基于PSASP的電能質量分析研究與應用

吳 濤，許德陽，楊 柳，崔 簫，錢葉牛

（1.國網北京通州供電公司，北京 101101；2.國網北京昌平供電公司，北京 102200；3.華能北京熱電有限責任公司，北京 100023；4.國網呼倫貝爾供電公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

1 PSASP電能質量計算概述

當今社會中，電能是一種廣泛應用的能源。隨著國民經濟和科學技術的發展，各行各業對電能質量的要求越來越高。電能質量包含電壓質量、電流質量、供電質量以及用電質量，電能質量異常會給發電、輸電、變電、配電以及用電環節帶來不同程度的危害。為了加強電能質量專業管理，國家電網公司制定了電能質量評估技術導則等管理文件，詳細規定了各類用戶接入公用電網的電能質量評估方法、評估流程等，評估的指標包含諧波、間諧波、供電電壓偏差、三相電壓不平衡、頻率偏差、電壓波動和閃變等。電能質量評估可采用手動計算方式，也可采用具備電能質量計算的電力系統仿真軟件，通常采用后者。目前可進行電能質量計算的電力系統仿真軟件有電力系統分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）、電力系統計算機輔助設計（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）、DIgSILENT等。其中PSASP是由中國電科院自主研發的仿真軟件，具有大電網潮流計算、短路計算、暫態穩定計算等綜合仿真功能，在電力公司、發電企業、設計單位廣泛使用[1-4]。

PSASP電能質量計算模型包含單相網絡模型、三相網絡模型、交流線諧波模型、變壓器諧波模型、負荷諧波模型以及無源濾波器模型等。單相網絡模型在頻率掃描計算、單相諧波計算時使用。三相網絡模型在三相諧波計算、三相電壓不平衡計算時使用。交流線諧波模型分集中參數等值電路和分布參數等值電路，前者適用于小于200～300 km的短距離線路，后者采用雙曲函數計算等值電路參數。變壓器諧波模型分IEEE變壓器模型、常規變壓器模型、CIGRE變壓器模型。負荷諧波模型分RL串聯模型、RL并聯模型、含電動機模型、綜合負荷模型以及諧波源模型。PSASP提供了9種無源濾波器模型，分別為一階減幅型濾波器、二階減幅型濾波器、三階減幅型濾波器、普通濾波器、單調諧濾波器、By-Pass濾波器、High-pass Undamped濾波器、High-Pass Damped濾波器以及C型濾波器。通過設計參數合適的無源濾波器，再在PSASP里面進行電能質量計算，可以驗證濾波效果，避免諧波放大[5,6]。

PSASP電能質量計算的主要功能有頻率掃描計算、單相/三相諧波計算、三相電壓不平衡計算、波動與閃變計算。頻率掃描計算是在全網絡中任選1條或兩條母線確定最低頻率、最高頻率、頻率步長，通過全網的頻率掃描計算得出所選母線的網絡頻率響應，進一步確定系統的串聯諧振頻率和并聯諧振頻率，獲取系統諧波諧振條件，為濾波器設計提供參數。單相/三相諧波計算主要用來分析諧波在系統中的分布情況，采用線性分析方法錄入諧波源和濾波器參數，建立線性方程，得到諧波分布數據。此外，三相諧波計算可選用電氣化鐵路中的牽引變壓器及所連的諧波源和濾波器模型。三相電壓不平衡計算采用三相網絡模型，某些節點選擇相電流源、序電流源或電鐵項目的牽引變壓器及牽引電流源、牽引濾波器，然后解線性方程得到相應電壓和電流量，用于分析由不對稱負荷引起的公共連接點處三相電壓、電流不平衡。依據標準《電能質量-電壓波動和閃變》（GB/T 12326—2008），計算波動負荷影響下公共連接點處的電壓波動值和閃變值。其中，支持閃變值評估的波動負荷包括造成矩形電壓波動的負荷、交流電弧爐、直流電弧爐、精煉電弧爐以及康斯丁電弧爐[7-12]。PSASP電能質量計算結果輸出采用報表或曲線方式，報表方式以Excel報表或文本文件等形式按照選定的范圍和內容輸出，曲線方式將電能質量計算得到的仿真曲線在相應界面中輸出。

2 PSASP電能質量計算流程

PSASP電能質量計算流程如圖1所示。

圖1 PSASP電能質量計算流程

系統可計算公共連接點的電能質量限值，并將計算結果自動填入到相應的表格中，其中諧波電流限值計算最高到25次諧波。在計算作業定義時先選擇計算類型，包含諧波計算、三相電壓不平衡計算、電壓波動與閃變計算。其中，諧波計算分為頻率掃描、單相諧波計算以及三相不對稱諧波計算。諧波源數據在單相諧波計算或者三相不對稱諧波計算前錄入，輸入諧波源所連母線名稱、額定電流、各次諧波電流百分比和相角，最高支持30次諧波計算。

