基于ETAP的光伏電站并網(wǎng)的諧波分析?

馬龍濤 劉毅力 尹 山 丁換換 田華明

（1.國網(wǎng)銅川供電公司 銅川 727031）（2.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710048）（3.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710055）

1 引言

近年來，在能源短缺和環(huán)保壓力下，大力開發(fā)、利用新能源成了新的趨勢。因太陽能諸多優(yōu)點使其在世界各地快速發(fā)展，成了解決問題的有效措施。自2011年以來，中國成為全球光伏發(fā)電安裝量增長最快以及光伏電池組件產(chǎn)量最多的國家，光伏并網(wǎng)發(fā)電成為太陽能利用的重要方式［1］。由于越來越多的光伏并入電網(wǎng)，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響［2］，而且使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，降低電網(wǎng)電壓，浪費電網(wǎng)容量［3］。除此之外，還需在系統(tǒng)中增加相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備，同時也要注意其引起的諧波問題［4］。無論是對電網(wǎng)作諧波治理或諧波分析，其工作的基礎(chǔ)與前提，是對電力系統(tǒng)的有效建模。

本文是主要針對某地區(qū)電力系統(tǒng)的主要諧波源——光伏電站分析并建模，為簡化復(fù)雜的實際工程提供理論參考。結(jié)合該地區(qū)電網(wǎng)實際網(wǎng)架及工程實測數(shù)據(jù)，基于ETAP軟件搭建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真，通過與實測值的比較，從理論上驗證所采用模型的可行性，并對方案的改進(jìn)提供理論依據(jù)分析。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)

由圖1光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)可知，光伏電站系統(tǒng)主要組成：太陽能電池組件、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器。

太陽能光伏電池是將照射在半導(dǎo)體材料上的太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電設(shè)備［5］。其原理是逆變器是把方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)電力相同電壓和頻率的交流電，同時還起到調(diào)節(jié)電力的作用［6］。根據(jù)逆變橋的相數(shù)、逆變器功率變換的級數(shù)和輸入、輸出方式的不同，其可分成不同的種類。在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，將太陽能電池組件接收來的太陽輻射能量，經(jīng)過直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流后，直接或通過變壓器接入電網(wǎng)。

圖1 光伏電站電氣結(jié)構(gòu)

以大量的電力電子元器件組成的光伏逆變器，在逆變時產(chǎn)生的諧波，是光伏電站主要的諧波源［7～8］。

3 并網(wǎng)光伏電站的建模

在電力系統(tǒng)綜合分析軟件ETAP的環(huán)境下，搭建仿真模型［9～11］。文獻(xiàn)［12］概述了先進(jìn)的電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP的功能和特點。文獻(xiàn)［13］提出了在ETAP中的兩種等值方法，由于數(shù)據(jù)測量點的不同，所搭建的模型也不盡相同。如圖1所示，太陽能光伏電池經(jīng)過逆變器、變壓器后并入電網(wǎng)的兩種等值模型。若在變壓器前測量數(shù)據(jù)，則需要在搭建模型時，在光伏電站等效電網(wǎng)與并入電網(wǎng)的母線之間加升壓變壓器，如圖2（a）。但此時，就需要考慮變壓器損耗以及其產(chǎn)生的諧波；若將整個發(fā)電、逆變以及升壓即整個光伏電站作為一個整體，如圖2（b），只需要測量接入電網(wǎng)母線測的數(shù)據(jù)，不需要考慮變壓器損耗，在仿真中可減小其他數(shù)據(jù)誤差，對整個變電站而言，更為精確。

圖2 光伏電站模型

光伏電站的等效電網(wǎng)模型中需要數(shù)據(jù)參數(shù)有：額定電壓（Rated kV），控制模式（Mode），短路額定值（SC Rating），諧波（Harmonic）。

4 案例分析

4.1 案例仿真

某地區(qū)將建設(shè)±800kV特高壓直流輸電工程，其配套電源主要為該地區(qū)電廠群，且以該地區(qū)750kV及330kV母線諧波情況為背景諧波。根據(jù)該地區(qū)各變電站及發(fā)電廠的地理位置，其仿真如圖3。此仿真模型包括接入750kV和330kV系統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)10臺，等效電源2處，變壓器10臺，線路25回，負(fù)荷12個（分別接在各變電站）。在ETAP中建立仿真模型，仿真模型圖中每一電站的位置與實際的地理位置排布一致，且發(fā)電機(jī)、變壓器、負(fù)荷等都封裝進(jìn)一個子模塊中。

