如何用ETAP进行谐波分析|基波|幅值|波形|滤波器|谐波|谐波分析|阻抗

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生活处处充满感动。

无论是脱口秀大会小佳的淘汰感言还是一条看似漫不经心的聊天回复。

"你去看看和你无关的别人的语默动静，纠结痛苦，欢声笑语，无力挣扎。等折腾够了，是不是有些人变得麻木不仁了，少有人活的很生动。

再回来看看自己，就那么回事吧，有什么需要一定是这样那样。照顾好自己，照顾好身边的人，照顾好生活。”

这篇文章我们将概述谐波，如何在etap中建模、进行谐波计算及分析，

滤波器的选型及校验，

grid code harmonic，，，

最后总结。

谐波属于一种电能质量问题，主要由电力系统中的非线性负载引起，谐波频率是基波频率的整数倍，在此频率下的电压和(或)电流波。

电力系统的许多问题都可能由谐波引起

谐波危害

-设备故障和装置误动作，包括电动机、电缆、变压器、中性线的过热（过流）、电机振动、噪声以及断路器误动作、发电机调节器故障

-经济因素的考虑

谐波带来的损耗，例如电机的损耗、电缆和变压器的损耗、设备选型和设备的增加

-功率因数的考虑

在进行功率因数校正时用到无功补偿装置，电容器的选择也需要对谐波进行考虑

-其他重要问题

如对于更高频率的电磁场的通信系统的干扰

以下是配四中谐波危害章节

上面说明了为什么谐波分析很重要，并且随着可再生资源（光伏、风电等）的大量增长，也给电力系统带来了很多谐波源，所以，毫无疑问，谐波分析也是可再生能源项目研究的一个重要组成部分。

这里是我们使用 etap 进行谐波分析的目标

-确定系统大小中的谐波电压和电流水平

-设备选型时考虑谐波影响，例如电缆电容器、变压器等

-确定谐振的条件

-验证减小谐波策略

-检查是否符合公共电网的谐波限值标准

这里列出了常见的谐波源

一般可以分为谐波电压源和谐波电流源，

通常电网被认为是电压源，同步发电机和变压器在某些条件下会产生谐波电压或电流。

电力电子设备，例如逆变器和其他非线性负载，例如电弧炉，它们是电力系统中常见的谐波电压源或电流源。

谐波源建模

ETAP中，谐波源可以使用谐波库来模拟或在元件编辑器中进行建模

当您收到制造商的谐波测试报告时，

进行谐波建模的第一件事是将数据插入谐波库中，点击菜单库-谐波

现在您将看到条目已添加，现在让我们单击编辑按钮打开谐波库编辑器

让我指定基频为 60hz，现在我将 excel 文件中的数据插入谐波库中

首先复制谐波次数，ctrl+c ，然后回到我的谐波库，ctrl +v，这样所有的谐波次数和相应的频率将被插入到表中。

回到excel表，再选择幅值列，复制到谐波库中。

现在我将数据插入了谐波库中，可以预览波形和频谱

现在让我们单击确定并关闭该库，将刚刚创建的谐波库插入到 vfd，我们打开 vfd 编辑器，打开谐波页面，单击库，可以找到制造商和型号，让我们单击确定，可以看到我们刚刚创建的波形和频谱。

这样就完成了谐波库的创建和选择。

还有另一种方法可以创建谐波波形，即选择 ieee 519方程选项在这里您可以指定参数，例如脉冲数、偏移角、最大谐波次数等，etap能够根据输入的参数自动生成波形和频谱。

