不同品牌和功率的光源，其閃變限制曲線有所不同。總的來(lái)說(shuō)，高頻和低頻間諧波都可能引發(fā)緊湊型熒光燈閃變，但低頻間諧波比高頻間諧波更敏感，這一結(jié)論及相應(yīng)的間諧波閃變曲線是使用IEC閃變儀無(wú)法獲得的；光源功率越小，對(duì)間諧波越敏感，即間諧波限制值越低；而不同品牌、相同功率光源，對(duì)間諧波限制值差異不大。

5 結(jié)論

通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，獲得了基于IEC閃變儀的分解模型，該模型可以有效地用于針對(duì)各種光源的間諧波光閃變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究；建立了緊湊型熒光燈在間諧波條件下閃變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究裝置和方法，利用該裝置和方法可以獲得不同光源對(duì)不同頻率間諧波引發(fā)閃變效應(yīng)的幅值限制值，該限制值利用 IEC閃變儀無(wú)法得到；對(duì)不同品牌和功率的緊湊型熒光燈的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：高頻和低頻間諧波都可能引發(fā)緊湊型熒光燈閃變，但低頻間諧波比高頻間諧波更敏感；同時(shí)光源功率對(duì)間諧波閃變限制值有一定影響。

[1] Yong J, Sun C, Xu W. Voltage flicker caused by two interharmonics[C]. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2006: 239-242.

[2] Yong J, Thavatchai T, Xu W. Characterizing voltage fluctuations caused by a pair of interharmonics[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2008, 23(1): 319-327.

[3] Li C, Xu W, Tayjasanant T. Interharmonics: basic concepts and techniques for their detection and measurement[J]. Electric Power Systems Research, 2003, 66(1): 39-48.

[4] Yacamini R. Power system harmonics-part 4 interharmonics[J]. Power Engineering Journal, 1996, 10(4): 185-193.

[5] Mombauer W. Flicker caused by interharmonics[J]. EtzArchiv, 1990, 2(12): 391-396.

[6] Tayjasanant T, Wang W, Li C, et al. Interharmonicflicker curves[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2005, 20(2): 1017-1024.

[7] Morcos M, Gomez J. Flicker sources and mitigation [J]. IEEE Power Engineering Review, 2002, 22(11): 5-10.

[8] 李霏霏, 楊洪耕, 惠錦, 等. 一種由間諧波估計(jì)電壓閃變參數(shù)的簡(jiǎn)便方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011: 39(22): 83-89.

Li Feifei, Yang Honggen, Hui Jin, et al. A simplemethod of voltage flicker estimation based on interharmonics[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(22): 83-89.

[9] 王建勛, 劉會(huì)金. 間諧波閃變效應(yīng)計(jì)算及閃變?cè)醋R(shí)別方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(11): 52-58.

Wang Jianxun, Liu Huijin. A calculation method for interharmonics-caused flicker and flicker source identification[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(11): 52-58.

[10] 孫成發(fā), 高輝. 一種提高短時(shí)閃變嚴(yán)重度Pst計(jì)算準(zhǔn)確度的方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(16): 48-56.

Sun Chengfa, Gao Hui. A method to improve calculating accuracy of the short term flicker severity Pst[J]. Power System Protection and Control, 2008, 36(16): 48-56.

[11] IEC 61000-4-15 Testing and measurement techniques: flickermeter-functional and design specifications[S]. Geneva. Switzerland: IEC, 2003.

[12] 雍靜, 孫才新. 間諧波源模型和間諧波電壓特性及其閃變效應(yīng)的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2007.

[13] 雍靜, 孫才新, 曾禮強(qiáng), 等. 基于熱平衡方程的改進(jìn)的白熾燈閃變儀模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(9): 118-124.

Yong Jing, Sun Caixin, Zeng Liqiang, et al. An improved flickermeter model for incandescent lamp based on heat balance equation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(9): 118-124.

