基于PSCAD的諧波干擾仿真

張銀，郝秀杰，張祥華，周曉華

裝備運行管理

基于PSCAD的諧波干擾仿真

張銀1，3，郝秀杰2，張祥華4，周曉華1

（1.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006；2.國網山東省電力公司德州供電公司，山東德州253000；3.廣西高校工業過程智能控制技術重點實驗室，廣西柳州545006；4.國網山東省電力公司泰安供電公司，山東泰安271000）

諧波干擾是是電力系統中各種設備故障和經濟損失的一個主要來源，而諧波干擾的仿真是電力系統諧波干擾檢測算法理論研究的重要基礎。將PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）仿真技術應用于諧波干擾的仿真中，可以通過調整各種仿真參數，對諧波干擾進行動態仿真。與MATLAB對諧波的仿真效果相比，在PSCAD環境下仿真的諧波干擾信號更加貼近實際。應用PSCAD軟件可實現諧波干擾信號的動態仿真，有利于諧波干擾檢測的理論研究，為諧波干擾檢測算法的研究和提出提供動態可靠的仿真數據。

諧波干擾；PSCAD；仿真

隨著各種微電子器件和非線性負載的不斷增加，電力系統中諧波干擾造成的經濟損失越來越大[1-2]。為了解決該問題，如何快速準確地對諧波干擾進行檢測和排除就顯得尤為重要[3]。

鑒于電力系統的復雜性和重要性，直接進行諧波干擾的在線研究可行性比較差。因此，將諧波干擾檢測算法投入實際運用之前，需要進行算法的仿真數據驗證。為了進行諧波干擾檢測算法的仿真數據驗證，需要對諧波干擾進行動態仿真，為諧波干擾檢測算法的提出和驗證提供實用可靠的數據。

目前，應用較多的是基于MATLAB的諧波干擾仿真，該仿真主要依據文獻[4]中提出的諧波干擾仿真模型。該仿真模型對IEEE電能質量干擾標準[5]中規定的諧波干擾進行了很好的描述。但是，依據該模型仿真獲得的諧波干擾信號趨于理想化，基于理想條件提出的諧波干擾檢測算法在理想條件下具有很好的檢測效果，但是在實際應用中的處理效果可能會與預期相差甚遠[6]。

PSCAD是電力系統電磁暫態仿真軟件，可以對電力系統進行動態仿真，仿真波形和效果非常貼近實際，在世界范圍內的電力系統分析領域得到越來越廣泛的應用[7]。

本文通過將抽象的、靜態的諧波干擾通過PSC AD仿真及參數調整使其直觀形象地加以呈現，并將仿真數據用于諧波干擾檢測算法的研究。

1 諧波干擾

對于諧波干擾，IEEE、IEC等都對其產生原因和典型特性進行了詳細描述。IEEE Std 1159-2009是目前使用較多的一種電能質量標準，本文主要以該標準為基礎，對諧波干擾進行簡單介紹和仿真研究，并簡單列出目前使用較為普遍的MATLAB諧波干擾仿真模型。

諧波，是指頻率為基頻信號頻率整數倍的正弦信號[8]。當諧波信號與基頻信號疊加在一起時，諧波會引起原有正弦信號的波形畸變[9]。

電力系統中產生諧波的設備成為諧波源。在電力系統中，非線性器件或設備是諧波的主要來源。電力系統的諧波源從非線性特性角度來看，主要有三大類：鐵磁飽和型、電子開關型及電弧型。

諧波的MATLAB仿真模型為[4]

式中，A為信號幅值，0.05≤α3、α5、αm≤0.15，αm是第m次諧波的系數，Σαi=1，i=1，3，5，...，m，....

u為階躍函數，表達式為

2 基于PSCAD的諧波干擾仿真

本文基于諧波干擾的各種產生原因對諧波干擾進行了動態仿真。

對于諧波干擾的仿真，MATLAB和PACAD是目前常用的兩種仿真軟件。Murat等[4]提出了基于MA TLAB仿真的諧波干擾信號的仿真模型，諧波干擾的MATLAB仿真模型如1所示。

圖1 基于PSCAD的諧波仿真波形圖

該仿真模型是基于理想條件的，該模型在諧波干擾的仿真過程中完全忽略了除諧波干擾以外的其他干擾對諧波干擾信號可能造成的影響，比如各種噪聲干擾、各種不同設備同時運行引起的系統干擾等。基于理想條件提出的諧波干擾檢測算法在理想條件下具有很好的檢測效果，但是在實際應用中的處理效果可能會與預期相差甚遠。

