基于ETAP的陜北-湖北直流工程受端系統(tǒng)背景諧波評(píng)估

胡羽川，胡 斌，李 偉

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

基于ETAP的陜北-湖北直流工程受端系統(tǒng)背景諧波評(píng)估

胡羽川，胡 斌，李 偉

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

介紹了ETAP軟件的諧波計(jì)算功能，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)搭建了陜北-湖北直流工程受端系統(tǒng)電網(wǎng)仿真模型。應(yīng)用ETAP軟件進(jìn)行了諧波潮流計(jì)算,將仿真計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,搭建了換流站工程設(shè)計(jì)水平年電網(wǎng)仿真模型,進(jìn)行了諧波潮流仿真計(jì)算,得到了換流站接入變電站交流母線電壓諧波含量。

ETAP軟件設(shè)計(jì)水平年；換流站；背景諧波

0 引言

目前直流輸電工程換流站的濾波器設(shè)計(jì)是必不可少的一環(huán)，在設(shè)計(jì)前需要對(duì)換流站設(shè)計(jì)水平年時(shí)的背景諧波參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，利用諧波分析軟件進(jìn)行仿真評(píng)估是目前較為常見(jiàn)的做法。為獲得換流站背景諧波水平,首先需對(duì)換流站落點(diǎn)附近的站點(diǎn)進(jìn)行諧波測(cè)量，之后在諧波仿真軟件搭建現(xiàn)狀網(wǎng)的仿真模型并進(jìn)行諧波分析，若仿真計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近,則表明該仿真計(jì)算模型有效。在此基礎(chǔ)上，可依據(jù)換流站設(shè)計(jì)水平年的網(wǎng)架情況，搭建其落點(diǎn)近區(qū)電網(wǎng)仿真模型，對(duì)相關(guān)諧波源進(jìn)行放大并計(jì)算其換流站落點(diǎn)所在母線的背景諧波電壓值，該值則可用于指導(dǎo)換流站濾波器的設(shè)計(jì)工作。

本文在對(duì)陜北-湖北直流工程受端近區(qū)電網(wǎng)的5個(gè)500 kV變電站進(jìn)行諧波測(cè)量的基礎(chǔ)上，搭建了基于ETAP軟件的現(xiàn)狀網(wǎng)仿真模型并驗(yàn)證了其有效性?；趽Q流站設(shè)計(jì)方案，搭建了換流站設(shè)計(jì)水平年近區(qū)電網(wǎng)諧波仿真評(píng)估模型，分別對(duì)豐大方式和枯小方式進(jìn)行了諧波計(jì)算，給出了換流站交流側(cè)接入變電站母線的諧波電壓值

1 ETAP軟件的諧波計(jì)算功能簡(jiǎn)介

ETAP（Electrical Transient Analyzer Program）是功能全面的綜合型電力及電氣分析計(jì)算軟件，由美國(guó)OTI公司（Operation Technology Inc）開(kāi)發(fā),最初的版本于1983年發(fā)行。該軟件能為發(fā)電、輸配電和工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、運(yùn)行、模擬提供全面的分析平臺(tái)和解決方案。

ETAP是現(xiàn)在常用的諧波計(jì)算軟件之一，可進(jìn)行諧波潮流計(jì)算、頻率掃描和濾波器自動(dòng)設(shè)計(jì)等功能，其諧波潮流計(jì)算模塊采用IEEE 519標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行自動(dòng)畸變率評(píng)估(THD&IHD)。同時(shí)該軟件擁有開(kāi)放式諧波源庫(kù)，可將各類(lèi)諧波源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)添加到用戶自定義諧波源中，便于搭建諧波分析模型[1]。

2 陜北-湖北特高壓直流輸電工程簡(jiǎn)介

陜北-湖北特高壓直流輸電工程計(jì)劃于2019年投運(yùn)，直流輸電線路起于陜西境內(nèi)的陜北換流站，止于湖北境內(nèi)的武漢換流站，全線路徑總長(zhǎng)約1 134.7 km。該工程建設(shè)完成后可提高陜北地區(qū)煤電基地外送能力，提高資源開(kāi)發(fā)效率，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)可提升新能源消納能力，緩解新能源電力外送卡口問(wèn)題，促進(jìn)陜北革命老區(qū)的經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展。湖北地區(qū)落點(diǎn)武漢換流站本期500 kV交流出現(xiàn)為4回，分別為到500 kV木蘭變兩回、到500 kV大吉變兩回。

