基于ETAP的風洞電能質量預測評估

張冠鋒，劉誠哲，程緒可，戈陽陽，李勝輝

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

基于ETAP的風洞電能質量預測評估

張冠鋒1，劉誠哲2，程緒可1，戈陽陽1，李勝輝1

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

由于風洞實驗室主要負荷 （大型用電設備）多為斷續式運行，其非線性、波動性以及變頻設備對接入電網電能質量產生一定的影響，為評估風洞不同工況運行對系統變電站的電能質量影響，從遼寧電網和風洞實際運行情況出發，建立了基于ETAP的風洞接入電網仿真模型，評估了風洞負荷引起系統側變電站的電能質量污染，為風洞電能質量治理方案及無功補償裝置配置提供依據。

風洞；電能質量；評估

風洞是空氣動力學研究和試驗中最廣泛使用的工具，隨著風洞風速越來越高，設備功率與電壓等級逐漸增大，而風洞主要設備特點為大容量、高電壓等級、非線性變頻設備、感應電動機等，風洞負荷的接入一定程度影響電網的安全運行。

目前，大多數風洞采用大功率四象限電力電子變流器進行電動機調速，通過變流器控制可實現變頻起動，降低對電網的沖擊，但幾十兆瓦級變頻器所產生的諧波卻不可避免［1－3］。

針對風洞試驗及運行特性已有少量研究，風洞電能質量預測評估卻未見報道。結合遼寧電網和某一大功率、高電壓等級并網風洞實際運行情況，提出了基于ETAP的風洞電能質量預測評估方法，評估了風洞負荷接入對系統變電站電能質量的影響，給出了該風洞變電站無功補償裝置配置容量，為遼寧電網非線性負荷入網管理提供了理論依據。

1 風洞負荷特性分析

風洞實驗室主要設備為變壓器、壓縮機、水泵、真空泵等 （10 kV電壓等級），驅動設備為大型電機，啟動停止方式為變頻器或軟啟動器控制，可有效控制對供電網絡的沖擊。設備運行特點為間斷式運行，單日預計啟動10次，每次2 h。電機是對稱負荷，極少出現負序電流和三相不平衡情況。即風洞負荷引起的主要電能質量問題是：諧波電流、電壓畸變率是否超標；電壓波動和閃變值是否超標。

本文風洞負荷分為0.6 m和2.4m風洞，用電最大負荷總計約153 MVA，常用負荷總計約98.3 MVA。其中0.6 m風洞最大負荷需求約13 MVA，常用負荷約為7.3 MVA，負荷需求明細如表1所示。2.4m風洞最大負荷需求約140 MVA，常用負荷約91 MVA，負荷需求明細如表2所示。

文中對風洞變頻負荷中同類型的20 MW主壓縮機變頻器電能質量開展現場測試，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，在電力系統仿真軟件ETAP上搭建仿真模型，開展風洞電能質量分析和評估。

表1 0.6 m風洞容量明細

表2 2.4m風洞容量明細

表3 變頻器諧波次數及諧波電流 A

2 風洞電能質量仿真模型

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

根據變電站內電氣主接線和各負荷數據搭建氣動變電站站內計算模型如圖1所示，包含120 MVA變壓器 （220 kV／10 kV）2臺，其中1號主變集中為0.6 m與2.4 m風洞常用設備供電，2號主變為2.4 m風洞非常用設備及已確定建設的后續項目供電，同時2臺變壓器可作為互備，在1臺故障或檢修時，另外1臺可承載大部分常用負荷，主壓縮機和抽氣壓縮機分別為同步電動機，采用變頻起動。

圖1 220 kV風洞變電站接入電網仿真模型

3 風洞電能質量評估分析

3.1 諧波允許值

風洞變電站所接系統開關站220 kV母線最小短路容量為2 342 MVA，計算系統開關站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

根據國標 《電能質量公用電網諧波》 （GB／T14549—93）要求，公共連接點處第i個用戶的第h次諧波電流允許值為

式中：Ih為公共連接點第h次諧波電流允許值，A；Si為第i個用戶的用電協議容量，MVA；St為公共連接點的供電設備容量，MVA；α為相位疊加系數，按表5取值。

表5 相位疊加系數

由于系統開關站為母線分裂運行，單條線路最大供電容量為600 MVA，即風洞變電站公共接入點供電設備容量St為600 MVA，氣動變電站用電協議容量Si為其主變容量240 MVA，根據式 （1）得氣動變電站諧波電流允許值如表6所示。

