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(guó)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(lái)，在能源短缺和環(huán)保壓力下，大力開(kāi)發(fā)、利用新能源成了新的趨勢(shì)。因太陽(yáng)能諸多優(yōu)點(diǎn)使其在世界各地快速發(fā)展，成了解決問(wèn)題的有效措施。自2011年以來(lái)，中國(guó)成為全球光伏發(fā)電安裝量增長(zhǎng)最快以及光伏電池組件產(chǎn)量最多的國(guó)家，光伏并網(wǎng)發(fā)電成為太陽(yáng)能利用的重要方式［1］。由于越來(lái)越多的光伏并入電網(wǎng)，對(duì)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(fèi)電網(wǎng)容量［3］。除此之外，還需在系統(tǒng)中增加相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，同時(shí)也要注意其引起的諧波問(wèn)題［4］。無(wú)論是對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)的有效建模。

本文是主要針對(duì)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(jiǎn)化復(fù)雜的實(shí)際工程提供理論參考。結(jié)合該地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際網(wǎng)架及工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于ETAP軟件搭建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真，通過(guò)與實(shí)測(cè)值的比較，從理論上驗(yàn)證所采用模型的可行性，并對(duì)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(yáng)能電池組件、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器。

太陽(yáng)能光伏電池是將照射在半導(dǎo)體材料上的太陽(yáng)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(shí)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(jí)數(shù)和輸入、輸出方式的不同，其可分成不同的種類(lèi)。在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，將太陽(yáng)能電池組件接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量，經(jīng)過(guò)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(guò)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(shí)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(diǎn)。文獻(xiàn)［13］提出了在ETAP中的兩種等值方法，由于數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)的不同，所搭建的模型也不盡相同。如圖1所示，太陽(yáng)能光伏電池經(jīng)過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)，則需要在搭建模型時(shí)，在光伏電站等效電網(wǎng)與并入電網(wǎng)的母線(xiàn)之間加升壓變壓器，如圖2（a）。但此時(shí)，就需要考慮變壓器損耗以及其產(chǎn)生的諧波；若將整個(gè)發(fā)電、逆變以及升壓即整個(gè)光伏電站作為一個(gè)整體，如圖2（b），只需要測(cè)量接入電網(wǎng)母線(xiàn)測(cè)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(duì)整個(gè)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(chǎng)群，且以該地區(qū)750kV及330kV母線(xiàn)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(chǎng)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(tái)，等效電源2處，變壓器10臺(tái)，線(xiàn)路25回，負(fù)荷12個(gè)（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(shí)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(gè)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(shí)際測(cè)量中，主要測(cè)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(wú)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(duì)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(shí)際工況相對(duì)比，適當(dāng)調(diào)試參數(shù)使仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)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(xiàn)電壓諧波值，與實(shí)測(cè)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(gè)測(cè)量點(diǎn)的諧波實(shí)際測(cè)量值錄入模型并建成諧波庫(kù)之后，在各測(cè)點(diǎn)注入諧波源信號(hào)，即330kV1變母線(xiàn)、7變母線(xiàn)、8變母線(xiàn)、9變母線(xiàn)、10變母線(xiàn)、11變母線(xiàn)等12處變電站的330kV母線(xiàn)側(cè)注入95%的實(shí)測(cè)值。運(yùn)行諧波潮流分析后，將得到的各變電站母線(xiàn)電壓以及各條線(xiàn)路電流諧波仿真值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。由于篇幅限制，只列出線(xiàn)路諧波電流仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)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(jì)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(xiàn)路電流諧波仿真值與其各自實(shí)測(cè)值基本一致。但存在一定誤差，是因?yàn)檩斎氲膶?shí)測(cè)值即為95%概率值，其為一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。由于實(shí)測(cè)諧波電流的95%概率值與實(shí)測(cè)諧波電壓的95%概率值由于一些客觀(guān)因素，會(huì)造成實(shí)測(cè)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(yàn)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(shí)地反映系統(tǒng)的諧波情況，具有可行性。

表2 330kV線(xiàn)路數(shù)據(jù)對(duì)比（A）

5 結(jié)語(yǔ)

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

在含有多個(gè)光伏電站的電網(wǎng)中，面對(duì)這樣的復(fù)雜問(wèn)題，建議在電力系統(tǒng)規(guī)劃初期，對(duì)產(chǎn)生諧波污染的設(shè)備，應(yīng)在ETAP中對(duì)其造成的影響進(jìn)行諧波潮流計(jì)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(chǎng)或變電站，可先利用ETAP進(jìn)行諧波評(píng)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。