基于ETAP的光伏電站電能質量評估報告

林根義

九州能源有限公司，中國·廣東 廣州 510000

1 引言

對于光伏電站的接入而言，為了保證光伏系統接入到電網的穩定性，尤其是10kV及以上的地面電站或者分布式電站。因此，通過ETAP軟件的模擬仿真來檢查電能質量當中的參數是不是符合國家標準，這是一項非常有必要進行的工作。通過一個實際的光伏建模案例，來說明ETAP仿真軟件是如何驗證出光伏系統的電能質量各參數的限值[1]。

2 光伏電站信息

本項目13.32MWp光伏發電分成8個單位元，每1個單位的容量為1665kW、每2個單位通過串聯的方式逆變器升壓接至并網點，共4個并網點。4個并網點分別接入原有10kV騰訊2號廠房1號專用開關站的G01備用柜（10kV騰訊丙線）、10kV騰訊2號廠房2號專用開關站的G10備用柜（10kV蓄能二干線）、10kV騰訊1號方倉專用開關站的G10備用柜（10kV騰訊甲線）、10kV騰訊2號方倉專用開關站的G10備用柜（10kV蓄能一干線）[2,3]。

3 ETAP建模仿真分析

3.1 ETAP簡介

ETAP 19.0.1版本是一款專為電力系統工程師設計的電力系統建模和仿真軟件工具，主要的功能包含模型的潮流分析、短路分析、弧閃、諧波分析、暫態繼電保護等。

3.2 光伏電站建模仿真

根據光伏項目的基本情況，在ETAP軟件中選擇對應的PV陣列、等效負荷、電纜、斷路器、等效電網等元件，輸入各元件對應的具體參數，建立圖1、2的光伏電站模型。本次模擬仿真要計算的電能質量各參數限值，都是依據圖1、圖2為模型為基礎。光伏接入點1至4分別為ETAP中的復合網絡，在復合網絡中再進行光伏電站的建模，在此就不多展開進行描述。

圖1 ETAP中光伏電站模型1

圖2 ETAP中光伏電站模型2

完成建模以后，運行了對應的功能，把得到的數據運用于電能質量報告當中。下面就電能質量報告的五點內容展開一一的說明與計算，通過計算來驗證符不符合中國的限值標準。

4 諧波結果

4.1 諧波計算依據

根據中華人民共和國GB/T14549—93《電能質量——公用電網諧波》的規定[4]，10kV系統允許的電壓總諧波畸變率不超過4%，如表1所示，各次諧波諧波如表2所示。

表1 公用電網諧波電壓允許值

表2 公用電網諧波電壓允許值

4.2 諧波仿真計算結果

在ETAP中可以直接輸出諧波仿真計算的表格，里面有對應的詳細數據，由于篇幅問題，就不一一列出，只羅列出各并網點電壓總諧波畸變率進行比較，結果如表3所示。

表3 各并網點電壓總諧波畸變率

通過表3可以看出來，此項目的各并網點總諧波畸變率均小于限值4%，符合規定。

5 電壓波動和閃變結果

5.1 電壓波動和閃變計算依據

在高壓電網中，一般XL≥RL（RL、XL分別為電網阻抗的電阻、電抗分量）。

電壓波動d的表達式為：

式中，?Qi為無功功率的變化量；Ssc為PCC點在正常較小方式下的短路容量。

第一級規定：滿足本級規定，可以不經閃變核算，允許接入電網。對于LV和MV用戶，第一級限值見表4。

表4 用戶第一級限值

5.2 電壓波動和閃變仿真計算結果

運用公式，每個并網點按照正常10%裝機容量（取0.33MW）變動，無功出力按最大范圍變動（P：3.33MW，Q：+0.8Mvar～-0.8Mvar，Q變動范圍1.6Mvar）進行計算[5]。同時，進行特殊情況下50%出力變動計算；不考慮主變壓器下動態無功補償裝置的無功出力；電站出力波動情況下各PCC點電壓波動計算結果如表5所示。

