基于PSASP的電能質(zhì)量分析研究與應(yīng)用

吳 濤，許德陽，楊 柳，崔 簫，錢葉牛

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

1 PSASP電能質(zhì)量計算概述

當(dāng)今社會中，電能是一種廣泛應(yīng)用的能源。隨著國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對電能質(zhì)量的要求越來越高。電能質(zhì)量包含電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量以及用電質(zhì)量，電能質(zhì)量異常會給發(fā)電、輸電、變電、配電以及用電環(huán)節(jié)帶來不同程度的危害。為了加強電能質(zhì)量專業(yè)管理，國家電網(wǎng)公司制定了電能質(zhì)量評估技術(shù)導(dǎo)則等管理文件，詳細(xì)規(guī)定了各類用戶接入公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量評估方法、評估流程等，評估的指標(biāo)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(zhì)量評估可采用手動計算方式，也可采用具備電能質(zhì)量計算的電力系統(tǒng)仿真軟件，通常采用后者。目前可進(jìn)行電能質(zhì)量計算的電力系統(tǒng)仿真軟件有電力系統(tǒng)分析綜合程序（Power System Analysis Software Package，PSASP）、電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）、DIgSILENT等。其中PSASP是由中國電科院自主研發(fā)的仿真軟件，具有大電網(wǎng)潮流計算、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算等綜合仿真功能，在電力公司、發(fā)電企業(yè)、設(shè)計單位廣泛使用[1-4]。

PSASP電能質(zhì)量計算模型包含單相網(wǎng)絡(luò)模型、三相網(wǎng)絡(luò)模型、交流線諧波模型、變壓器諧波模型、負(fù)荷諧波模型以及無源濾波器模型等。單相網(wǎng)絡(luò)模型在頻率掃描計算、單相諧波計算時使用。三相網(wǎng)絡(luò)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(shù)等值電路和分布參數(shù)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(shù)計算等值電路參數(shù)。變壓器諧波模型分IEEE變壓器模型、常規(guī)變壓器模型、CIGRE變壓器模型。負(fù)荷諧波模型分RL串聯(lián)模型、RL并聯(lián)模型、含電動機模型、綜合負(fù)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(diào)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(shè)計參數(shù)合適的無源濾波器，再在PSASP里面進(jìn)行電能質(zhì)量計算，可以驗證濾波效果，避免諧波放大[5,6]。

PSASP電能質(zhì)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的頻率掃描計算得出所選母線的網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)，進(jìn)一步確定系統(tǒng)的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率，獲取系統(tǒng)諧波諧振條件，為濾波器設(shè)計提供參數(shù)。單相/三相諧波計算主要用來分析諧波在系統(tǒng)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(shù)，建立線性方程，得到諧波分布數(shù)據(jù)。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(wǎng)絡(luò)模型，某些節(jié)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(yīng)電壓和電流量，用于分析由不對稱負(fù)荷引起的公共連接點處三相電壓、電流不平衡。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量-電壓波動和閃變》（GB/T 12326—2008），計算波動負(fù)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(fù)荷包括造成矩形電壓波動的負(fù)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(zhì)量計算結(jié)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(nèi)容輸出，曲線方式將電能質(zhì)量計算得到的仿真曲線在相應(yīng)界面中輸出。

2 PSASP電能質(zhì)量計算流程

PSASP電能質(zhì)量計算流程如圖1所示。

圖1 PSASP電能質(zhì)量計算流程

系統(tǒng)可計算公共連接點的電能質(zhì)量限值，并將計算結(jié)果自動填入到相應(yīng)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(yè)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(shù)據(jù)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(zhì)量分析實例

3.1 系統(tǒng)單線圖及運行參數(shù)

某用戶供配電系統(tǒng)單線構(gòu)成如圖2所示。

圖2 某用戶供配電系統(tǒng)單線構(gòu)成

用戶與公用電網(wǎng)連接點（Point of Common Coupling，PCC）處等效電網(wǎng)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(fù)荷基波有功功率為500 kW，功率因數(shù)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(shè)備容量取變壓器容量為1.6 MV·A，協(xié)議用電容量取諧波源負(fù)荷最大功率為1 MV·A。計算各次諧波電流限值和超標(biāo)情況如表1所示。

表1 諧波源諧波電流限值和超標(biāo)情況統(tǒng)計

由表1可知，各次諧波電流的發(fā)射量均超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

3.2 濾波方案設(shè)計

通過上述諧波源諧波電流的發(fā)射量，設(shè)計5次單調(diào)諧濾波器、7次單調(diào)諧濾波器以及11次二階高通濾波器?？紤]濾波器的無功補償作用，設(shè)定加入濾波器以后系統(tǒng)的功率因數(shù)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(shù)530 kV·A。

理論條件下，濾波器的調(diào)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?？紤]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(tǒng)頻率的變化，可能會使濾波器特征頻率阻抗呈容性而導(dǎo)致諧波放大。為了確保濾波器長期運行的穩(wěn)定性和可靠性，一般取調(diào)諧次數(shù)略小于濾波器次數(shù)。典型取法為5次濾波器調(diào)諧次數(shù)取4.75，7次濾波器調(diào)諧次數(shù)取6.65，11次濾波器調(diào)諧次數(shù)取10.45。

設(shè)計5次單調(diào)諧濾波器主要濾除5次諧波、7次單調(diào)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(diào)諧濾波器補償容量為180 kV·A，7次單調(diào)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?？紤]到在實際應(yīng)用中電容器大小都是標(biāo)準(zhǔn)化，不可隨意亂取，這里選取低壓常用的電容器規(guī)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(lián)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(shù)如表2所示。

表2 濾波器的配置情況和主要參數(shù)

3.3 PSASP仿真分析

將系統(tǒng)參數(shù)、諧波源數(shù)據(jù)、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(biāo)準(zhǔn)正弦波，加入濾波器之后有了較大的改觀，接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電壓質(zhì)量有了較大改善。濾波器諧波電流濾除后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 濾波器諧波電流濾除后的數(shù)據(jù)

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可知，大量諧波電流流入濾波器，少量注入系統(tǒng)，其數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，電流質(zhì)量合格。

4 結(jié) 論

本文介紹了PSASP軟件的電能質(zhì)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(xì)描述了該軟件的電能質(zhì)量計算流程。利用該軟件對具體某用戶供配電系統(tǒng)進(jìn)行了電能質(zhì)量分析，該系統(tǒng)各次諧波電流的發(fā)射量均超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。對此設(shè)計了濾波方案，將系統(tǒng)參數(shù)、諧波源數(shù)據(jù)、濾波器配置輸入PSASP一體化仿真平臺，建立仿真模型進(jìn)行仿真分析，給出了該系統(tǒng)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(zhì)量有了較大改觀。