产生各次谐波的元件阻抗在建模分析中很重要

一般来说，阻抗是根据谐波频率和组件类型来调整的。

三次谐波频率，零序阻抗调整为实际频率，并使用零序网络。

这里值得一提的是etap中的一些特性。

第一个是设备趋肤效应，可以根据 ieee 399标准考虑

这个适用于到感应和同步电机、变压器、电抗器和传输线。

下面结合ETAP帮助文档看一看，谐波分析模块中，

study case模型选项卡的设置

我这是旧版截图，新版的界面有更新，但不影响要说的这三点内容

①谐波源模型的三个选项就是下图ABC三种情况，A是理想型，不考虑谐波源的内阻，B和C考虑谐波源内阻，其中B不考率内阻的分流，C考虑内阻的分流。

Ideal Current Source（A）

If this option is selected, a harmonic current source will be represented by a pure current source, as shown in Model A above. By this model, the current source will inject harmonic current as specified by its harmonic spectrum, independent of system impedance and source internal impedance. This is the same model provided in previous releases of ETAP.

Thevenin/Norton Equivalent for Non-Electronic Sources（B or C）

If this option is selected, a non-electronic harmonic current source will be represented by an equivalent Thevenin/Norton model as shown in Model B or C above. The harmonic current source will be represented by a pure current source connected in parallel with source internal impedance. For a harmonic order at which the source has zero current injection, it will be represented by its internal impedance only.

When this option is selected, the ini file entry, IncludeSystemImpedance, decides if Model B or C is used. If this ini file entry is False, Model B will apply; if the entry is True, Model C will apply. In Model B, the harmonic current (Iha, i.e. 5% for 5th order harmonic) from the current source (Isource) is following the harmonic spectrum specified for the source. Due to the current sharing of the source internal impedance, the amount of harmonic current injected into the system will be smaller. The difference between the two depends on values of source and system impedance. In Model C, the harmonic current from the pure current source (Isource) is adjusted so that the actual harmonic current injection into the system (Iha, i.e. 5% for 5th order harmonic) is following the harmonic spectrum specified for the source.

Note thatUtility, generator, and static loadare considered as non-electronic harmonic sources. When this option is selected,the electronic sources and transformer sourceswill be modeled as an ideal current source.

Thevenin/Norton Equivalent for All Sources(Recommended Method)

If this option is selected, all types of harmonic current sources will be represented by an equivalent Thevenin/Norton model as shown in Model B or C above. The effect of the ini file entry (IncludeSystemImpedance) is the same as described in the previous section.

②传输线和电缆是长线模型（long line）还是短线模型（short line），这里对应国标的说法应该是什么？

对于60Hz系统，大于250km或大于150mile（英里）的传输线或电缆，认为是长线模型（long line)

③集肤效应（趋肤效应）

IEEE 399-1997我搜了也下载了，发现是一本理论性极强的规范（其实就是看不懂），并且有495页，后面有时间我会把集肤效应相关的摘出来翻译一下，现在只能加一下收藏夹。

看看ETAP帮助的解释，这里简单说就是设置是否考虑集肤效应。

Skin Effect Model

This section allows you to select specific options for applying or modeling the skin effect on some of the most common power elements likeinduction motors,synchronous machinesandtransformers.Cables and transmission linesalso have skin effect models and are always applied, but are not included in this section.

Induction Machines Skin Effect Model

If this check box is applied, then induction motors will include the skin effect. The skin effect equations applied are based on IEEE 399-1995 (Brown Book). If the box is not checked, then no skin effect is applied (similar to ETAP 16.2.0 and before).

Synchronous Machines Skin Effect Model

Transformers Skin Effect Model

If this check box is applied, then transformer skin effect is determined according to IEEE 399-1995 (Brown Book) equations. If the box is not checked, then no skin effect is applied according to IEEE 519-1992 equations (similar to ETAP 16.2.0 and before).