作為電力系統實時仿真軟件，PSCAD在世界范圍內得到了廣泛使用。與MATLAB相比，基于PSCAD的諧波仿真數據更加接近實際數據，十分適用于諧波干擾信號的仿真。為此，本文通過對實際配電網接線圖進行擴展，搭建了基于PSCAD的諧波干擾實時仿真模型。該系統模型綜合考慮了各種電氣設備之間的相互影響，能夠很好的對諧波干擾進行動態仿真。

模型1用于仿真由于高壓直流輸電（HVDC）引起電力系統諧波干擾的PSCAD仿真模型。HVDC中的換流站（包括整流和逆變）中包含大量電力電子器件，而這些電力電子器件的特性是非線性的。換流站在進行交流到直流和直流到交流的變換過程中，都會產生大量諧波。這些諧波的存在一方面會影響電能的傳輸效果，降低傳輸效率；另一方面還會產生諧波干擾，對周圍設備造成不良影響，影響周圍設備的正常運行。

在該支路中，可以通過調整整流橋類型、整流橋觸發角大小以及變壓器的類型等對諧波的組成和諧波的幅值進行調整。

模型2用于仿真由普通電力電子設備引入電力系統的諧波干擾。這些電力電子設備包括單個電力電子器件、整流電路、逆變電路、交交變頻電路、直流斬波電路等。諧波的組成可以通過調整電力電子器件的參數、組合等來進行調整。

圖1是基于模型1仿真的諧波干擾波形。

3 結束語

本文將PSCAD仿真技術引入到諧波干擾的仿真中，采用理論與仿真實驗相結合的方式，可使抽象、靜態的諧波干擾問題轉化為具體、動態的實時諧波干擾數據和波形，對諧波干擾檢測算法的研究和提出具有重要的應用價值。

[1]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]徐明榮.電能質量數學分析方法[M].北京:中國電力出版社，2016.

[3]劉軍成.電能質量分析方法[M].北京:中國電力出版社，2011.

[4]Murat U，Selcuk Y，Tunay G M.An expert system based on S-transform and neural network for automatic classification of power quality disturbances[J].Expert System Application，2009（36）:5963-5975.

[5]IEEE Std 1159-2009（Revision of IEEE Std 1159-1995）. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality[S].

[6]Zhang Yin，Ji Tianyao，Li Mengshi，et al.Identification of Power Disturbances Using Generalized Morphological Open-Closing and Close-Opening Undecimated Wavelet[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63（4）:2330-2339.

[7]蔣建東，周揮毫.基于PSCAD的交直流電力系統故障仿真[J].微計算機信息，2009（10）：241-242.

[8]Zhang Yin，Ji Tianyao，Li Mengshi，et al.Detection and Classification of Low-frequency Power Disturbance Using a Morphological Max-lifting Scheme[C].Power and Engineering Conference（APPEEC），2013 IEEE PES Asia-Pacific，Dec 2013:1-5.

[9]張銀.形態學小波算法研究及其在電力系統信號處理中的應用[D].廣州：華南理工大學，2015.

Simulation of Harmonics Based on PSCAD

ZHANG Yin1.3，HAO Xiu-jie2，ZHANG Xiang-hua4，ZHOU Xiao-hua1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi545006，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company Dezhou Power Supply Company，Dezhou Shandong 253000，China；3.Key Laboratory of Industrial Process Intelligent Control Technology of Guangxi Higher Education Institutes，Liuzhou Guangxi 545006，China；4.State Grid Shandong Electric Power Company Taian Power Supply Company，Taian Shandong 271000，China）

Harmonics is a main source of equipment damage and huge economic loss in power systems，and the simulation of harmonics is an important foundation of theory research in harmonics.In this paper，the PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）simulation technology is applied to simulate harmonics by adjusting simulation parameters.Compared with mathematical simulation method based on MATLAB，power disturbances simulated in PSCAD simulation environment appear in actual power systems.The application of PSCAD in the real-time simulation of harmonics plays a vital role for realizing the dynamic simulation of harmonics，which is beneficial to the theory research of harmonics and the introduction of novel harmonics detection algorithms.

harmonics；PSCAD；simulation

TM 732

A

1672-545X（2017）02-0178-03

2016-11-13

2015年度廣西科技大學科學基金項目（編號：校科自20161308）；廣西高校工業過程智能控制技術重點實驗室主任基金（編號：IPICT-2016-06）

張銀（1986-），男，山東泰安人，講師，碩士，研究方向：信號處理、數學形態學、電機故障檢測等。