ETAPETAP軟件在余熱電站諧波計算中的應(yīng)用

周慶忠，田雷

1 概述

目前，余熱電站的主要電氣設(shè)備負(fù)荷為鍋爐給水泵、循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等，使用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。使用變頻器調(diào)速具有節(jié)約電能、可對負(fù)載實現(xiàn)無級平滑調(diào)速、啟動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速精度高、效率高、易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點(diǎn)。但變頻器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)后，易造成電壓波形畸變，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。諧波帶來的影響具體如下：

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

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

（3）諧波會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。

（4）對電力系統(tǒng)外部而言，諧波會對通信設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾[1]。

鑒于諧波對電氣系統(tǒng)的危害，對余熱電站使用的變頻器設(shè)備進(jìn)行諧波計算和分析，并根據(jù)計算、分析結(jié)果，采取相應(yīng)的限制諧波的技術(shù)措施，使余熱電站的諧波滿足電網(wǎng)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(tǒng)進(jìn)行潮流仿真計算、短路分析、諧波分析、繼電保護(hù)配合驗算等各種電氣計算和仿真，其功能全面，能為發(fā)電、輸配電和工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、分析、計算、運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)（我國對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)限值相比較后，可發(fā)現(xiàn)電氣系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量問題及與諧波相關(guān)的安全性問題[3-5]。

以某裝機(jī)為10MW的余熱電站項目為例進(jìn)行分析，該余熱電站的負(fù)荷清單見表1。利用ETAP軟件建立的余熱電站電氣系統(tǒng)見圖1。

設(shè)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(shù)越高，相應(yīng)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(fù)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(jīng)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(cè)的電流波形如圖4所示，可以看出變壓器T1二次側(cè)電流波形畸變較大，諧波含量較高。變壓器T1二次側(cè)的諧波電流含量如表2所示。

圖1 余熱電站電氣系統(tǒng)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(cè)電流波形

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

表2 變壓器T1二次側(cè)諧波電流含量

表3 諧波電流允許值（標(biāo)注電壓：0.38kV，基準(zhǔn)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(tǒng)的諧波，避免影響電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量。諧波抑制措施包括如下幾種：（1）采用更高脈沖次數(shù)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(shù)的變頻器，將會增加變頻器的功率單元，致使變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和變頻器成本增加。有源濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償，但有源濾波器的成本較高。而LC無源濾波器因出現(xiàn)得最早，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)，應(yīng)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(lián)，除發(fā)揮濾波器作用外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰C濾波器又分為單調(diào)諧濾波器、高通濾波器及雙調(diào)諧濾波器等，在實際應(yīng)用中，常用幾組單調(diào)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(tǒng)增加相應(yīng)的單調(diào)諧濾波器，分別濾除11、13、23、25、35、37、47和49次諧波。設(shè)置單調(diào)諧濾波器的電氣系統(tǒng)如圖5所示。

ETAP軟件可以根據(jù)系統(tǒng)配置和特定諧波自動計算單調(diào)諧濾波器的參數(shù)，從而使濾波器的設(shè)計十分簡便。根據(jù)需濾除的諧波次數(shù)和諧波電流，配置的單調(diào)諧濾波器如表4所示。

設(shè)定單調(diào)諧濾波器參數(shù)后，通過ETAP軟件計算系統(tǒng)的諧波。低壓母線的諧波電壓如圖6所示。

圖5 設(shè)置單調(diào)諧濾波器的電氣系統(tǒng)圖

圖6 低壓母線上的諧波電壓

圖7 變壓器T1二次側(cè)電流波形

表4 單調(diào)諧濾波器配置

表5 變壓器T1二次側(cè)諧波電流含量

變壓器T1二次側(cè)的電流波形如圖7所示。

變壓器T1二次側(cè)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(diào)諧濾波器，基本濾除了各次諧波，提高了電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

3 結(jié)語

通過ETAP軟件可以對以變頻器驅(qū)動為主的余熱電站電氣系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析和計算，根據(jù)分析和計算結(jié)果采用合理設(shè)計的LC單調(diào)諧濾波器降低電氣系統(tǒng)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(yīng)做獨(dú)立的諧波分析，以保證電氣系統(tǒng)的電能質(zhì)量。