基于PSCAD的谐波干扰仿真

张银，郝秀杰，张祥华，周晓华

装备运行管理

基于PSCAD的谐波干扰仿真

张银1，3，郝秀杰2，张祥华4，周晓华1

（1.广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006；2.国网山东省电力公司德州供电公司，山东德州253000；3.广西高校工业过程智能控制技术重点实验室，广西柳州545006；4.国网山东省电力公司泰安供电公司，山东泰安271000）

谐波干扰是是电力系统中各种设备故障和经济损失的一个主要来源，而谐波干扰的仿真是电力系统谐波干扰检测算法理论研究的重要基础。将PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）仿真技术应用于谐波干扰的仿真中，可以通过调整各种仿真参数，对谐波干扰进行动态仿真。与MATLAB对谐波的仿真效果相比，在PSCAD环境下仿真的谐波干扰信号更加贴近实际。应用PSCAD软件可实现谐波干扰信号的动态仿真，有利于谐波干扰检测的理论研究，为谐波干扰检测算法的研究和提出提供动态可靠的仿真数据。

谐波干扰；PSCAD；仿真

随着各种微电子器件和非线性负载的不断增加，电力系统中谐波干扰造成的经济损失越来越大[1-2]。为了解决该问题，如何快速准确地对谐波干扰进行检测和排除就显得尤为重要[3]。

鉴于电力系统的复杂性和重要性，直接进行谐波干扰的在线研究可行性比较差。因此，将谐波干扰检测算法投入实际运用之前，需要进行算法的仿真数据验证。为了进行谐波干扰检测算法的仿真数据验证，需要对谐波干扰进行动态仿真，为谐波干扰检测算法的提出和验证提供实用可靠的数据。

目前，应用较多的是基于MATLAB的谐波干扰仿真，该仿真主要依据文献[4]中提出的谐波干扰仿真模型。该仿真模型对IEEE电能质量干扰标准[5]中规定的谐波干扰进行了很好的描述。但是，依据该模型仿真获得的谐波干扰信号趋于理想化，基于理想条件提出的谐波干扰检测算法在理想条件下具有很好的检测效果，但是在实际应用中的处理效果可能会与预期相差甚远[6]。

PSCAD是电力系统电磁暂态仿真软件，可以对电力系统进行动态仿真，仿真波形和效果非常贴近实际，在世界范围内的电力系统分析领域得到越来越广泛的应用[7]。

本文通过将抽象的、静态的谐波干扰通过PSC AD仿真及参数调整使其直观形象地加以呈现，并将仿真数据用于谐波干扰检测算法的研究。

1 谐波干扰

对于谐波干扰，IEEE、IEC等都对其产生原因和典型特性进行了详细描述。IEEE Std 1159-2009是目前使用较多的一种电能质量标准，本文主要以该标准为基础，对谐波干扰进行简单介绍和仿真研究，并简单列出目前使用较为普遍的MATLAB谐波干扰仿真模型。

谐波，是指频率为基频信号频率整数倍的正弦信号[8]。当谐波信号与基频信号叠加在一起时，谐波会引起原有正弦信号的波形畸变[9]。

电力系统中产生谐波的设备成为谐波源。在电力系统中，非线性器件或设备是谐波的主要来源。电力系统的谐波源从非线性特性角度来看，主要有三大类：铁磁饱和型、电子开关型及电弧型。

谐波的MATLAB仿真模型为[4]

式中，A为信号幅值，0.05≤α3、α5、αm≤0.15，αm是第m次谐波的系数，Σαi=1，i=1，3，5，...，m，....

u为阶跃函数，表达式为

2 基于PSCAD的谐波干扰仿真

本文基于谐波干扰的各种产生原因对谐波干扰进行了动态仿真。

对于谐波干扰的仿真，MATLAB和PACAD是目前常用的两种仿真软件。Murat等[4]提出了基于MA TLAB仿真的谐波干扰信号的仿真模型，谐波干扰的MATLAB仿真模型如1所示。

图1 基于PSCAD的谐波仿真波形图

该仿真模型是基于理想条件的，该模型在谐波干扰的仿真过程中完全忽略了除谐波干扰以外的其他干扰对谐波干扰信号可能造成的影响，比如各种噪声干扰、各种不同设备同时运行引起的系统干扰等。基于理想条件提出的谐波干扰检测算法在理想条件下具有很好的检测效果，但是在实际应用中的处理效果可能会与预期相差甚远。

作为电力系统实时仿真软件，PSCAD在世界范围内得到了广泛使用。与MATLAB相比，基于PSCAD的谐波仿真数据更加接近实际数据，十分适用于谐波干扰信号的仿真。为此，本文通过对实际配电网接线图进行扩展，搭建了基于PSCAD的谐波干扰实时仿真模型。该系统模型综合考虑了各种电气设备之间的相互影响，能够很好的对谐波干扰进行动态仿真。

模型1用于仿真由于高压直流输电（HVDC）引起电力系统谐波干扰的PSCAD仿真模型。HVDC中的换流站（包括整流和逆变）中包含大量电力电子器件，而这些电力电子器件的特性是非线性的。换流站在进行交流到直流和直流到交流的变换过程中，都会产生大量谐波。这些谐波的存在一方面会影响电能的传输效果，降低传输效率；另一方面还会产生谐波干扰，对周围设备造成不良影响，影响周围设备的正常运行。

在该支路中，可以通过调整整流桥类型、整流桥触发角大小以及变压器的类型等对谐波的组成和谐波的幅值进行调整。

模型2用于仿真由普通电力电子设备引入电力系统的谐波干扰。这些电力电子设备包括单个电力电子器件、整流电路、逆变电路、交交变频电路、直流斩波电路等。谐波的组成可以通过调整电力电子器件的参数、组合等来进行调整。

图1是基于模型1仿真的谐波干扰波形。

3 结束语

本文将PSCAD仿真技术引入到谐波干扰的仿真中，采用理论与仿真实验相结合的方式，可使抽象、静态的谐波干扰问题转化为具体、动态的实时谐波干扰数据和波形，对谐波干扰检测算法的研究和提出具有重要的应用价值。

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]徐明荣.电能质量数学分析方法[M].北京:中国电力出版社，2016.

[3]刘军成.电能质量分析方法[M].北京:中国电力出版社，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]蒋建东，周挥毫.基于PSCAD的交直流电力系统故障仿真[J].微计算机信息，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]张银.形态学小波算法研究及其在电力系统信号处理中的应用[D].广州：华南理工大学，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年度广西科技大学科学基金项目（编号：校科自20161308）；广西高校工业过程智能控制技术重点实验室主任基金（编号：IPICT-2016-06）

张银（1986-），男，山东泰安人，讲师，硕士，研究方向：信号处理、数学形态学、电机故障检测等。