基于PSASP的电能质量分析研究与应用

吴 涛，许德阳，杨 柳，崔 箫，钱叶牛

（1.国网北京通州供电公司，北京 101101；2.国网北京昌平供电公司，北京 102200；3.华能北京热电有限责任公司，北京 100023；4.国网呼伦贝尔供电公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

1 PSASP电能质量计算概述

当今社会中，电能是一种广泛应用的能源。随着国民经济和科学技术的发展，各行各业对电能质量的要求越来越高。电能质量包含电压质量、电流质量、供电质量以及用电质量，电能质量异常会给发电、输电、变电、配电以及用电环节带来不同程度的危害。为了加强电能质量专业管理，国家电网公司制定了电能质量评估技术导则等管理文件，详细规定了各类用户接入公用电网的电能质量评估方法、评估流程等，评估的指标包含谐波、间谐波、供电电压偏差、三相电压不平衡、频率偏差、电压波动和闪变等。电能质量评估可采用手动计算方式，也可采用具备电能质量计算的电力系统仿真软件，通常采用后者。目前可进行电能质量计算的电力系统仿真软件有电力系统分析综合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）、电力系统计算机辅助设计（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）、DIgSILENT等。其中PSASP是由中国电科院自主研发的仿真软件，具有大电网潮流计算、短路计算、暂态稳定计算等综合仿真功能，在电力公司、发电企业、设计单位广泛使用[1-4]。

PSASP电能质量计算模型包含单相网络模型、三相网络模型、交流线谐波模型、变压器谐波模型、负荷谐波模型以及无源滤波器模型等。单相网络模型在频率扫描计算、单相谐波计算时使用。三相网络模型在三相谐波计算、三相电压不平衡计算时使用。交流线谐波模型分集中参数等值电路和分布参数等值电路，前者适用于小于200～300 km的短距离线路，后者采用双曲函数计算等值电路参数。变压器谐波模型分IEEE变压器模型、常规变压器模型、CIGRE变压器模型。负荷谐波模型分RL串联模型、RL并联模型、含电动机模型、综合负荷模型以及谐波源模型。PSASP提供了9种无源滤波器模型，分别为一阶减幅型滤波器、二阶减幅型滤波器、三阶减幅型滤波器、普通滤波器、单调谐滤波器、By-Pass滤波器、High-pass Undamped滤波器、High-Pass Damped滤波器以及C型滤波器。通过设计参数合适的无源滤波器，再在PSASP里面进行电能质量计算，可以验证滤波效果，避免谐波放大[5,6]。

PSASP电能质量计算的主要功能有频率扫描计算、单相/三相谐波计算、三相电压不平衡计算、波动与闪变计算。频率扫描计算是在全网络中任选1条或两条母线确定最低频率、最高频率、频率步长，通过全网的频率扫描计算得出所选母线的网络频率响应，进一步确定系统的串联谐振频率和并联谐振频率，获取系统谐波谐振条件，为滤波器设计提供参数。单相/三相谐波计算主要用来分析谐波在系统中的分布情况，采用线性分析方法录入谐波源和滤波器参数，建立线性方程，得到谐波分布数据。此外，三相谐波计算可选用电气化铁路中的牵引变压器及所连的谐波源和滤波器模型。三相电压不平衡计算采用三相网络模型，某些节点选择相电流源、序电流源或电铁项目的牵引变压器及牵引电流源、牵引滤波器，然后解线性方程得到相应电压和电流量，用于分析由不对称负荷引起的公共连接点处三相电压、电流不平衡。依据标准《电能质量-电压波动和闪变》（GB/T 12326—2008），计算波动负荷影响下公共连接点处的电压波动值和闪变值。其中，支持闪变值评估的波动负荷包括造成矩形电压波动的负荷、交流电弧炉、直流电弧炉、精炼电弧炉以及康斯丁电弧炉[7-12]。PSASP电能质量计算结果输出采用报表或曲线方式，报表方式以Excel报表或文本文件等形式按照选定的范围和内容输出，曲线方式将电能质量计算得到的仿真曲线在相应界面中输出。

2 PSASP电能质量计算流程

PSASP电能质量计算流程如图1所示。

图1 PSASP电能质量计算流程

系统可计算公共连接点的电能质量限值，并将计算结果自动填入到相应的表格中，其中谐波电流限值计算最高到25次谐波。在计算作业定义时先选择计算类型，包含谐波计算、三相电压不平衡计算、电压波动与闪变计算。其中，谐波计算分为频率扫描、单相谐波计算以及三相不对称谐波计算。谐波源数据在单相谐波计算或者三相不对称谐波计算前录入，输入谐波源所连母线名称、额定电流、各次谐波电流百分比和相角，最高支持30次谐波计算。