静态负载可以建模为R/X组件，串联或并联。（ini entry）

各次谐波次数下，电缆的正序、零序阻抗和电纳可以在 excel 文件中自定义，并在相应的电缆编辑器中选择。

建模完毕，现在可以进行谐波分析

etap 提供了多种谐波分析类型，谐波潮流分析在基波频率下进行潮流计算，然后使用基波电压和电流结果来计算不同谐波次数下的结果，仿真考虑了系统中每个谐波源的各次谐波的频率，包括谐波和间谐波。

计算出总线电压THD、IHD和馈线的TDD、IHD，将它们与所选的谐波标准的限值进行比较。

如果检测到任何违规或超出元件容量，它们将显示在谐波潮流分析警报（报错）视图中。

这些结果可通过拖动谐波潮流滑块在单线图上显示，显示结果可在谐波显示选项编辑器中编辑。

也可以通过图像来显示电压和电流波形以及谐波频谱的条形图。

还可以输出带有图像和计算表的报告。

谐波潮流计算

在etap运行谐波潮流计算，点击谐波模块工具栏中的谐波潮流按钮，

当计算运行完毕，会弹出谐波次数滑块。

滑块中的第一个点是总谐波（total），可以看到每条母线总的电压总谐波畸变率和相应的方均根植以及每条馈线的电流总谐波畸变率和相应的方均根植。

这里值得一提的是，ETAP可以计算出所有分支的总功率因数（TPF），

这意味着，当滑块显示总谐波时，读取的功率因数考虑了所有次数的谐波。

如果我们将滑块移动一步（1的位置），得到基波的计算结果，将总功率因数（TPF）与位移功率因数（DPF， displacement power factor）进行比较，您会注意到差异。

可以继续点击谐波次数滑块以读取每个谐波次数的计算结果。

补充下displacement power factor ,DPF的含义：

功率因数的定义是交流电路中阻抗角的余弦值，它的物理意义是交流电路中的有功功率与视在功率的比值即cosφ＝ P/S

当线路中有谐波时，真实功率因数包括谐波部分，但位移功率因数只考虑基波频率，

当线路中没有谐波时，真实功率因数和位移功率因数相同

畸变功率因数

畸变功率因数（Distortion power factor）量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响。以下计算假设电压仍维持正弦波，没有畸变，此假设接近一般实际应用的情形。

THD 为负载电流的总谐波畸变（Total Harmonic Distortion）。

若将畸变功率因数乘以位移功率因数（displacement power factor，简称DPF），即可得到总功率因数，也可称为真功率因数：

计算结果不但可以通过单线图显示，还可以通过图像生成，ETAP提供了两个

谐波图像生成按钮。

一个是谐波分析图像，选择两条总线bus1和bus2，可以绘制带有波形、频谱及谐波次数的图像，

并可以使用左上角的选项生成图片或输出excel格式的数据并将其用于研究报告。

另一个图像生成按钮称为图像分析器

还是选择两条总线，display选择频率Hz

将看到的图像是在 html 网页上生成的，这种图像，不仅显示波形，而且还有一条虚线的正弦曲线，代表理想的正弦波，也就是基波。

这些图像可以导出为图片文件，用于研究报告。

进行谐波分析的一个重要目的是根据标准评估总谐波畸变率和各次谐波畸变率individual harmonic distortion，我们还需要评估设备的选型，如电缆、变压器、电容器、滤波器等。

下面介绍如何定义谐波的限值，

这里有谐波限值列表，都是在 etap中根据不同标准和电网规范预定义好的。

主要内容在电压选项卡和电流选项卡中，在电压选项卡将看到谐波畸变限值根据不同电压进行分类

类似的，在电流选项卡中，这些限值也按电压分类，表格最上面一行，短路电流与满载电流比作为分列的基准，可以看到电压总谐波畸变以及各次谐波畸变限值。

还可定义总谐波畸变限值和单个谐波畸变限值标准，自定义需要先点击小锁图标解锁。

警报阈值可以在谐波研究案例（study case）中定义，首先在合规（compliance）选项卡中，选择标准的 ID

这里有一个复选框，

Except if Local Rules Selected in Bus Editor

This check box allows the program to use local harmonic distortion compliance limits for certain locations (where specified at the bus harmonic distortion page) and still use a global compliance set of limits for the rest of locations where a local or individual compliance rulebook is not specified. If this option is unchecked, all voltage and current compliance limits are evaluated based on the selected rulebook in the study case.

