基于ETAP的陜北-湖北直流工程受端系統背景諧波評估

胡羽川，胡 斌，李 偉

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

基于ETAP的陜北-湖北直流工程受端系統背景諧波評估

胡羽川，胡 斌，李 偉

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

介紹了ETAP軟件的諧波計算功能，根據實測數據搭建了陜北-湖北直流工程受端系統電網仿真模型。應用ETAP軟件進行了諧波潮流計算,將仿真計算和實測結果進行比較,驗證了模型的有效性。在此基礎上,搭建了換流站工程設計水平年電網仿真模型,進行了諧波潮流仿真計算,得到了換流站接入變電站交流母線電壓諧波含量。

ETAP軟件設計水平年；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計是必不可少的一環，在設計前需要對換流站設計水平年時的背景諧波參數進行評估，利用諧波分析軟件進行仿真評估是目前較為常見的做法。為獲得換流站背景諧波水平,首先需對換流站落點附近的站點進行諧波測量，之后在諧波仿真軟件搭建現狀網的仿真模型并進行諧波分析，若仿真計算和實測結果較為接近,則表明該仿真計算模型有效。在此基礎上，可依據換流站設計水平年的網架情況，搭建其落點近區電網仿真模型，對相關諧波源進行放大并計算其換流站落點所在母線的背景諧波電壓值，該值則可用于指導換流站濾波器的設計工作。

本文在對陜北-湖北直流工程受端近區電網的5個500 kV變電站進行諧波測量的基礎上，搭建了基于ETAP軟件的現狀網仿真模型并驗證了其有效性。基于換流站設計方案，搭建了換流站設計水平年近區電網諧波仿真評估模型，分別對豐大方式和枯小方式進行了諧波計算，給出了換流站交流側接入變電站母線的諧波電壓值

1 ETAP軟件的諧波計算功能簡介

ETAP（Electrical Transient Analyzer Program）是功能全面的綜合型電力及電氣分析計算軟件，由美國OTI公司（Operation Technology Inc）開發,最初的版本于1983年發行。該軟件能為發電、輸配電和工業電力電氣系統的規劃、設計、分析、計算、運行、模擬提供全面的分析平臺和解決方案。

ETAP是現在常用的諧波計算軟件之一，可進行諧波潮流計算、頻率掃描和濾波器自動設計等功能，其諧波潮流計算模塊采用IEEE 519標準，可進行自動畸變率評估(THD&IHD)。同時該軟件擁有開放式諧波源庫，可將各類諧波源實測數據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介

陜北-湖北特高壓直流輸電工程計劃于2019年投運，直流輸電線路起于陜西境內的陜北換流站，止于湖北境內的武漢換流站，全線路徑總長約1 134.7 km。該工程建設完成后可提高陜北地區煤電基地外送能力，提高資源開發效率，推動當地經濟發展，同時可提升新能源消納能力，緩解新能源電力外送卡口問題，促進陜北革命老區的經濟健康持續發展。湖北地區落點武漢換流站本期500 kV交流出現為4回，分別為到500 kV木蘭變兩回、到500 kV大吉變兩回。

3 諧波仿真計算建模

為了保證諧波仿真評估模型的可用性，在進行背景諧波評估時，因先按照當前電網相關設備現狀建立現狀網仿真模型，并帶入實際測試的諧波源數據進行計算，將計算結果與實際測試諧波數據進行比較，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，非線性時域分析法及線性分析法。其中，非線性時域分析法需要利用微分方程對非線性元件進行建模，并在時域的條件下進行仿真計算，仿真精度高，但計算量大，適用于小型系統，不適用于多節點的諧波分析[3]。文獻[4]采用PSCAD-EMTDC軟件對某鋁廠含電力電子設備的主電路進行了諧波分析。線性分析法則假定諧波源的諧波電流僅與基波電壓有關，計算速度快、收斂性能好,適合大電網的諧波潮流計算，是目前多數工程背景諧波評估的常用方法，而ETAP軟件的諧波計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電機、變壓器、線路、負荷、等值電網、諧波電流源等多種元件，根據實際系統參數和諧波測試結果設置元件參數，進行現狀年諧波潮流計算，并與實測數據相互驗證。

3.1 仿真計算思路

在仿真模型中將設計水平年預計建成的武漢換流站連接點及其近區點進行等值，簡化所需仿真的系統范圍，其各等值模型根據所在電站短路容量進行，其短路容量應去除短路。經分析等值點選擇在獅河變500 kV側、斗笠變500 kV側、仙女山變500 kV側、玉賢變500 kV側、光谷變500 kV側、永修變500 kV側、鳳凰山變500 kV側。各電站測試時間為10月份，湖北電網運行方式為接近豐大方式工況。按照現狀年豐大方式計算的各母線側短路容量如表1所示。