3 諧波仿真計(jì)算建模

為了保證諧波仿真評(píng)估模型的可用性，在進(jìn)行背景諧波評(píng)估時(shí)，因先按照當(dāng)前電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀建立現(xiàn)狀網(wǎng)仿真模型，并帶入實(shí)際測(cè)試的諧波源數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定模型的有效性[2]。目前背景諧波仿真方法主要分為兩類(lèi)，非線性時(shí)域分析法及線性分析法。其中，非線性時(shí)域分析法需要利用微分方程對(duì)非線性元件進(jìn)行建模，并在時(shí)域的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真精度高，但計(jì)算量大，適用于小型系統(tǒng)，不適用于多節(jié)點(diǎn)的諧波分析[3]。文獻(xiàn)[4]采用PSCAD-EMTDC軟件對(duì)某鋁廠含電力電子設(shè)備的主電路進(jìn)行了諧波分析。線性分析法則假定諧波源的諧波電流僅與基波電壓有關(guān)，計(jì)算速度快、收斂性能好,適合大電網(wǎng)的諧波潮流計(jì)算，是目前多數(shù)工程背景諧波評(píng)估的常用方法，而ETAP軟件的諧波計(jì)算模塊滿足線性分析法的要求。在ETAP的諧波模型中主要有發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、負(fù)荷、等值電網(wǎng)、諧波電流源等多種元件，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)和諧波測(cè)試結(jié)果設(shè)置元件參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)狀年諧波潮流計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

3.1 仿真計(jì)算思路

在仿真模型中將設(shè)計(jì)水平年預(yù)計(jì)建成的武漢換流站連接點(diǎn)及其近區(qū)點(diǎn)進(jìn)行等值，簡(jiǎn)化所需仿真的系統(tǒng)范圍，其各等值模型根據(jù)所在電站短路容量進(jìn)行，其短路容量應(yīng)去除短路。經(jīng)分析等值點(diǎn)選擇在獅河變500 kV側(cè)、斗笠變500 kV側(cè)、仙女山變500 kV側(cè)、玉賢變500 kV側(cè)、光谷變500 kV側(cè)、永修變500 kV側(cè)、鳳凰山變500 kV側(cè)。各電站測(cè)試時(shí)間為10月份，湖北電網(wǎng)運(yùn)行方式為接近豐大方式工況。按照現(xiàn)狀年豐大方式計(jì)算的各母線側(cè)短路容量如表1所示。

表1 現(xiàn)狀豐大方式等效點(diǎn)短路容量Tab.1 Short circuit capacity of equivalent point in the present situation large mode

3.2 仿真模型建立

根據(jù)現(xiàn)狀年電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際情況，仿真模型中包括輸電線路20回，發(fā)電機(jī)5臺(tái)，其中發(fā)電機(jī)分別為白蓮河抽水蓄能機(jī)組2臺(tái)、大別山火電機(jī)組2臺(tái)，陽(yáng)邏火電機(jī)組1臺(tái)。外網(wǎng)等值機(jī)7臺(tái)，分別為獅河500 kV側(cè)、斗笠500 kV側(cè)、仙女山500 kV側(cè)、玉賢500 kV側(cè)、光谷500 kV側(cè)、永修500 kV側(cè)、鳳凰山500 kV側(cè)。為簡(jiǎn)化仿真模型，雙回輸電線路按單回π型線路模型進(jìn)行等效。變壓器為10臺(tái)，分別為孝感變、木蘭變、道觀河變、大吉變、磁湖變、陽(yáng)邏火電廠主變1臺(tái)、大別山火電廠主變2臺(tái)，白蓮河抽水蓄能電廠主變2臺(tái)。負(fù)荷5個(gè)分別為孝感變負(fù)荷、木蘭變負(fù)荷、道觀河變負(fù)荷、大吉變負(fù)荷、磁湖變負(fù)荷。