3 PSASP电能质量分析实例

3.1 系统单线图及运行参数

某用户供配电系统单线构成如图2所示。

图2 某用户供配电系统单线构成

用户与公用电网连接点（Point of Common Coupling，PCC）处等效电网中10 kV PCC点母线三相短路容量为12.943 MV·A，短路阻抗为7.726184 Ω。0.38 kV低压母线三相短路容量为8.857 MV·A，短路阻抗为0.016303 Ω。谐波源负荷基波有功功率为500 kW，功率因数为0.62，视在功率为806.4516 kV·A，无功功率为632.7434 kV·A，电流为1.2253 kA。谐波源注入母线的5次谐波电流为118.28 A，7次谐波电流为68.32 A，11次谐波电流为41.74 A，13次谐波电流为34.80 A，17次谐波电流为29.81 A，19次谐波电流为21.50 A，23次谐波电流为24.37 A，25次谐波电流为11.51 A。双绕组变压器容量为1600 kV·A，短路损耗为10.9 kW，空载损耗为2.18 kW。用户供电设备容量取变压器容量为1.6 MV·A，协议用电容量取谐波源负荷最大功率为1 MV·A。计算各次谐波电流限值和超标情况如表1所示。

表1 谐波源谐波电流限值和超标情况统计

由表1可知，各次谐波电流的发射量均超过国家标准规定的限值。

3.2 滤波方案设计

通过上述谐波源谐波电流的发射量，设计5次单调谐滤波器、7次单调谐滤波器以及11次二阶高通滤波器。考虑滤波器的无功补偿作用，设定加入滤波器以后系统的功率因数从原来的0.62提升至0.98，得到无功功率总补偿容量为531.2141 kV·A，取整数530 kV·A。

理论条件下，滤波器的调谐频率和要滤除的特征谐波的频率相等，此时滤波最为理想。考虑到滤波器中电容器的温漂及制造偏差、电抗器的非线性以及系统频率的变化，可能会使滤波器特征频率阻抗呈容性而导致谐波放大。为了确保滤波器长期运行的稳定性和可靠性，一般取调谐次数略小于滤波器次数。典型取法为5次滤波器调谐次数取4.75，7次滤波器调谐次数取6.65，11次滤波器调谐次数取10.45。

设计5次单调谐滤波器主要滤除5次谐波、7次单调谐滤波器主要滤除7次谐波、11次二阶高通滤波器滤除11次及以上频次的谐波。按照各次谐波占比总的谐波比例分配补偿容量，得到5次单调谐滤波器补偿容量为180 kV·A，7次单调谐滤波器补偿容量为100 kV·A，11次二阶高通滤波器补偿容量为250 kV·A。考虑到在实际应用中电容器大小都是标准化，不可随意乱取，这里选取低压常用的电容器规格，单台电容器的额定容量为30 kV·A，额定电压为0.48 kV。通过单台电容器的串并联组成所需容量的滤波器，3种滤波器的配置情况和主要参数如表2所示。

表2 滤波器的配置情况和主要参数

3.3 PSASP仿真分析

将系统参数、谐波源数据、滤波器配置输入PSASP一体化仿真平台，建立仿真模型。0.38 kV低压母线电压在加入滤波器前后的局部时段电压波形如图3和图4所示，电流波形如图5和图6所示。

图3 0.38 kV低压母线三相电压瞬时值和线电压有效值曲线（加入滤波器前）

图4 0.38 kV低压母线三相电压瞬时值和线电压有效值曲线（加入滤波器后）

图5 0.38 kV低压母线三相电流瞬时值和电流有效值曲线（加入滤波器前）

图6 0.38 kV低压母线三相电流瞬时值和电流有效值曲线（加入滤波器后）

电压与电流曲线在加入滤波器之前均有较大的畸变且为非标准正弦波，加入滤波器之后有了较大的改观，接近标准正弦波，电压质量有了较大改善。滤波器谐波电流滤除后的数据如表3所示。

表3 滤波器谐波电流滤除后的数据

根据表3中的数据可知，大量谐波电流流入滤波器，少量注入系统，其数值小于标准规定的限值，电流质量合格。

4 结 论

本文介绍了PSASP软件的电能质量计算模块及其计算功能，主要有频率扫描计算、单相/三相谐波计算、三相电压不平衡计算、波动与闪变计算，并详细描述了该软件的电能质量计算流程。利用该软件对具体某用户供配电系统进行了电能质量分析，该系统各次谐波电流的发射量均超过国家标准规定的限值。对此设计了滤波方案，将系统参数、谐波源数据、滤波器配置输入PSASP一体化仿真平台，建立仿真模型进行仿真分析，给出了该系统加入滤波器前后0.38 kV低压母线三相电压瞬时值和线电压有效值曲线、0.38 kV低压母线三相电流瞬时值和电流有效值曲线。加入滤波器后，电压质量有了较大改观。