如果不选这个复选框，所有的谐波限值都按Rule ID 下拉列表选择的来，如IEEE 519；

当勾选了复选框，某些总线的谐波限值可以不按study case中选择的标准限定，而是可以自定义其他标准或当地规定，如下图

报警（alert）选项卡中，可定义电缆、变压器、电容器和滤波器的临界和边缘警报阈值。

cable下面有一个 harmonic distribution factor可以勾选

还可以通过使用涡流损耗（eddy current loss）考虑变压器的降额系数

变压器涡流损耗在变压器编辑器阻抗页面中定义，新版的ETAP才会有，我目前用的ETAP19是没有这个选项的。

所有生成的报错都可以通过单击报错查看器来查看

可看到所有报错，如THD、IHD、所有组件的选型错误，以及导致报错的谐波次数。

所有谐波结果都可以由谐波报告管理器生成研究报告，

包括系统输入数据、基本潮流结果、系统谐波信息、显示谐波含量的母线及支路的电压和电流信息的表格

谐波源的数据

谐波潮流计算结果

母线和分支的VTHD计算结果

谐振和谐波频率计算

与谐波有关的一个重要问题是电力系统中的谐振条件，因为系统中同时存在电感组件和电容组件，所以某些母线在某些频率下可能满足谐振条件。

如果谐振发生，在谐波电流注入系统的总线上，则会发生过电压情况。

etap 频率扫描计算是研究系统谐振问题的工具，它计算并支持总线驱动点的幅值和相位角阻抗在用户指定的频率范围内进行任何并联谐振条件

谐波频率扫描计算还允许用户调整滤波器参数并验证选型的正确性。

频率扫描计算使用系统正序和零序阻抗作为基本阻抗，结果显示在单线图或图像中。

现在让我们在 etap 中运行

谐波频率扫描计算

会出现一个谐波频率滑块，而不是显示谐波次数 1234，它显示了用户在study case中指定的所有谐波频率。

在每个谐波频率下，母线旁边会显示一个阻抗值，这代表总线驱动点阻抗。此数据可用于确定可能发生的并联谐振的位置。

频率扫描分析计算的警报视图可以查看潜在问题（报错），将显示母线 ID和可能导致并联谐振的谐波次数，以及相应的阻抗Z的幅值

接下来看计算生成的图像，打开谐波分析图像（harmonic analysis plots）来查看bus1的谐波图像，

选择频率扫描，bus1，z幅度，z角度和谐波次数，然后etap自动绘制。

看到 21 次谐波处有一个峰值，在警报视图中也显示了相同的信息，21

与谐波潮流计算类似，频率扫描计算也提供了另一种图像分析功能。

在图像分析器中，来看一下bus2，勾选图像数据库名称，ha-fs-pos，即刚刚运行的谐波频率扫描的名称，默认为HA（Harmonic Analysis）

图像包括Z幅值，在Z幅值图像可以看到可能发生谐振的点（21次谐波的位置有一个峰值），Z角，二维的R/X 图像和三维 R/X/谐波次数图像。

三维的图像可拖动鼠标旋转，从不同角度查看，并对其进行进一步分析。

etap新版对频率扫描所做的一项改进是，在study case中支持选择，频率扫描计算是基于正序还是零序阻抗，将根据此处的选择来完成计算。

计算结果可以在频率扫描报告管理器中看到，其中包括系统输入数据、表格计算结果、母线驱动点阻抗等。

不平衡谐波分析模块

新版ETAP提供了不平衡谐波分析模块

可进行单相和不平衡三相系统的建模，可以计算得到，每相（序）电压和电流畸变、每相（序）的频率扫描结果。

运行不平衡谐波分析，点击不平衡谐波分析模块

结算结果如下：

在单线线图上，所有结果都按相（序）显示，仍然有谐波次数滑块，

可以在总谐波畸变和某次谐波畸变之间切换显示结果。