圖1給出了現(xiàn)狀年武漢近區(qū)電網(wǎng)仿真模型示意圖，采用多個(gè)諧波電流源向系統(tǒng)注入諧波電流的方式進(jìn)行計(jì)算，其中。斗笠站由于與龍泉換流站接近，龍泉換流站使用12脈換流閥，11次和13次較其他站大，因此在孝感500 kV母線并聯(lián)諧波電流源，同時(shí)選擇在孝感變220 kV、木蘭變220 kV、道觀河變220 kV、大吉變220 kV、磁湖變220 kV在下網(wǎng)負(fù)荷中建立諧波電流源進(jìn)行注入。由于ETAP中仿真模型為單線模型，無(wú)法對(duì)三相同時(shí)進(jìn)行諧波計(jì)算，因此諧波電流及諧波電壓數(shù)據(jù)取實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)中為最大值的B相進(jìn)行計(jì)算。

3.3 仿真模型檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 現(xiàn)狀年電網(wǎng)仿真模型示意圖Fig.1 The model of present situation power grid

根據(jù)仿真模型計(jì)算，從仿真計(jì)算結(jié)果看出，孝感、木蘭、道觀河、大吉、磁湖站諧波電壓總畸變率分別為0.86%、0.99%、0.98%、0.98%、0.68%。由于實(shí)際測(cè)量中電壓總畸變率的95值與各次諧波畸變率的95值并不是對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在進(jìn)行諧波電壓仿真對(duì)比時(shí)，應(yīng)采用各次諧波電壓測(cè)量值進(jìn)行疊加計(jì)算后諧波電壓總畸變率進(jìn)行對(duì)比，各站點(diǎn)的諧波電壓總畸變率計(jì)算值為0.81%、1.03%、0.91%、0.97%、1.10%。由表2可以看出，孝感、木蘭、道觀河、大吉站的500 kV側(cè)諧波電壓仿真值與實(shí)際測(cè)量值較為接近，由此說(shuō)明仿真模型能夠較為真實(shí)地反映真實(shí)系統(tǒng)的諧波情況。

表2 各站點(diǎn)諧波電壓仿真結(jié)果對(duì)比表（單位：%）Tab.2 The harmonic voltage result of harmonic flow simulation

4 背景諧波評(píng)估

計(jì)算遠(yuǎn)期規(guī)劃網(wǎng)架背景諧波水平時(shí)，針對(duì)換流站投運(yùn)前的情況，分別安排豐大和枯小兩種方式進(jìn)行背景諧波預(yù)測(cè)。

4.1 背景諧波評(píng)估仿真模型

根據(jù)遠(yuǎn)期規(guī)劃網(wǎng)架情況，其等值點(diǎn)變?yōu)楠{河500 kV側(cè)、斗笠500 kV側(cè)、仙女山500 kV側(cè)、玉賢500 kV側(cè)、光谷500 kV側(cè)、永修500 kV側(cè)，其枯小和豐大方式下的等值點(diǎn)短路容量如表3和表4所示。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)水平年的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，修改了相應(yīng)的線路和機(jī)組開(kāi)機(jī)方式，在設(shè)計(jì)水平年豐大和枯小方式中，換流站近區(qū)機(jī)組的開(kāi)機(jī)方式為：陽(yáng)邏火電廠及大別山火電廠均按開(kāi)機(jī)1臺(tái)，白蓮河抽水蓄能機(jī)組開(kāi)機(jī)2臺(tái)。仿真模型如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)水平年電網(wǎng)仿真模型示意圖Fig.2 The model of power grid in the commission year

表3 設(shè)計(jì)水平年豐大方式等值點(diǎn)短路容量Tab.3 Short circuit capacities of equivalent point in commission year large mode

表4 設(shè)計(jì)水平年枯小方式等值點(diǎn)短路容量Tab.4 Short circuit capacities of equivalent point in the commission year small mode

4.2 豐大方式背景諧波評(píng)估計(jì)算結(jié)果

考慮到各類(lèi)諧波源負(fù)荷的增長(zhǎng)情況，采用1.5倍的現(xiàn)狀年實(shí)測(cè)諧波電流含量注入設(shè)計(jì)水平年豐大方式仿真計(jì)算系統(tǒng)，背景諧波計(jì)算結(jié)果如表5所示。

結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)水平年豐大方式下，當(dāng)考慮1.5倍的諧波增長(zhǎng)水平時(shí)，武漢換流站交流500 kV側(cè) 電壓總畸變率為1.34%，主主導(dǎo)諧波電壓以3、5、7、11次為主，其中3次諧波畸變率為0.78%，5次諧波畸變率為0.85%，7次諧波畸變率為0.61%，11次諧波畸變率為0.9%。