[14] Masi M, Peretto L, Tinarelli R, et al. Assessment of human annoyance under flicker condition[C]. IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference, Binjiang, 2011.

[15] Emanuel A, Peretto L. The response of fluorescent lamp with magnetic ballast to voltage distortion[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 1997, 12(1): 289-295.

[16] Gluskin E, Frangiskos V, Kateri I, et al. The instantaneous light-intensity function of a fluorescent lamp[J]. Physics Letters A, 2006, 353: 355-363.

[17] Chen S, Lo C, Foo M, et al. Testing of fluorescent lamps for its flickering susceptibility towards interharmonic voltages[C]. IEEE Power Engineering Conference, Singapore, 2007.

[18] Koster M, Jaeger E, Vancoetsem W. Light flicker caused by interharmonics[R/OL]. [2001]. http://grouper. Ieee.org/groups/harmonic/iharm/docs/ihflicker.pdf.

[19] 張娜, 雍靜, 曾禮強(qiáng). 關(guān)于 IEC閃變儀無(wú)法檢測(cè)由高頻間諧波引起閃變的情況分析[J]. 低壓電器, 2009(6): 5-7.

Zhang Na, Yong Jing, Zeng Liqiang. Analysis about the condition of IEC flickermeter’s unable to dectect flicker caused by high frequency interharmonic[J]. Low Voltage Apparatus, 2009(6): 5-7.

[20] 馬玉強(qiáng), 張有玉, 武劍. IEC閃變儀對(duì)間諧波引起的電壓閃變測(cè)量誤差的分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(1): 23-27.

Ma Yuqiang, Zhang Youyu, Wu Jian. Analysis of the IEC flickermeter measurement error for measureing interharmonic-caused voltage flickers[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(1): 23-27.

[21] 賈秀芳, 趙成勇, 胥國(guó)毅, 等. IEC閃變儀誤差分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 21(11): 121-126.

Jia Xiufang, Zhao Chengyong, Xu Guoyi, et al. Error analyzing of IEC flickermeter and its improving design [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(11): 121-126.

[22] 雍靜, 李建波, 王曉靜, 等. 含間諧波電壓下熒光燈的功率響應(yīng)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 31(3): 263-266.

Yong Jing, Li Jianbo, Wang Xiaojing, et al. Power response of fluorescent lamp with voltage containing interharmonic[J]. Journal of Chongqing University, 2008, 31(3): 263-266.

[23] Wang C, Devaney M, Yang S. Decomposition of the IEC flickermeter weighting curves[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference, Italy, 2004.

[24] Drá pela J, Toman P. Interharmonic-flicker curves of lamps and compatibility lever for interharmonic voltages [J]. IEEE Lausanne Power Tech., 2007: 1552-1557.

Experimental Study for Flicker of Compact Fluorescent Lamp Caused by Interharmonics

Yong Jing Yan Xiaolong Zeng Liqiang

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400030 China）

In order to conduct experimental study for flicker, a decomposed flickermeter model is developed by decomposing the weighting filter of IEC flickermeter. Luminous flux signal acquired from experiments can be input directly into this model to calculate the short-term severity value Pst, which is the index to assess the flicker severity. The feasibility and effectiveness of this model is experimentally verified. The design and establishment process of experimental facility is also presented in the paper. The high-precision illuminance meter is applied to acquire luminous flux signal of the compact fluorescent lamp(CFL) supplied by voltage containing interharmonics with given frequency and magnitude. Experimental studies for CFL light flicker under voltages containing interharmonics with various magnitudes and frequencies are conducted by using the proposed decomposed model. The short-term severity value Pstare obtained, and therefore the interharmonic limit curves for light flicker of compact fluorescent lamp are proposed.

Interharmonic, flickermeter, luminous flux, flicker, interharmonic limit curve

TM727

雍 靜 女，1964年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量。晏小龍 男，1988年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51207174）。

2013-02-27 改稿日期 2013-04-17