表6 氣動變電站諧波電流允許值 A

3.2 諧波潮流評估

根據變頻器諧波電流及所測電網背景諧波，基于風洞ETAP模型進行仿真分析。

由于本風洞主壓縮機變頻器為36脈沖整流輸入、9電平逆變輸出，網側諧波小，諧波電流計算結果如表7所示，風洞變電站注入系統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準 《電能質量公用電網諧波》 （GB／T14549—93）中2%的要求。

表7 注入系統的諧波電流情況 A

圖2 開關站母線諧波電壓 （%基波電壓）

3.3 電壓波動和閃變評估

由于風洞變電站主要用電負荷為大容量電動機，而感應電機機械慣性較大，在起動或變負荷運行過程中存在較大沖擊電流，引起電壓波動，而本工程電動機采用變頻調速控制，能夠有效降低和抑制電壓波動。圖3—圖8為風洞負荷變頻器起動時開關站母線及電動機運行情況。

若感應電機直接起動，瞬間起動容量約為電機額定容量的5倍，額定容量為86 MVA感應電機起動瞬間吸收的無功功率約為144 Mvar，風洞變電站吸收電網無功254Mvar，電壓波動值為13%，嚴重超出國家標準規定的2.5%，采用變頻起動，電動機不會瞬間對電網電壓、電流產生沖擊，如圖3—圖4所示，額定容量為86 MVA感應電機起動吸收的無功功率約40 Mvar，單臺主壓縮機無功功率如圖5所示，圖7顯示變頻起動壓縮機轉速逐漸升高，圖8說明了新城子開關站母線電壓最低電壓值為97.6%UN，電壓波動值為2.4%，滿足國家標準要求。由于變頻器的固有特性，能夠有效提高電動機功率因數，而2臺120 MVA主變壓器應補償無功容量12～30 Mvar，所以建議每臺變壓器補償30 Mvar動態無功補償裝置，提高風洞變電站應對電壓變動的能力和功率因數。

圖3 主壓縮機1機端電壓曲線

由于電動機起動和調速過程中，造成的電壓波動會引起燈光的閃爍，也稱為電壓閃變，為了確保風洞負荷單獨引起的長時間閃變值小于該負荷用戶的閃變限值，進行電壓閃變評估。

風洞變電站接入系統開關站全部負荷產生的閃變的總限值G：

式中：LP為PCC點對應電壓等級的長時間閃變值Plt限值；LH為上一電壓等級的長時間閃變值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，推薦為0.8。

單個用戶 （氣動變電站）閃變限值Ei為

式中：F為波動負荷的同時系數，其典型值F＝0.2～0.3 （但必須滿足 Si／F≤St）； Si為風洞變電站協議用電容量St為氣動變電站220 kV母線供電容量， 本工程 Si＝240 MVA， St＝600 MVA。

通過標準規定方法計算可得：G＝0.63，0.63＜E＜0.8。

然后進行氣動變電站長時閃變值計算：

根據風洞負荷日試驗次數約10次，每分鐘波動次數 （頻度r）遠小于1，通過周期性矩形電壓變動的單位閃變曲線，得dLim＞7.5%，由d＝2.4%算出Pst＜0.32，長時間閃變值Plt：

可以看出長時間閃變值Plt＜0.32，小于氣動變電站閃變限值0.63，所以風洞變電站閃變值未超出國家標準。

4 結束語

本文針對風洞電能質量預測評估問題，提出了基于ETAP的風洞接入電網電能質量評估方法，分析了某大容量風洞負荷變頻器起動對電網電能質量的影響，包括諧波、電壓波動、電壓閃變仿真分析，得出風洞負荷實際運行中的主要電能質量指標的變化特性，計算結果可為大容量、變頻控制的非線性負荷接入電網電能質量管理提供一定的參考。

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

［2］ 黃軍琴，曹瑜偉.非線性負荷對電網電能質量影響及優化治理研究 ［J］.電氣應用，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電能質量的影響研究 ［J］.東北電力技術，2011，32（8）：8－10.

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

［5］ 朱 慧.ETAP仿真軟件在化工企業電力系統設計中的應用［J］. 化工自動化及儀表， 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，從事新能源并網及電能質量研究工作。

2017－08－10）