4.3 枯小方式背景諧波評(píng)估計(jì)算結(jié)果

枯小方式下的諧波評(píng)估計(jì)算與豐大方式類(lèi)似，同樣采用1.5倍的現(xiàn)狀年實(shí)測(cè)諧波電流含量注入設(shè)計(jì)水平年枯小方式仿真計(jì)算系統(tǒng)，背景諧波計(jì)算結(jié)果如表6所示。

結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)水平年枯小方式下，當(dāng)考慮1.5倍的諧波增長(zhǎng)水平時(shí)，武漢換流站交流500 kV側(cè)電壓總畸變率為1.37%，主導(dǎo)諧波電壓以3、5、7、11次為主，其中3次諧波畸變率為0.78%，5次諧波畸變率為0.93%，7次諧波畸變率為0.57%，11次諧波畸變率為0.11%。

表5 豐大方式武漢換流站背景諧波電壓Tab.5 the background harmonic of Hubei converter station in the large mode

表6 設(shè)計(jì)水平年枯小方式武漢換流站背景諧波電壓Tab.6 The background harmonic of Hubei converter station in the small mode

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了ETAP軟件的諧波計(jì)算功能和特點(diǎn)，并針對(duì)武漢換流站工程，搭建了基于ETAP軟件的諧波仿真模型，在考慮現(xiàn)狀年豐大方式的實(shí)測(cè)諧波注入情況下對(duì)現(xiàn)狀網(wǎng)的諧波情況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，孝感、木蘭、道觀河、大吉變電站500 kV母線電壓的各次諧波電壓畸變率和電壓總畸變率與實(shí)際通過(guò)母線的電磁感應(yīng)式電壓互感器的測(cè)試值基本一致，驗(yàn)證了現(xiàn)狀年仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性，說(shuō)明仿真計(jì)算結(jié)果能夠較為真實(shí)地反映出系統(tǒng)的實(shí)際情況。根據(jù)換流站設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了換流站設(shè)計(jì)水平年背景諧波評(píng)估，為武漢換流站濾波器設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

（References）

[1] 馮煜珵,王雷,陳陳,等.電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP的特性與功能簡(jiǎn)介[J].供用電,2005,22(5):23-26.FENG Yucheng,WANG Lei,CHEN Chen.Brief intro?duction on the characteristic and function of the simulation software forelectric system ETAP[J].Distribution&Utilization,2005,22(5):23-26.

[2] 林濤,王思源,鄭杰.基于ETAP的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題研究與分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：27-34.LIN Tao,WANG Siyuan,ZHENG Jie.Power quality analysisbased on ETAP software[J].Journalof Electric Power Science and Technology，2010，25（1）：27-34

[3] 史喆,李曉明,王天.呼遼直流工程受端系統(tǒng)背景諧波潮流仿真計(jì)算[J].東北電力技術(shù),2007,28(4):10-12.SHI Zhe,LI Xiaoming,WANG Tian.Power receiver system for hulunbeier and liaoning DC project[J].Northeast Electric Power Technology,2007,28(4):10-12.

[4] 孫宏偉,李梅,寇曉括,等.基于PSCAD/EMTDC的諧波仿真分析[J].電力電子技術(shù)，2004，38(3):22-24.SUN Hongwei,LI Mei,KOU Xiaokuo,et al.Har?monic simulation analysis based on PSCAD/EMTDC[J].Power Electronic，2004，38(3):22-24.

Evaluation for Background Harmonic of Power Receiver System for Shanbei-Hubei DC Project Based on ETAP

HU Yuchuan，HU Bin，LI Wei
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan Hubei 430077,China)

In this paper,the harmonic calculation function of ETAP software is introduced.Based on the measured data,a simulation model of power receiver system for Shanbei-Huibei DC Project is established.The harmonic current flow calculation is carried out by ETAP software,and the simu?lation results are compared with the measured data to verify the model.Then,the commissioning year simulation model of the converter station is designed,and the harmonic power flow is calculat?ed.The background harmonic of the converter station is obtained.

ETAP software；converter station；background harmonic

TM721

B

1006-3986(2016)12-0009-05

10.19308/j.hep.2016.12.003

2016-11-05

胡羽川(1991)，男，湖北咸寧人，碩士，工程師。