基于電力仿真的電力系統諧波分析方法探究

崔慶偉

摘? 要：非線性負荷的大量使用是導致諧波問題的主要根源，并且極大地降低了電力系統的電能質量，諧波電流流經電力設備，會導致電力設備溫度提高，造成絕緣損壞而影響電力設備的整體壽命。電力系統采取各種有效措施進行諧波抑制，在減少諧波源的諧波含量的同時，設計并投入合適的諧波濾波器到低壓側或負荷端。利用ETAP進行預先的諧波仿真分析可以根據實際情況輔助建立仿真模型，通過采集到的現實諧波數據來建立ETAP諧波數據庫，進一步設計合適的濾波器，實現降低系統諧波畸變的目的。

關鍵詞：非線性負載? 諧波畸變程度? ETAP? 諧波分析

中圖分類號：TM935 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0073-03

Abstract： The heavy use of non-linear loads is the main source of harmonic problems and greatly reduces the power quality of power systems. Harmonic current flowing through power equipment will cause the temperature of the equipment to increase， causing insulation damage and affecting the overall life of the equipment. The power system adopts various effective measures for harmonic suppression， including reducing the harmonic content of the harmonic source， as well as designing and putting in a suitable harmonic filter to the low-voltage side or load side. Using ETAP for pre-harmonic simulation analysis， a simulation model can be established according to the actual situation and the ETAP harmonic database can be established by the collected harmonic data， as well as further suitable filters can be designed to reduce the harmonic distortion of the system.

Key Words： Nonlinear load; Degree of harmonic distortion; ETAP; Harmonic analysis

1? 背景

由于愈來愈多的非線性負荷運用到電網中，特別是各種調壓、調相、調頻裝置的投入，以及可再生能源的接入，導致了較多的諧波問題。諧波污染降低了電網的電能質量，增加了電力系統局部并聯和串聯諧振的可能。諧波所產生的過電壓和過電流，對各種設備造成了不良干擾和破壞。而對于系統容量較小、負荷密度大的船舶和海上平臺等孤島電網，諧波問題尤為嚴重。

諧波污染對于各種電網及其設備的危害不容忽視。本文將以某孤島電網作為算例，同時利用ETAP諧波潮流分析功能設計無源濾器，使得濾波器參數合理，對諧波治理具有實際指導意義。

2? 諧波抑制方法

針對諧波帶來的危害，需要采取措施進行諧波抑制，包括：

（1）預防性措施，避免諧波及其后果的出現：增加變頻器相數;采用多電平變流技術;變壓器以不同的方式聯接。

（2）補救性措施，消除已存諧波問題：諧波濾除，即無源濾波器、有源濾波器或電容器加電抗器;電路解諧，克服諧振。

其中無源濾波器是采用由一組或數組LC單調諧濾波器組成，與諧波源并聯后能起到旁路濾波的作用，結構簡單、成本低。而有源濾波器不僅能跟蹤諧波頻率和幅值的變化，還具有不受電網阻抗影響的補償特性，其不僅可以對一個諧波和無功源進行補償，也可以對多個諧波源和無功源進行集中補償，在目前海上平臺抑制諧波實踐中得到了很廣泛應用。

3? 基于電力仿真軟件的諧波分析

3.1 ETAP諧波分析方法

ETAP是一款功能強大的電力系統計算分析軟件，不僅能對電網進行電氣建模，還能直觀得到電流和電壓在諧波源干擾下的波形，分別對各次諧波進行補償，其諧波分析功能為無源濾波器設計提供計算參數。諧波分析不僅可對RMS、峰值、失真率等進行計算，還可以模擬電壓和電流諧波源，定義頻率掃描范圍，設計濾波器并繪制出多種形式的響應曲線。ETAP諧波分析流程如圖1所示。

3.2 ETAP諧波仿真分析過程

3.2.1 單線圖建模

3.2.2 采集諧波數據，建立諧波數據庫

本算例新增諧波電流源類型并輸入到ETAP諧波數據庫中，諧波源參數如表1所示。

3.2.3 諧波計算

通過初次諧波潮流分析，得出系統的頻域信息，計算并考核相關的諧波指標。

添加諧波源后，通過初步計算，低壓母線BUS169 THD較高，為5.81%，超過限值5%。對模型進行諧波仿真，分解各次諧波，可知該諧波含量中，5次和7次諧波對THD影響較大，電壓波形出現畸變。

3.2.4 濾波器設計

設計濾波器時要考慮系統無功補償的要求，因此需使得濾波器投入后電網功率因數保持在合適范圍。濾波器投入后，會改變系統的諧波阻抗，須要對新系統進行阻抗掃描，檢查新系統的并聯諧振點頻率，如果存在諧振點，則必須重新配置濾波器參數，以偏移諧振頻率。

對模型進行諧波分解，得到由諧波源流進網絡的主要是5次和7次諧波，BUS169總容量為2.74MVA，單相容量為0.913MV，功率因數為90.84%，期望功率因數設為96%，由此設置5次和7次諧波單次濾波器。

3.2.5 諧波分析與頻率掃描

投入5次和7次諧波單次濾波器后，重新對模型進行諧波分析，BUS169電壓總畸變率THD變為0.825%，電能質量較好。通過頻率掃描得到出現諧振點頻率約為1500Hz，為基波頻率的30倍，基本不符合高次諧波實際情況，故可排除諧振現象的出現。

由頻譜分析圖可知此時5次和7次諧波被大量濾除。流入5次單次濾波器的電流為955.1A，流入7次單次濾波器的電流為530A，由于主要諧波被濾除，母線電壓波形趨于正弦波。可見，裝設濾波器后，很好地解決了諧波污染問題，同時，提高了功率因數。

4? 結語

電網諧波污染日益嚴重，為了提高生產經濟效益和電網安全穩定性，須進行諧波分析，采取措施抑制諧波。利用ETAP軟件進行預先的諧波仿真分析，能夠建立有效的模型了解并降低電網中的諧波畸變程度，利用頻率掃描功能可以檢查出是否存在諧振點，從而減少諧波引起的電力系統故障風險，提高電網的電能質量。通過對電力系統諧波潮流計算，分析各次諧波電壓和電流分布、母線電壓和支路電流的總有效值、總體和單次諧波畸變率等，有利于掌握諧波源污染情況及判斷線路的諧振點。

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