在文章中，光伏電站采用第二種搭建模型方案。只考慮光伏輸出的狀態(tài)，不考慮其內(nèi)部情況，即在實際測量中，主要測量其接入電網(wǎng)的諧波電壓畸變率和諧波電流。光伏電站的模型參數(shù)：額定電壓330kV，三相短路容量為S=200MVA，控制模式為無功控制，系統(tǒng)抗阻比為X/R=10。

4.2 仿真結(jié)果分析

建模后，針對主要諧波源-光伏電站進(jìn)行出力以及諧波情況進(jìn)行分析。在軟件ETAP的“潮流分析”模塊中先進(jìn)行潮流分析。查看光伏電站的出力情況，將仿真結(jié)果與實際工況相對比，適當(dāng)調(diào)試參數(shù)使仿真結(jié)果與實測值在允許誤差范圍內(nèi)。其仿真結(jié)果，如圖4所示。

基波潮流分析后，在光伏電站等效電網(wǎng)內(nèi)輸入三相中最大的CP95電流值，作為諧波源數(shù)據(jù)。在文獻(xiàn)［14］中，講述了95%的選取原則。如圖5，（a）總諧波電流含有率的波形圖，（b）諧波電流含有率的頻譜諧波次數(shù)。進(jìn)行諧波潮流分析后可得到相應(yīng)的母線電壓諧波值，與實測諧波電壓95%概率值進(jìn)行比較，如表1所示。為確定在電力系統(tǒng)中所采用模型是否具有有效性，將各個測量點的諧波實際測量值錄入模型并建成諧波庫之后，在各測點注入諧波源信號，即330kV1變母線、7變母線、8變母線、9變母線、10變母線、11變母線等12處變電站的330kV母線側(cè)注入95%的實測值。運(yùn)行諧波潮流分析后，將得到的各變電站母線電壓以及各條線路電流諧波仿真值與實測值進(jìn)行對比。由于篇幅限制，只列出線路諧波電流仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較情況，如表2所示。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

圖4 光伏電站出力仿真結(jié)果

圖5 光伏電站諧波參數(shù)

由表1～表2仿真計算結(jié)果可以看出，均其主要以3、5、7、11、次等奇次諧波為主，且光伏電站電壓諧波仿真值及330kV線路電流諧波仿真值與其各自實測值基本一致。但存在一定誤差，是因為輸入的實測值即為95%概率值，其為一個統(tǒng)計值。由于實測諧波電流的95%概率值與實測諧波電壓的95%概率值由于一些客觀因素，會造成實測值與仿真值之間存在偏差［15］。由于這些因素，允許95%概率值與仿真值之間有一定的誤差在允許誤差內(nèi)［16］，即可認(rèn)為模型合理有效，即表1、表2數(shù)據(jù)有效。由此可以驗證光伏電站仿真模型及該地區(qū)電網(wǎng)的仿真模型能夠較為真實地反映系統(tǒng)的諧波情況，具有可行性。

表2 330kV線路數(shù)據(jù)對比（A）

5 結(jié)語

通過模型驗證可知，在ETAP中將整個光伏電站等效成一個等效電網(wǎng)，其模型輸出數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的誤差在允許范圍之內(nèi)，即可驗證等效電網(wǎng)的有效性。其后將光伏電站模型放入整個電力系統(tǒng)中，仿真后將系統(tǒng)仿真值與實測值對比，驗證了光伏電站的模型在整個復(fù)雜的電力系統(tǒng)中仍然有效可行。

在含有多個光伏電站的電網(wǎng)中，面對這樣的復(fù)雜問題，建議在電力系統(tǒng)規(guī)劃初期，對產(chǎn)生諧波污染的設(shè)備，應(yīng)在ETAP中對其造成的影響進(jìn)行諧波潮流計算，為抑制諧波污染提供理論依據(jù)。利用這樣的思想，若在系統(tǒng)中建設(shè)新的發(fā)電廠或變電站，可先利用ETAP進(jìn)行諧波評估，了解系統(tǒng)的諧波狀況，改變建設(shè)方案，采取有效措施降低系統(tǒng)中的諧波畸變程度，提高電能質(zhì)量。