基于ETAP的光伏電站并網的諧波分析?

馬龍濤 劉毅力 尹 山 丁換換 田華明

（1.國網銅川供電公司 銅川 727031）（2.西安工程大學電子信息學院 西安 710048）（3.西安建筑科技大學機電工程學院 西安 710055）

1 引言

近年來，在能源短缺和環保壓力下，大力開發、利用新能源成了新的趨勢。因太陽能諸多優點使其在世界各地快速發展，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電安裝量增長最快以及光伏電池組件產量最多的國家，光伏并網發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，對電力系統的運行穩定性產生了一定的影響［2］，而且使電網的電壓與電流波形發生畸變，降低電網電壓，浪費電網容量［3］。除此之外，還需在系統中增加相應的無功補償設備，同時也要注意其引起的諧波問題［4］。無論是對電網作諧波治理或諧波分析，其工作的基礎與前提，是對電力系統的有效建模。

本文是主要針對某地區電力系統的主要諧波源——光伏電站分析并建模，為簡化復雜的實際工程提供理論參考。結合該地區電網實際網架及工程實測數據，基于ETAP軟件搭建數學模型，進行仿真，通過與實測值的比較，從理論上驗證所采用模型的可行性，并對方案的改進提供理論依據分析。

2 光伏發電系統的電氣結構

由圖1光伏電站的電氣結構可知，光伏電站系統主要組成：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體材料上的太陽能轉化為電能的發電設備［5］。其原理是逆變器是把方陣輸出的直流電轉化成與電網電力相同電壓和頻率的交流電，同時還起到調節電力的作用［6］。根據逆變橋的相數、逆變器功率變換的級數和輸入、輸出方式的不同，其可分成不同的種類。在光伏發電并網系統中，將太陽能電池組件接收來的太陽輻射能量，經過直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流后，直接或通過變壓器接入電網。

圖1 光伏電站電氣結構

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

3 并網光伏電站的建模

在電力系統綜合分析軟件ETAP的環境下，搭建仿真模型［9～11］。文獻［12］概述了先進的電力系統仿真軟件ETAP的功能和特點。文獻［13］提出了在ETAP中的兩種等值方法，由于數據測量點的不同，所搭建的模型也不盡相同。如圖1所示，太陽能光伏電池經過逆變器、變壓器后并入電網的兩種等值模型。若在變壓器前測量數據，則需要在搭建模型時，在光伏電站等效電網與并入電網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生的諧波；若將整個發電、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母線測的數據，不需要考慮變壓器損耗，在仿真中可減小其他數據誤差，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模型中需要數據參數有：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

某地區將建設±800kV特高壓直流輸電工程，其配套電源主要為該地區電廠群，且以該地區750kV及330kV母線諧波情況為背景諧波。根據該地區各變電站及發電廠的地理位置，其仿真如圖3。此仿真模型包括接入750kV和330kV系統的火力發電機10臺，等效電源2處，變壓器10臺，線路25回，負荷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，且發電機、變壓器、負荷等都封裝進一個子模塊中。

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，不考慮其內部情況，即在實際測量中，主要測量其接入電網的諧波電壓畸變率和諧波電流。光伏電站的模型參數：額定電壓330kV，三相短路容量為S=200MVA，控制模式為無功控制，系統抗阻比為X/R=10。

4.2 仿真結果分析

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

基波潮流分析后，在光伏電站等效電網內輸入三相中最大的CP95電流值，作為諧波源數據。在文獻［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。進行諧波潮流分析后可得到相應的母線電壓諧波值，與實測諧波電壓95%概率值進行比較，如表1所示。為確定在電力系統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母線側注入95%的實測值。運行諧波潮流分析后，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行對比。由于篇幅限制，只列出線路諧波電流仿真計算結果與實測結果的比較情況，如表2所示。

圖3 系統仿真圖

圖4 光伏電站出力仿真結果

圖5 光伏電站諧波參數

由表1～表2仿真計算結果可以看出，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［16］，即可認為模型合理有效，即表1、表2數據有效。由此可以驗證光伏電站仿真模型及該地區電網的仿真模型能夠較為真實地反映系統的諧波情況，具有可行性。

表2 330kV線路數據對比（A）

5 結語

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，其模型輸出數據與測量數據的誤差在允許范圍之內，即可驗證等效電網的有效性。其后將光伏電站模型放入整個電力系統中，仿真后將系統仿真值與實測值對比，驗證了光伏電站的模型在整個復雜的電力系統中仍然有效可行。

在含有多個光伏電站的電網中，面對這樣的復雜問題，建議在電力系統規劃初期，對產生諧波污染的設備，應在ETAP中對其造成的影響進行諧波潮流計算，為抑制諧波污染提供理論依據。利用這樣的思想，若在系統中建設新的發電廠或變電站，可先利用ETAP進行諧波評估，了解系統的諧波狀況，改變建設方案，采取有效措施降低系統中的諧波畸變程度，提高電能質量。