3 PSASP電能質量分析實例

3.1 系統單線圖及運行參數

某用戶供配電系統單線構成如圖2所示。

圖2 某用戶供配電系統單線構成

用戶與公用電網連接點（Point of Common Coupling，PCC）處等效電網中10 kV PCC點母線三相短路容量為12.943 MV·A，短路阻抗為7.726184 Ω。0.38 kV低壓母線三相短路容量為8.857 MV·A，短路阻抗為0.016303 Ω。諧波源負荷基波有功功率為500 kW，功率因數為0.62，視在功率為806.4516 kV·A，無功功率為632.7434 kV·A，電流為1.2253 kA。諧波源注入母線的5次諧波電流為118.28 A，7次諧波電流為68.32 A，11次諧波電流為41.74 A，13次諧波電流為34.80 A，17次諧波電流為29.81 A，19次諧波電流為21.50 A，23次諧波電流為24.37 A，25次諧波電流為11.51 A。雙繞組變壓器容量為1600 kV·A，短路損耗為10.9 kW，空載損耗為2.18 kW。用戶供電設備容量取變壓器容量為1.6 MV·A，協議用電容量取諧波源負荷最大功率為1 MV·A。計算各次諧波電流限值和超標情況如表1所示。

表1 諧波源諧波電流限值和超標情況統計

由表1可知，各次諧波電流的發射量均超過國家標準規定的限值。

3.2 濾波方案設計

通過上述諧波源諧波電流的發射量，設計5次單調諧濾波器、7次單調諧濾波器以及11次二階高通濾波器。考慮濾波器的無功補償作用，設定加入濾波器以后系統的功率因數從原來的0.62提升至0.98，得到無功功率總補償容量為531.2141 kV·A，取整數530 kV·A。

理論條件下，濾波器的調諧頻率和要濾除的特征諧波的頻率相等，此時濾波最為理想。考慮到濾波器中電容器的溫漂及制造偏差、電抗器的非線性以及系統頻率的變化，可能會使濾波器特征頻率阻抗呈容性而導致諧波放大。為了確保濾波器長期運行的穩定性和可靠性，一般取調諧次數略小于濾波器次數。典型取法為5次濾波器調諧次數取4.75，7次濾波器調諧次數取6.65，11次濾波器調諧次數取10.45。

設計5次單調諧濾波器主要濾除5次諧波、7次單調諧濾波器主要濾除7次諧波、11次二階高通濾波器濾除11次及以上頻次的諧波。按照各次諧波占比總的諧波比例分配補償容量，得到5次單調諧濾波器補償容量為180 kV·A，7次單調諧濾波器補償容量為100 kV·A，11次二階高通濾波器補償容量為250 kV·A。考慮到在實際應用中電容器大小都是標準化，不可隨意亂取，這里選取低壓常用的電容器規格，單臺電容器的額定容量為30 kV·A，額定電壓為0.48 kV。通過單臺電容器的串并聯組成所需容量的濾波器，3種濾波器的配置情況和主要參數如表2所示。

表2 濾波器的配置情況和主要參數

3.3 PSASP仿真分析

將系統參數、諧波源數據、濾波器配置輸入PSASP一體化仿真平臺，建立仿真模型。0.38 kV低壓母線電壓在加入濾波器前后的局部時段電壓波形如圖3和圖4所示，電流波形如圖5和圖6所示。

圖3 0.38 kV低壓母線三相電壓瞬時值和線電壓有效值曲線（加入濾波器前）

圖4 0.38 kV低壓母線三相電壓瞬時值和線電壓有效值曲線（加入濾波器后）

圖5 0.38 kV低壓母線三相電流瞬時值和電流有效值曲線（加入濾波器前）

圖6 0.38 kV低壓母線三相電流瞬時值和電流有效值曲線（加入濾波器后）

電壓與電流曲線在加入濾波器之前均有較大的畸變且為非標準正弦波，加入濾波器之后有了較大的改觀，接近標準正弦波，電壓質量有了較大改善。濾波器諧波電流濾除后的數據如表3所示。

表3 濾波器諧波電流濾除后的數據

根據表3中的數據可知，大量諧波電流流入濾波器，少量注入系統，其數值小于標準規定的限值，電流質量合格。

4 結 論

本文介紹了PSASP軟件的電能質量計算模塊及其計算功能，主要有頻率掃描計算、單相/三相諧波計算、三相電壓不平衡計算、波動與閃變計算，并詳細描述了該軟件的電能質量計算流程。利用該軟件對具體某用戶供配電系統進行了電能質量分析，該系統各次諧波電流的發射量均超過國家標準規定的限值。對此設計了濾波方案，將系統參數、諧波源數據、濾波器配置輸入PSASP一體化仿真平臺，建立仿真模型進行仿真分析，給出了該系統加入濾波器前后0.38 kV低壓母線三相電壓瞬時值和線電壓有效值曲線、0.38 kV低壓母線三相電流瞬時值和電流有效值曲線。加入濾波器后，電壓質量有了較大改觀。