表1 現狀豐大方式等效點短路容量Tab.1 Short circuit capacity of equivalent point in the present situation large mode

3.2 仿真模型建立

根據現狀年電網運行實際情況，仿真模型中包括輸電線路20回，發電機5臺，其中發電機分別為白蓮河抽水蓄能機組2臺、大別山火電機組2臺，陽邏火電機組1臺。外網等值機7臺，分別為獅河500 kV側、斗笠500 kV側、仙女山500 kV側、玉賢500 kV側、光谷500 kV側、永修500 kV側、鳳凰山500 kV側。為簡化仿真模型，雙回輸電線路按單回π型線路模型進行等效。變壓器為10臺，分別為孝感變、木蘭變、道觀河變、大吉變、磁湖變、陽邏火電廠主變1臺、大別山火電廠主變2臺，白蓮河抽水蓄能電廠主變2臺。負荷5個分別為孝感變負荷、木蘭變負荷、道觀河變負荷、大吉變負荷、磁湖變負荷。

圖1給出了現狀年武漢近區電網仿真模型示意圖，采用多個諧波電流源向系統注入諧波電流的方式進行計算，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母線并聯諧波電流源，同時選擇在孝感變220 kV、木蘭變220 kV、道觀河變220 kV、大吉變220 kV、磁湖變220 kV在下網負荷中建立諧波電流源進行注入。由于ETAP中仿真模型為單線模型，無法對三相同時進行諧波計算，因此諧波電流及諧波電壓數據取實際測量數據中為最大值的B相進行計算。

3.3 仿真模型檢驗結果

圖1 現狀年電網仿真模型示意圖Fig.1 The model of present situation power grid

根據仿真模型計算，從仿真計算結果看出，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%。由于實際測量中電壓總畸變率的95值與各次諧波畸變率的95值并不是對應關系，因此在進行諧波電壓仿真對比時，應采用各次諧波電壓測量值進行疊加計算后諧波電壓總畸變率進行對比，各站點的諧波電壓總畸變率計算值為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側諧波電壓仿真值與實際測量值較為接近，由此說明仿真模型能夠較為真實地反映真實系統的諧波情況。

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

4 背景諧波評估

計算遠期規劃網架背景諧波水平時，針對換流站投運前的情況，分別安排豐大和枯小兩種方式進行背景諧波預測。

4.1 背景諧波評估仿真模型

根據遠期規劃網架情況，其等值點變為獅河500 kV側、斗笠500 kV側、仙女山500 kV側、玉賢500 kV側、光谷500 kV側、永修500 kV側，其枯小和豐大方式下的等值點短路容量如表3和表4所示。同時根據設計水平年的網架結構，修改了相應的線路和機組開機方式，在設計水平年豐大和枯小方式中，換流站近區機組的開機方式為：陽邏火電廠及大別山火電廠均按開機1臺，白蓮河抽水蓄能機組開機2臺。仿真模型如圖2所示。

圖2 設計水平年電網仿真模型示意圖Fig.2 The model of power grid in the commission year

表3 設計水平年豐大方式等值點短路容量Tab.3 Short circuit capacities of equivalent point in commission year large mode

表4 設計水平年枯小方式等值點短路容量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估計算結果

考慮到各類諧波源負荷的增長情況，采用1.5倍的現狀年實測諧波電流含量注入設計水平年豐大方式仿真計算系統，背景諧波計算結果如表5所示。

結果表明，在設計水平年豐大方式下，當考慮1.5倍的諧波增長水平時，武漢換流站交流500 kV側 電壓總畸變率為1.34%，主主導諧波電壓以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估計算結果

枯小方式下的諧波評估計算與豐大方式類似，同樣采用1.5倍的現狀年實測諧波電流含量注入設計水平年枯小方式仿真計算系統，背景諧波計算結果如表6所示。

結果表明，在設計水平年枯小方式下，當考慮1.5倍的諧波增長水平時，武漢換流站交流500 kV側電壓總畸變率為1.37%，主導諧波電壓以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 設計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 結語

本文介紹了ETAP軟件的諧波計算功能和特點，并針對武漢換流站工程，搭建了基于ETAP軟件的諧波仿真模型，在考慮現狀年豐大方式的實測諧波注入情況下對現狀網的諧波情況進行了仿真分析。仿真結果表明，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際通過母線的電磁感應式電壓互感器的測試值基本一致，驗證了現狀年仿真結果與實測結果的一致性，說明仿真計算結果能夠較為真實地反映出系統的實際情況。根據換流站設計方案，進行了換流站設計水平年背景諧波評估，為武漢換流站濾波器設計提供了參考依據。

（References）

[1] 馮煜珵,王雷,陳陳,等.電力系統仿真軟件ETAP的特性與功能簡介[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的電力系統電能質量問題研究與分析[J].電力科學與技術學報，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背景諧波潮流仿真計算[J].東北電力技術,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，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。