基于ETAP的風(fēng)洞電能質(zhì)量預(yù)測評估

張冠鋒，劉誠哲，程緒可，戈陽陽，李勝輝

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180）

基于ETAP的風(fēng)洞電能質(zhì)量預(yù)測評估

張冠鋒1，劉誠哲2，程緒可1，戈陽陽1，李勝輝1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽 110180）

由于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要負(fù)荷 （大型用電設(shè)備）多為斷續(xù)式運(yùn)行，其非線性、波動(dòng)性以及變頻設(shè)備對接入電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，為評估風(fēng)洞不同工況運(yùn)行對系統(tǒng)變電站的電能質(zhì)量影響，從遼寧電網(wǎng)和風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行情況出發(fā)，建立了基于ETAP的風(fēng)洞接入電網(wǎng)仿真模型，評估了風(fēng)洞負(fù)荷引起系統(tǒng)側(cè)變電站的電能質(zhì)量污染，為風(fēng)洞電能質(zhì)量治理方案及無功補(bǔ)償裝置配置提供依據(jù)。

風(fēng)洞；電能質(zhì)量；評估

風(fēng)洞是空氣動(dòng)力學(xué)研究和試驗(yàn)中最廣泛使用的工具，隨著風(fēng)洞風(fēng)速越來越高，設(shè)備功率與電壓等級逐漸增大，而風(fēng)洞主要設(shè)備特點(diǎn)為大容量、高電壓等級、非線性變頻設(shè)備、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等，風(fēng)洞負(fù)荷的接入一定程度影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前，大多數(shù)風(fēng)洞采用大功率四象限電力電子變流器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速，通過變流器控制可實(shí)現(xiàn)變頻起動(dòng)，降低對電網(wǎng)的沖擊，但幾十兆瓦級變頻器所產(chǎn)生的諧波卻不可避免［1－3］。

針對風(fēng)洞試驗(yàn)及運(yùn)行特性已有少量研究，風(fēng)洞電能質(zhì)量預(yù)測評估卻未見報(bào)道。結(jié)合遼寧電網(wǎng)和某一大功率、高電壓等級并網(wǎng)風(fēng)洞實(shí)際運(yùn)行情況，提出了基于ETAP的風(fēng)洞電能質(zhì)量預(yù)測評估方法，評估了風(fēng)洞負(fù)荷接入對系統(tǒng)變電站電能質(zhì)量的影響，給出了該風(fēng)洞變電站無功補(bǔ)償裝置配置容量，為遼寧電網(wǎng)非線性負(fù)荷入網(wǎng)管理提供了理論依據(jù)。

1 風(fēng)洞負(fù)荷特性分析

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室主要設(shè)備為變壓器、壓縮機(jī)、水泵、真空泵等 （10 kV電壓等級），驅(qū)動(dòng)設(shè)備為大型電機(jī)，啟動(dòng)停止方式為變頻器或軟啟動(dòng)器控制，可有效控制對供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊。設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)為間斷式運(yùn)行，單日預(yù)計(jì)啟動(dòng)10次，每次2 h。電機(jī)是對稱負(fù)荷，極少出現(xiàn)負(fù)序電流和三相不平衡情況。即風(fēng)洞負(fù)荷引起的主要電能質(zhì)量問題是：諧波電流、電壓畸變率是否超標(biāo)；電壓波動(dòng)和閃變值是否超標(biāo)。

本文風(fēng)洞負(fù)荷分為0.6 m和2.4m風(fēng)洞，用電最大負(fù)荷總計(jì)約153 MVA，常用負(fù)荷總計(jì)約98.3 MVA。其中0.6 m風(fēng)洞最大負(fù)荷需求約13 MVA，常用負(fù)荷約為7.3 MVA，負(fù)荷需求明細(xì)如表1所示。2.4m風(fēng)洞最大負(fù)荷需求約140 MVA，常用負(fù)荷約91 MVA，負(fù)荷需求明細(xì)如表2所示。

文中對風(fēng)洞變頻負(fù)荷中同類型的20 MW主壓縮機(jī)變頻器電能質(zhì)量開展現(xiàn)場測試，A相電流有效值為936.13 A，電壓有效值9 700 V，各次諧波電流如表3所示，在電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP上搭建仿真模型，開展風(fēng)洞電能質(zhì)量分析和評估。

表1 0.6 m風(fēng)洞容量明細(xì)

表2 2.4m風(fēng)洞容量明細(xì)

