时域仿真中的谐波分析与电能质量研究

主要收获

• • 时域仿真展示了在实际运行状态下，谐波电流如何转化为母线电压畸变。

  • 模型边界、馈线阻抗、开关细节以及分析窗口共同决定了总谐波失真结果的可靠性。

  • 与仅进行设备级筛查相比，针对总线的特定限制检查能带来更优的缓解方案。

频率扫描有助于初步筛查，但无法显示逆变器、电缆阻抗、变压器和控制系统随时间推移如何相互作用。太阳能和电池储能系统预计将占 81%的美国公用事业级 发电容量的81%，因此如今越来越多的馈线都配备了会注入非正弦电流的开关设备。有效的电能质量分析将对开关电源、馈线路径以及用于合规性验证或故障排查的测量母线进行建模。通过这种方式，您才能在模型中计算出总谐波失真，并获得与实际连接设备所经历情况相符的结果。

“时域研究表明，当畸变电流在汇母线上转化为畸变电压时。”

时域研究表明谐波失真究竟是在何时形成的

时域分析可显示畸变电流在母线上转化为畸变电压的时刻。开关、控制装置和馈线阻抗均包含在同一仿真中。因果关系一目了然。当多台设备共用一条馈线时，这使得分析结果更值得信赖。

假设有一条馈线，包含两个有源前端和一个六脉冲整流器。每个负载单独看可能都符合要求。但当这三个部件同时工作时，共用的源阻抗仍会将其电流谐波转化为母线电压问题。频率扫描可以标记谐振点，但无法显示稳态控制和电容器开关如何随时间推移塑造波形。

这一时间点之所以重要，是因为电能质量问题往往与状态有关。启动和轻载时的波形可能比最终稳态运行时的波形更差。变流器输出的阶跃变化也会导致频谱发生偏移。若要了解馈线上的电能质量问题由何引起，除了频谱外，还需分析波形序列。

馈线阻抗决定了转换器谐波何时会引起电压失真

馈线阻抗决定了谐波电流何时会演变为电压畸变问题。同一台变流器在刚性电源上可能看似无害，但在弱馈线上却可能引发问题。每种谐波电流都会在网络路径上产生电压降。这就是为什么母线位置在谐波分析中至关重要。

与大型变压器相连的短馈线，通常比采用较小上游变压器的长电缆线路更能保持母线电压波形。附近的电容器组也会放大特定次谐波。仅凭在换流器端子处测得的电流数据，无法全面了解情况。关键问题在于，附近的电机、继电器和敏感负载在其各自的母线上所承受的电压状况。

许多模型都忽略了这一点，因为上游网络被简化为一个带有简单电感的理想电源。这种简化忽略了电源强度和局部谐振的影响。变压器漏感、电缆电容和补偿电容在此都起着重要作用。谐波失真限值是在母线上进行的检查，因此您的网络模型必须能够解释母线电压，而不仅仅是设备电流。

围绕受限区域的公交车构建模型

正确的模型边界应从母线开始，您必须在此处判断系统是否符合规范或诊断设备受力情况。首先确定该母线后，谐波分析就会更加清晰。随后，附近的母线便成为辅助测量点。它们之间的馈线元件则界定了畸变路径。

一个配电线路可以说明其原理。如果投诉来自电机控制中心，那么仅在进线处进行的测量将无法检测到变压器下游产生的失真。校园微电网也会出现同样的问题。当转换器负载较重时，虽然公用事业接口处的波形看似正常，但较长的二次馈线却会显示出较高的电压总谐波失真。

• 请选择确实存在限制或投诉的公交车。
• 纳入上游网络和变压器数据的源强度。
• 表示在母线之间引入显著阻抗的馈线段。
• 在被监测位置附近添加电容器组或滤波器。
• 运行对该总线造成最大应力的运行状态

这种结构使研究保持了重点。你并非为了追求完整性而构建整个系统，而是构建系统中足够的部分，以解释关键总线上的波形。这种严谨性也确保了缓解措施针对的是正确的位置。

对每个非线性载荷进行建模时，应考虑关键的开关细节

对于非线性负载，需要足够的开关细节，以再现导致馈线畸变的电流波形。并非每个设备都需要完全相同的细节，但确实需要将每个主要电源以足以影响谐波电流注入的精度进行建模。这一选择将决定最终频谱的质量。

电动机系统约占 45%的全球电力消耗，且如今许多系统都采用电力电子驱动装置，这些装置通过改变电流波形来工作，而非直接汲取平滑的正弦波电流。若研究电流畸变问题，用于直流驱动的六脉冲整流器不应被简化为静态功率耗散源；当涉及馈线交互作用时，与滤波器及控制回路相连的PWM逆变器也不应仅被视为平均功率源。该模型必须保留那些决定谐波成分的波形特征。

