張銀，郝秀杰，張祥華，周曉華

裝備運(yùn)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(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.國網(wǎng)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(yè)過程智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州545006；4.國網(wǎng)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(tǒng)中各種設(shè)備故障和經(jīng)濟(jì)損失的一個主要來源，而諧波干擾的仿真是電力系統(tǒng)諧波干擾檢測算法理論研究的重要基礎(chǔ)。將PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）仿真技術(shù)應(yīng)用于諧波干擾的仿真中，可以通過調(diào)整各種仿真參數(shù)，對諧波干擾進(jìn)行動態(tài)仿真。與MATLAB對諧波的仿真效果相比，在PSCAD環(huán)境下仿真的諧波干擾信號更加貼近實(shí)際。應(yīng)用PSCAD軟件可實(shí)現(xiàn)諧波干擾信號的動態(tài)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(tài)可靠的仿真數(shù)據(jù)。

諧波干擾；PSCAD；仿真

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

鑒于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和重要性，直接進(jìn)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(shí)際運(yùn)用之前，需要進(jìn)行算法的仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證。為了進(jìn)行諧波干擾檢測算法的仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證，需要對諧波干擾進(jìn)行動態(tài)仿真，為諧波干擾檢測算法的提出和驗(yàn)證提供實(shí)用可靠的數(shù)據(jù)。

目前，應(yīng)用較多的是基于MATLAB的諧波干擾仿真，該仿真主要依據(jù)文獻(xiàn)[4]中提出的諧波干擾仿真模型。該仿真模型對IEEE電能質(zhì)量干擾標(biāo)準(zhǔn)[5]中規(guī)定的諧波干擾進(jìn)行了很好的描述。但是，依據(jù)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(shí)際應(yīng)用中的處理效果可能會與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)[6]。

PSCAD是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，可以對電力系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真，仿真波形和效果非常貼近實(shí)際，在世界范圍內(nèi)的電力系統(tǒng)分析領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[7]。

本文通過將抽象的、靜態(tài)的諧波干擾通過PSC AD仿真及參數(shù)調(diào)整使其直觀形象地加以呈現(xiàn)，并將仿真數(shù)據(jù)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(chǎn)生原因和典型特性進(jìn)行了詳細(xì)描述。IEEE Std 1159-2009是目前使用較多的一種電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，本文主要以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，對諧波干擾進(jìn)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(shù)倍的正弦信號[8]。當(dāng)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(tǒng)中產(chǎn)生諧波的設(shè)備成為諧波源。在電力系統(tǒng)中，非線性器件或設(shè)備是諧波的主要來源。電力系統(tǒng)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(guān)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(shù)，Σαi=1，i=1，3，5，...，m，....

u為階躍函數(shù)，表達(dá)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(chǎn)生原因?qū)χC波干擾進(jìn)行了動態(tài)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(shè)備同時運(yùn)行引起的系統(tǒng)干擾等?；诶硐霔l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(shí)際應(yīng)用中的處理效果可能會與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)。

作為電力系統(tǒng)實(shí)時仿真軟件，PSCAD在世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用。與MATLAB相比，基于PSCAD的諧波仿真數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際數(shù)據(jù)，十分適用于諧波干擾信號的仿真。為此，本文通過對實(shí)際配電網(wǎng)接線圖進(jìn)行擴(kuò)展，搭建了基于PSCAD的諧波干擾實(shí)時仿真模型。該系統(tǒng)模型綜合考慮了各種電氣設(shè)備之間的相互影響，能夠很好的對諧波干擾進(jìn)行動態(tài)仿真。

模型1用于仿真由于高壓直流輸電（HVDC）引起電力系統(tǒng)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(jìn)行交流到直流和直流到交流的變換過程中，都會產(chǎn)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(chǎn)生諧波干擾，對周圍設(shè)備造成不良影響，影響周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。

在該支路中，可以通過調(diào)整整流橋類型、整流橋觸發(fā)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(jìn)行調(diào)整。

模型2用于仿真由普通電力電子設(shè)備引入電力系統(tǒng)的諧波干擾。這些電力電子設(shè)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(diào)整電力電子器件的參數(shù)、組合等來進(jìn)行調(diào)整。

圖1是基于模型1仿真的諧波干擾波形。

3 結(jié)束語

本文將PSCAD仿真技術(shù)引入到諧波干擾的仿真中，采用理論與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，可使抽象、靜態(tài)的諧波干擾問題轉(zhuǎn)化為具體、動態(tài)的實(shí)時諧波干擾數(shù)據(jù)和波形，對諧波干擾檢測算法的研究和提出具有重要的應(yīng)用價值。

[1]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]徐明榮.電能質(zhì)量數(shù)學(xué)分析方法[M].北京:中國電力出版社，2016.

[3]劉軍成.電能質(zhì)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(tǒng)故障仿真[J].微計算機(jī)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(tài)學(xué)小波算法研究及其在電力系統(tǒng)信號處理中的應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，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(xué)科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：校科自20161308）；廣西高校工業(yè)過程智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、電機(jī)故障檢測等。