表3 變頻器諧波次數(shù)及諧波電流 A

2 風(fēng)洞電能質(zhì)量仿真模型

本文采用的計(jì)算軟件為美國OTI軟件公司開發(fā)的 《ETAP電力系統(tǒng)分析計(jì)算應(yīng)用軟件》，用到的模塊有：諧波分析模塊、不平衡潮流模塊和電機(jī)加速模塊，諧波潮流計(jì)算和諧波頻率掃描是諧波分析模塊的主要組成部分。諧波潮流計(jì)算主要用于計(jì)算系統(tǒng)中各條線路的各次諧波電流和各個(gè)母線的各次諧波電壓狀況；不平衡潮流模塊可以計(jì)算母線電壓分支電流及功率因數(shù)，可以計(jì)算各相功率潮流；電機(jī)加速模塊采用動(dòng)態(tài)電機(jī)加速計(jì)算分析方法，能夠反映電機(jī)在起動(dòng)過程電流電壓隨時(shí)變的完整過程［4－5］。

根據(jù)變電站內(nèi)電氣主接線和各負(fù)荷數(shù)據(jù)搭建氣動(dòng)變電站站內(nèi)計(jì)算模型如圖1所示，包含120 MVA變壓器 （220 kV／10 kV）2臺(tái)，其中1號主變集中為0.6 m與2.4 m風(fēng)洞常用設(shè)備供電，2號主變?yōu)?.4 m風(fēng)洞非常用設(shè)備及已確定建設(shè)的后續(xù)項(xiàng)目供電，同時(shí)2臺(tái)變壓器可作為互備，在1臺(tái)故障或檢修時(shí)，另外1臺(tái)可承載大部分常用負(fù)荷，主壓縮機(jī)和抽氣壓縮機(jī)分別為同步電動(dòng)機(jī)，采用變頻起動(dòng)。

圖1 220 kV風(fēng)洞變電站接入電網(wǎng)仿真模型

3 風(fēng)洞電能質(zhì)量評估分析

3.1 諧波允許值

風(fēng)洞變電站所接系統(tǒng)開關(guān)站220 kV母線最小短路容量為2 342 MVA，計(jì)算系統(tǒng)開關(guān)站220 kV母線諧波電流允許值如表4所示。

表4 新城子220 kV母線諧波電流允許值 A

根據(jù)國標(biāo) 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 （GB／T14549—93）要求，公共連接點(diǎn)處第i個(gè)用戶的第h次諧波電流允許值為

式中：Ih為公共連接點(diǎn)第h次諧波電流允許值，A；Si為第i個(gè)用戶的用電協(xié)議容量，MVA；St為公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量，MVA；α為相位疊加系數(shù)，按表5取值。

表5 相位疊加系數(shù)

由于系統(tǒng)開關(guān)站為母線分裂運(yùn)行，單條線路最大供電容量為600 MVA，即風(fēng)洞變電站公共接入點(diǎn)供電設(shè)備容量St為600 MVA，氣動(dòng)變電站用電協(xié)議容量Si為其主變?nèi)萘?40 MVA，根據(jù)式 （1）得氣動(dòng)變電站諧波電流允許值如表6所示。

表6 氣動(dòng)變電站諧波電流允許值 A

3.2 諧波潮流評估

根據(jù)變頻器諧波電流及所測電網(wǎng)背景諧波，基于風(fēng)洞ETAP模型進(jìn)行仿真分析。

由于本風(fēng)洞主壓縮機(jī)變頻器為36脈沖整流輸入、9電平逆變輸出，網(wǎng)側(cè)諧波小，諧波電流計(jì)算結(jié)果如表7所示，風(fēng)洞變電站注入系統(tǒng)的諧波電流小于允許值，諧波電壓總畸變率為0.696%，如圖2所示，諧波電壓含有率及總畸變率均滿足國家標(biāo)準(zhǔn) 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 （GB／T14549—93）中2%的要求。

表7 注入系統(tǒng)的諧波電流情況 A

圖2 開關(guān)站母線諧波電壓 （%基波電壓）

3.3 電壓波動(dòng)和閃變評估

由于風(fēng)洞變電站主要用電負(fù)荷為大容量電動(dòng)機(jī)，而感應(yīng)電機(jī)機(jī)械慣性較大，在起動(dòng)或變負(fù)荷運(yùn)行過程中存在較大沖擊電流，引起電壓波動(dòng)，而本工程電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制，能夠有效降低和抑制電壓波動(dòng)。圖3—圖8為風(fēng)洞負(fù)荷變頻器起動(dòng)時(shí)開關(guān)站母線及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況。

若感應(yīng)電機(jī)直接起動(dòng)，瞬間起動(dòng)容量約為電機(jī)額定容量的5倍，額定容量為86 MVA感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)瞬間吸收的無功功率約為144 Mvar，風(fēng)洞變電站吸收電網(wǎng)無功254Mvar，電壓波動(dòng)值為13%，嚴(yán)重超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.5%，采用變頻起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)不會(huì)瞬間對電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生沖擊，如圖3—圖4所示，額定容量為86 MVA感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)吸收的無功功率約40 Mvar，單臺(tái)主壓縮機(jī)無功功率如圖5所示，圖7顯示變頻起動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，圖8說明了新城子開關(guān)站母線電壓最低電壓值為97.6%UN，電壓波動(dòng)值為2.4%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。由于變頻器的固有特性，能夠有效提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，而2臺(tái)120 MVA主變壓器應(yīng)補(bǔ)償無功容量12～30 Mvar，所以建議每臺(tái)變壓器補(bǔ)償30 Mvar動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，提高風(fēng)洞變電站應(yīng)對電壓變動(dòng)的能力和功率因數(shù)。

