ETAPETAP軟件在余熱電站諧波計算中的應用

周慶忠，田雷

1 概述

目前，余熱電站的主要電氣設備負荷為鍋爐給水泵、循環水泵和冷卻塔風機等，使用變頻器進行調速控制。使用變頻器調速具有節約電能、可對負載實現無級平滑調速、啟動電流小、起動轉矩大、調速精度高、效率高、易實現自動化控制等優點。但變頻器在運行過程中產生的諧波注入電網后，易造成電壓波形畸變，影響電網的電能質量。諧波帶來的影響具體如下：

（1）諧波可造成電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱，產生振動和噪聲，并使絕緣部件老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。

（2）諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。

（3）諧波會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。

（4）對電力系統外部而言，諧波會對通信設備和電子設備產生嚴重干擾[1]。

鑒于諧波對電氣系統的危害，對余熱電站使用的變頻器設備進行諧波計算和分析，并根據計算、分析結果，采取相應的限制諧波的技術措施，使余熱電站的諧波滿足電網要求，具有重要意義。

ETAP軟件是一款在國際上廣泛使用的電氣分析計算軟件。ETAP軟件可以對電力系統進行潮流仿真計算、短路分析、諧波分析、繼電保護配合驗算等各種電氣計算和仿真，其功能全面，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、模擬提供較為全面的分析平臺和解決方案[2]。諧波計算是ETAP軟件的功能之一，ETAP軟件的諧波分析遵循IEEE 519標準（我國對應標準為GB/T 14549）。

2 余熱電站的諧波仿真計算

ETAP的諧波分析有兩種方法：諧波潮流和諧波頻率掃描。這兩種方法都是電力系統諧波分析中最流行并有效的分析方法。綜合使用這兩種方法，可計算不同的諧波，且與標準限值相比較后，可發現電氣系統中存在的電能質量問題及與諧波相關的安全性問題[3-5]。

以某裝機為10MW的余熱電站項目為例進行分析，該余熱電站的負荷清單見表1。利用ETAP軟件建立的余熱電站電氣系統見圖1。

設定ETAP軟件中變頻器的諧波源模型，將變頻器的諧波源模型分為6脈沖、12脈沖、24脈沖等，變頻器的品牌差異可忽略。變頻器的脈沖數越高，相應的諧波含量越低，變頻器的成本越高。綜合考慮后，變頻器的諧波源模型選擇了12脈沖諧波源模型。變頻器的12脈沖諧波源模型的波形和諧波頻譜如圖2所示。

表1 余熱電站電氣負荷清單

從圖2可看出，12脈沖諧波源模型的諧波為（12k±1）次諧波（k=1，2，3，……），低次諧波的幅值最大，高次諧波的幅值逐次變小。

經過ETAP軟件仿真分析計算，低壓母線（LV Bus）上的電壓波形如圖3所示。從圖3可以看出母線上的電壓波形畸變較大。變壓器T1二次側的電流波形如圖4所示，可以看出變壓器T1二次側電流波形畸變較大，諧波含量較高。變壓器T1二次側的諧波電流含量如表2所示。

圖1 余熱電站電氣系統圖

圖2 12脈沖諧波源模型的波形圖和頻譜圖

圖3 低壓母線（LV Bus）的電壓波形

圖4 變壓器T1二次側電流波形

上述諧波電流經過折算后，超過了國家標準GB/T 14549中的諧波電流限值[6]，國家標準GB/T 14549中部分電流限值如表3所示。

表2 變壓器T1二次側諧波電流含量

表3 諧波電流允許值（標注電壓：0.38kV，基準短路容量：10MVA）

由于變頻器的諧波電流超過諧波電流限值，需要對變頻器采取諧波抑制措施，以限制電氣系統的諧波，避免影響電氣系統的電能質量。諧波抑制措施包括如下幾種：（1）采用更高脈沖次數的變頻器，例如24或48脈沖變頻器；（2）采用有源濾波器；（3）采用LC無源濾波器。如采用更高脈沖次數的變頻器，將會增加變頻器的功率單元，致使變頻器內部結構復雜和變頻器成本增加。有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，但有源濾波器的成本較高。而LC無源濾波器因出現得最早，具有結構簡單、設備投資少、運行可靠性較高、運行費用較低等特點，應用得最多[1]。

LC濾波器是由濾波電容器、電抗器和電阻器組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯，除發揮濾波器作用外，還兼顧無功補償的需要。LC濾波器又分為單調諧濾波器、高通濾波器及雙調諧濾波器等，在實際應用中，常用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置。

在本仿真計算中，以LC無源濾波器濾除諧波為例，對系統增加相應的單調諧濾波器，分別濾除11、13、23、25、35、37、47和49次諧波。設置單調諧濾波器的電氣系統如圖5所示。

ETAP軟件可以根據系統配置和特定諧波自動計算單調諧濾波器的參數，從而使濾波器的設計十分簡便。根據需濾除的諧波次數和諧波電流，配置的單調諧濾波器如表4所示。

設定單調諧濾波器參數后，通過ETAP軟件計算系統的諧波。低壓母線的諧波電壓如圖6所示。

圖5 設置單調諧濾波器的電氣系統圖

圖6 低壓母線上的諧波電壓

圖7 變壓器T1二次側電流波形

表4 單調諧濾波器配置

表5 變壓器T1二次側諧波電流含量

變壓器T1二次側的電流波形如圖7所示。

變壓器T1二次側的諧波電流含量如表5所示。

可以看出，在低壓母線處增加濾除各次諧波的單調諧濾波器，基本濾除了各次諧波，提高了電氣系統的電能質量。

3 結語

通過ETAP軟件可以對以變頻器驅動為主的余熱電站電氣系統進行諧波分析和計算，根據分析和計算結果采用合理設計的LC單調諧濾波器降低電氣系統的諧波含量，可有效提高余熱電站的諧波分析計算和控制能力。

目前，部分變頻器廠家已在變頻器上集成了濾波器，濾除了部分諧波，對這類變頻器應做獨立的諧波分析，以保證電氣系統的電能質量。