显示选项中可设置，谐波计算结果显示，每相还是每序。由于我这里还是旧版本，暂时不明白，这个“每相和每序”有什么区别。

图像也可以按每相（序）显示结算结果，以bus1为例，三个不同颜色代表ABC相

可一看到a相、b相和c相的曲线，类似地，同样可以运行不平衡系统的频率扫描计算，结算结果也是按每相（序）来显示。

在执行谐波潮流和频率扫描计算之后，我们已经明确了谐波造成的相关问题（报错）。

滤波器的建模和选型

下一步是制定减小谐波的不良影响的策略并且验证，即滤波器的建模和选型及验证。

etap提供了谐波滤波器的详细建模和选型，还可以对有源滤波器进行建模，并模拟其对谐波功率因数的校正和三相不平衡补偿的影响。

首先，运行谐波潮流计算

以 bus1作为研究对象，打开bus1的谐波频谱图像，可以看到五次谐波产生最高畸变。

好，那就要消除五次谐波

打开滤波器编辑器，转到参数页面，

点击选size filter按钮，以调整滤波器的大小，选择需要消除的谐波次数，即 5。

五次谐波电流，输入170A

选择功率因数校正，需要校正至，比如设置为100%

还需要输入现有的功率因数以及负载容量Mva

如何能够得到现有的功率因数，需要将谐波次数滑块移动到基波或一次

看到此时不设置滤波器的功率因数是86.74 %

为得到连接的负载容量Mva，建立该模型的副本（其他不变只把滤波器断开），然后运行潮流计算，能够看到流入bus1的容量为754 kva

为了选择滤波器，要计算每一相上的容量，因此每一相负载就是潮流计算中的754kVA除以 3，即 0.25MVA，现在，过滤器选型所需的所有信息都已经OK了。可以点击选择滤波器按钮（size filer），将看到计算结果，然后点击替代（substitute）来更新滤波器编辑器，单击确定。

下面，验证选择的滤波器是否有效

右键滤波器，勾选in service，使滤波器投入运行，

再次运行谐波潮流，查看计算结果，在基波频率下，可以看到DPF畸变功率因数已被校正至100％，

拖动滑块至5次谐波，会发现到流入bus5的总电流现在只有 4.2A，加入滤波器前曾经是 170A，这表明etap选择的滤波器的大小是正确的。

以上为视频翻译，到24分钟多，暂时到这里。

补充几个点（源自网络）

1、TDD

总需求电流畸变率：TDD (total demand distortion) 总需求电流畸变率的定义与总谐波电流畸变率十分相近，但是分母是用户需求的最大基波电流有效值，而不是基波电流的有效值。在工厂新建建时，这个最大需求基波电流可以是协议用电量，对于已经运行的工厂，这个最大需求电流是工厂过去一年中的电流平均值。

THD是评估电压失真的有效方法。然而，在评估电流失真时，THD 可能会产生误导。

对于电压THD，这将是电压谐波与基波电压相比的总和。在非故障条件下，电压将始终存在，因此始终存在正确的参考。电流的 THD 并非如此。

电流的THD是电流谐波与基波电流的比值百分数。

问题是基波电流会随着电网系统中的负载的开启和关闭而在整个记录过程中发生变化。

如果负载关闭，则基波电流下降。由于基波电流在THD计算时被用作参考，因此当基波电流接近零时（分母很小），计算出的谐波电流THD值将会非常高。

但系统的负载其实很低，在这种情况下，计算出的THD虽然高，但是谐波可能对系统的影响很小。

TDD可以更好地了解谐波失真对系统的影响有多大。

TDD计算时分母是用户需求的最大基波电流有效值。这意味着即使实际电流很低，需求值不变，不会给出误导性结果。

2.驱动点阻抗 driving point impedance

3.涡流损耗（Eddy Current Losses），