圖3 主壓縮機(jī)1機(jī)端電壓曲線

由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速過程中，造成的電壓波動(dòng)會(huì)引起燈光的閃爍，也稱為電壓閃變，為了確保風(fēng)洞負(fù)荷單獨(dú)引起的長時(shí)間閃變值小于該負(fù)荷用戶的閃變限值，進(jìn)行電壓閃變評估。

風(fēng)洞變電站接入系統(tǒng)開關(guān)站全部負(fù)荷產(chǎn)生的閃變的總限值G：

式中：LP為PCC點(diǎn)對應(yīng)電壓等級的長時(shí)間閃變值Plt限值；LH為上一電壓等級的長時(shí)間閃變值Plt限值；T為上一電壓等級對下一電壓等級的閃變傳遞系數(shù)，推薦為0.8。

單個(gè)用戶 （氣動(dòng)變電站）閃變限值Ei為

式中：F為波動(dòng)負(fù)荷的同時(shí)系數(shù)，其典型值F＝0.2～0.3 （但必須滿足 Si／F≤St）； Si為風(fēng)洞變電站協(xié)議用電容量St為氣動(dòng)變電站220 kV母線供電容量， 本工程 Si＝240 MVA， St＝600 MVA。

通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法計(jì)算可得：G＝0.63，0.63＜E＜0.8。

然后進(jìn)行氣動(dòng)變電站長時(shí)閃變值計(jì)算：

根據(jù)風(fēng)洞負(fù)荷日試驗(yàn)次數(shù)約10次，每分鐘波動(dòng)次數(shù) （頻度r）遠(yuǎn)小于1，通過周期性矩形電壓變動(dòng)的單位閃變曲線，得dLim＞7.5%，由d＝2.4%算出Pst＜0.32，長時(shí)間閃變值Plt：

可以看出長時(shí)間閃變值Plt＜0.32，小于氣動(dòng)變電站閃變限值0.63，所以風(fēng)洞變電站閃變值未超出國家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文針對風(fēng)洞電能質(zhì)量預(yù)測評估問題，提出了基于ETAP的風(fēng)洞接入電網(wǎng)電能質(zhì)量評估方法，分析了某大容量風(fēng)洞負(fù)荷變頻器起動(dòng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，包括諧波、電壓波動(dòng)、電壓閃變仿真分析，得出風(fēng)洞負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行中的主要電能質(zhì)量指標(biāo)的變化特性，計(jì)算結(jié)果可為大容量、變頻控制的非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)電能質(zhì)量管理提供一定的參考。

［1］ 李 海，覃日升.硅工業(yè)園區(qū)電能質(zhì)量評估與治理 ［J］.云南電力技術(shù)， 2015， 43 （4）： 22－26.

［2］ 黃軍琴，曹瑜偉.非線性負(fù)荷對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響及優(yōu)化治理研究 ［J］.電氣應(yīng)用，2015 （S1）：228－231.

［3］ 商文穎，梁 毅，凌立平.電氣化鐵路對沿線電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2011，32（8）：8－10.

［4］ 蔡志遠(yuǎn)，戈陽陽，馬少華.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)諧波影響研究 ［J］.東北電力技術(shù)， 2014， 35 （4）： 31－34.

［5］ 朱 慧.ETAP仿真軟件在化工企業(yè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 化工自動(dòng)化及儀表， 2014， 41 （9）： 1 073－1 076.

Power Quality Prediction and Evaluation ofWind Tunnel Based on ETAP

ZHANG Guanfeng1， LIU Chengzhe2，CHENG Xuke1，GE Yangyang1， LIShenghui1

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；2.Northeast Branch of State Grid Corporation of China.， Shenyang， Liaoning 110180， China）

As themain load of thewind tunnel laboratory （large-scale electricalequipment） mostly operates intermittently， its non-linearity，volatility and frequency conversion equipment to access the grid have a certain impactof power quality.In order to evaluate the influence of different operating conditions on the power quality of the substation，Liaoning power grid and the actual operation of the wind tunnel ETAP-based wind tunnel access grid simulation model is established in this paper.Evaluating the power quality pollution of the system side substation caused by thewind tunnel load，it provides the basis for thewind tunnel power quality control scheme and the reactive power compensation device configuration.

wind tunnel； power quality； evaluation

TM614

A

1004－7913（2017）11－0031－04

張冠鋒 （1986），男，碩士，工程師，從事新能源并網(wǎng)及電能質(zhì)量研究工作。

2017－08－10）