当您需要能够进行检查和调优的透明变流器及网络模型时，SPS SOFTWARE 正是满足这一需求的理想选择。这一点在存在多个非线性负载的混合馈线中尤为重要。对于其中一个设备，可以采用平均法进行功率流建模；而对于另一个设备，则需要采用显式开关建模，以再现影响母线电压的失真现象。关键目标在于准确捕捉失真开始时的细节。

选择能够正确捕获模数转换器纹波的采样时间

采样时间必须足够短，才能分辨出产生谐波成分的开关纹波和换相特征。粗略的采样步长会在分析开始前对波形进行平滑处理。这种误差会直接反映在频谱中。这样一来，总谐波失真从一开始就会产生偏差。

对于以5 kHz频率开关的转换器，仅靠一个勉强能采样每个周期的时间步长无法准确描述其工作特性。而线性换向整流器则有不同的需求，因为重叠和电流突变是导致失真的主要因素。您的时间步长应与影响测量总线的最快事件相匹配。仅凭栅极基本频率不足以决定这一选择。

良好的采样实践能节省后续时间。一步操作失误，可能会导致后续的所有图表看似精确，却都带有相同的误差。谐波分析在这方面绝不宽容。求解器的设置应包含在电气分析中，而不是单独进行。

让稳态窗口运行足够长的时间，以获得干净的光谱

稳态分析窗口必须排除启动阶段，并包含足够多的稳态循环，以获得清晰的频谱。谐波是从选定的时间记录中测得的。记录的长度和位置会直接影响结果。不合适的窗口会使良好的模型结果变得模糊。

一个常见的错误是：在转换器达到参考电压后，仅捕获前几个周期，并将该波形直接送入FFT。此时，控制环路可能尚未完全稳定，直流链路电压也可能仍在漂移。更佳的工作流程是：先让系统完全稳定，然后从母线电压和器件电流中提取整数倍的电网周期数据，这些数据才具有实际意义。

时间窗的长度还取决于您需要观察的内容。较短的记录虽然便于快速筛选，但会使间距较近的成分出现模糊，并掩盖缓慢的调制效应。较长的记录能提供更清晰的谐波 bins，并产生更稳定的结果。如果滑动时间窗时频谱发生偏移，则说明系统尚未达到稳态，或者记录过短。

根据电压或电流波形计算总谐波失真

总谐波失真是在提取谐波均方根分量后，根据稳定波形计算得出的。标准计算方法是计算基波以上所有谐波分量的平方和开方值，然后将该值除以基波的均方根值，最后将结果乘以100%。

电压总谐波失真和电流总谐波失真所反映的问题各不相同。电压失真反映了并联设备在母线上所承受的电压状况；电流失真则反映了变流器或非线性负载向电网注入的谐波。在前端驱动器上，当系统刚度较高时，电流失真可能很高，而供电电压仍保持在可接受范围内；但在系统刚度较低的馈线上，则可能导致母线电压超过限值。

如果您能准确说明该数值是如何得出的，将获得更佳的结果。请记录测量总线、运行状态、记录长度以及计算中使用的谐波范围。某些研究还需要各谐波的幅值，因为某个棘手的谐波次序可能会引发共振或导致滤波器支路过热。 

“数值很重要，其背后的波形同样重要。”

在选择修复方案之前，请逐条总线检查谐波限值

在选择缓解措施之前，应检查每个相关母线上的谐波失真限值。这种方法能够将无害的注入电流与有害的母线电压失真区分开来，同时确保分析聚焦于关键位置。有效的解决方案应从正确的母线和正确的运行状态入手。

一个公用耦合点、一个厂用主母线和一个敏感的二次母线，在相同的负载条件下都可能呈现不同的结果。由于局部阻抗和电容器布置的不同，一条母线可能满足电压限值，而另一条则可能超出限值。正因如此，谐波失真限值及其验证方法始终与位置、运行状态和测量方法密切相关。您需要根据设备实际所处的环境来评估电网的响应情况。

与快速筛查相比，细致的时间域分析通常能得出更可靠的结论。通过这种分析，您可以确定哪个电源是主导源、哪个母线至关重要，以及哪种运行状态会触发问题。SPS SOFTWARE正适用于这一收尾阶段，因为其透明的馈线和变流器模型，使您能够更轻松地测试滤波器、调整电容器组位置或修改控制设置，并充满信心。优质的电能质量分析源于严谨的建模，并辅以针对特定母线的检查。