表5 10kV 系統各PCC點電壓波動計算結果

第一級評估：為提高光伏電站的效率，投入運行的光伏電站均采用了最大功率追蹤（MPPT）控制，但是當外界輻照度、溫度變動發生變化時，其輸出功率必然隨之變動。根據最嚴重的情況，取光伏發電站每分鐘的波動視在功率為額定功率的10%，即光伏發電站每個接入點的容量ΔSma×=3.33×10/100=0.333MW，則PCC點的計算結果如表6所示。

表6 閃變第一級評估計算結果

通過表5可以看出來，此項目的電壓波動小于限值，均不超過 3% 國標值，符合規定；通過表6可看出4個PCC點滿足第一級評估的規定，無需進行第二級評估符合規定。

6 三相電壓不平衡度結果

6.1 三相電壓不平衡度計算依據

設公共連接點的正序阻抗與負序阻抗相等[1]，則電壓的負序不平衡度為：

式（1中），εU2為負序電壓不平衡度，單位為%；I2為負序電流值，單位為安（A）；SK為公共連接點的三相短路容量，單位為伏安（VA）；UL為線電壓，單位為伏（V）。

6.2 三相電壓不平衡度仿真計算結果

根據ETAP仿真軟件，仿真計算了騰訊清遠云計算數據中心光伏發電并網引起公共連接點的負序電流值，并計算得出電能質量考核點負序不平衡度，計算結果如表7所示。

表7 系統考核點電能質量考核點負序不平衡度及零序不平衡度結果

通過表7可以看出來，此項目的三相電壓不平衡度的負序電壓不平衡度低于國標 1.3% 的限值,符合規定。

7 電壓偏差結果

7.1 電壓偏差計算依據

電壓偏差指實際運行電壓對系統標稱電壓的偏差相對值，以百分數表示。其計算公式如式：

式中，δU為電壓偏差；Ure為運行電壓，kV；UN為系統標稱電壓，kV。其中，本項目取值10kV。

7.2 電壓偏差仿真計算結果

根據ETAP仿真軟件，仿真計算了此項目并網引起公共連接點的電壓偏差。計算結果如表8所示。

表8 系統考核點的電壓偏差

由表8可知，此項目并網引起公共連接點的電壓偏差數值小于限值±7%，符合標準。

8 無功補償結果

8.1 無功補償計算依據

光伏電站逆變器可發出無功功率，但考慮電站能為系統提供一定的無功儲備容量，需配置無功補償裝置。光伏電站無功補償容量應結合實際接入電網情況確定，其配置的容性無功補償容量應為光伏電站額定出力時升壓變壓器無功損耗、線路無功損耗及線路充電功率之和，其配置的感性無功補償容量應能夠補償全部線路的充電功率[6]。

8.1.1 線路無功損耗計算公式

QL為線路電抗產生的無功損耗，Kvar；Ie為變壓器額定電流，A；β為變壓器負載率，取值為0.6；XL為線路等值電抗，Ω；L為線路長度，km。

8.1.2 線路充電功率計算公式

Qc為線路電納產生的充電功率，Kvar；U為線路額定線電壓，kV；f為電力系統頻率，取值50Hz；C為導線單相對地電容μF；c為單位長度導線單相對地電容，μF/km。

8.1.3 變壓器的無功損耗計算公式

QT為變壓器無功損耗，kvar；UK%為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分數；I0%為變壓器空載電流百分數；S為變壓器的計算功率，kVA；SN為變壓器額定容量 kVA。

8.2 無功補償仿真計算結果

根據上面計算公式，可以算出光伏電站無功功率損耗及充電功率，具體數據可以查看表9。

表9 光伏電站無功功率損耗及充電功率

為了增強光伏電站低電壓耐受能力，降低脫網概率，建議光伏電站安裝靜止無功發生器（SVG），將計算結果取整，整個光伏電站容性無功補償容量為1200kvar，感性無功補償容量為1200kvar。考慮到每個地區電網規定補償的容量不一樣，補償容量可配置在20%～30%之間。本項目按照 25%配置，共有4個并網點，每個并網點配置容性800kvar～感性800kvar，總補償容量為容性3200kvar～感性3200kvar，遠遠超出了計算的數據，滿足要求[7]。

9 結語

通過ETAP軟件模擬仿真并且輸入對應參數，把原本復雜的電能質量計算過程簡化。得到了我們需要的諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度、電壓偏差、無功補償數值，來核對是否符合規范要求。