基于電力仿真的電力系統(tǒng)諧波分析方法探究

崔慶偉

摘? 要：非線性負(fù)荷的大量使用是導(dǎo)致諧波問題的主要根源，并且極大地降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，諧波電流流經(jīng)電力設(shè)備，會導(dǎo)致電力設(shè)備溫度提高，造成絕緣損壞而影響電力設(shè)備的整體壽命。電力系統(tǒng)采取各種有效措施進(jìn)行諧波抑制，在減少諧波源的諧波含量的同時，設(shè)計(jì)并投入合適的諧波濾波器到低壓側(cè)或負(fù)荷端。利用ETAP進(jìn)行預(yù)先的諧波仿真分析可以根據(jù)實(shí)際情況輔助建立仿真模型，通過采集到的現(xiàn)實(shí)諧波數(shù)據(jù)來建立ETAP諧波數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步設(shè)計(jì)合適的濾波器，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)諧波畸變的目的。

關(guān)鍵詞：非線性負(fù)載? 諧波畸變程度? ETAP? 諧波分析

中圖分類號：TM935 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0073-03

Abstract： The heavy use of non-linear loads is the main source of harmonic problems and greatly reduces the power quality of power systems. Harmonic current flowing through power equipment will cause the temperature of the equipment to increase， causing insulation damage and affecting the overall life of the equipment. The power system adopts various effective measures for harmonic suppression， including reducing the harmonic content of the harmonic source， as well as designing and putting in a suitable harmonic filter to the low-voltage side or load side. Using ETAP for pre-harmonic simulation analysis， a simulation model can be established according to the actual situation and the ETAP harmonic database can be established by the collected harmonic data， as well as further suitable filters can be designed to reduce the harmonic distortion of the system.

Key Words： Nonlinear load; Degree of harmonic distortion; ETAP; Harmonic analysis

1? 背景

由于愈來愈多的非線性負(fù)荷運(yùn)用到電網(wǎng)中，特別是各種調(diào)壓、調(diào)相、調(diào)頻裝置的投入，以及可再生能源的接入，導(dǎo)致了較多的諧波問題。諧波污染降低了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，增加了電力系統(tǒng)局部并聯(lián)和串聯(lián)諧振的可能。諧波所產(chǎn)生的過電壓和過電流，對各種設(shè)備造成了不良干擾和破壞。而對于系統(tǒng)容量較小、負(fù)荷密度大的船舶和海上平臺等孤島電網(wǎng)，諧波問題尤為嚴(yán)重。

諧波污染對于各種電網(wǎng)及其設(shè)備的危害不容忽視。本文將以某孤島電網(wǎng)作為算例，同時利用ETAP諧波潮流分析功能設(shè)計(jì)無源濾器，使得濾波器參數(shù)合理，對諧波治理具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2? 諧波抑制方法

針對諧波帶來的危害，需要采取措施進(jìn)行諧波抑制，包括：

（1）預(yù)防性措施，避免諧波及其后果的出現(xiàn)：增加變頻器相數(shù);采用多電平變流技術(shù);變壓器以不同的方式聯(lián)接。

（2）補(bǔ)救性措施，消除已存諧波問題：諧波濾除，即無源濾波器、有源濾波器或電容器加電抗器;電路解諧，克服諧振。

其中無源濾波器是采用由一組或數(shù)組LC單調(diào)諧濾波器組成，與諧波源并聯(lián)后能起到旁路濾波的作用，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。而有源濾波器不僅能跟蹤諧波頻率和幅值的變化，還具有不受電網(wǎng)阻抗影響的補(bǔ)償特性，其不僅可以對一個諧波和無功源進(jìn)行補(bǔ)償，也可以對多個諧波源和無功源進(jìn)行集中補(bǔ)償，在目前海上平臺抑制諧波實(shí)踐中得到了很廣泛應(yīng)用。

3? 基于電力仿真軟件的諧波分析

3.1 ETAP諧波分析方法

ETAP是一款功能強(qiáng)大的電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件，不僅能對電網(wǎng)進(jìn)行電氣建模，還能直觀得到電流和電壓在諧波源干擾下的波形，分別對各次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，其諧波分析功能為無源濾波器設(shè)計(jì)提供計(jì)算參數(shù)。諧波分析不僅可對RMS、峰值、失真率等進(jìn)行計(jì)算，還可以模擬電壓和電流諧波源，定義頻率掃描范圍，設(shè)計(jì)濾波器并繪制出多種形式的響應(yīng)曲線。ETAP諧波分析流程如圖1所示。

3.2 ETAP諧波仿真分析過程

3.2.1 單線圖建模

3.2.2 采集諧波數(shù)據(jù)，建立諧波數(shù)據(jù)庫

本算例新增諧波電流源類型并輸入到ETAP諧波數(shù)據(jù)庫中，諧波源參數(shù)如表1所示。

3.2.3 諧波計(jì)算

通過初次諧波潮流分析，得出系統(tǒng)的頻域信息，計(jì)算并考核相關(guān)的諧波指標(biāo)。

添加諧波源后，通過初步計(jì)算，低壓母線BUS169 THD較高，為5.81%，超過限值5%。對模型進(jìn)行諧波仿真，分解各次諧波，可知該諧波含量中，5次和7次諧波對THD影響較大，電壓波形出現(xiàn)畸變。

3.2.4 濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)濾波器時要考慮系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)囊螅虼诵枋沟脼V波器投入后電網(wǎng)功率因數(shù)保持在合適范圍。濾波器投入后，會改變系統(tǒng)的諧波阻抗，須要對新系統(tǒng)進(jìn)行阻抗掃描，檢查新系統(tǒng)的并聯(lián)諧振點(diǎn)頻率，如果存在諧振點(diǎn)，則必須重新配置濾波器參數(shù)，以偏移諧振頻率。

對模型進(jìn)行諧波分解，得到由諧波源流進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的主要是5次和7次諧波，BUS169總?cè)萘繛?.74MVA，單相容量為0.913MV，功率因數(shù)為90.84%，期望功率因數(shù)設(shè)為96%，由此設(shè)置5次和7次諧波單次濾波器。

3.2.5 諧波分析與頻率掃描

投入5次和7次諧波單次濾波器后，重新對模型進(jìn)行諧波分析，BUS169電壓總畸變率THD變?yōu)?.825%，電能質(zhì)量較好。通過頻率掃描得到出現(xiàn)諧振點(diǎn)頻率約為1500Hz，為基波頻率的30倍，基本不符合高次諧波實(shí)際情況，故可排除諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

由頻譜分析圖可知此時5次和7次諧波被大量濾除。流入5次單次濾波器的電流為955.1A，流入7次單次濾波器的電流為530A，由于主要諧波被濾除，母線電壓波形趨于正弦波。可見，裝設(shè)濾波器后，很好地解決了諧波污染問題，同時，提高了功率因數(shù)。

4? 結(jié)語

電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重，為了提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，須進(jìn)行諧波分析，采取措施抑制諧波。利用ETAP軟件進(jìn)行預(yù)先的諧波仿真分析，能夠建立有效的模型了解并降低電網(wǎng)中的諧波畸變程度，利用頻率掃描功能可以檢查出是否存在諧振點(diǎn)，從而減少諧波引起的電力系統(tǒng)故障風(fēng)險，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通過對電力系統(tǒng)諧波潮流計(jì)算，分析各次諧波電壓和電流分布、母線電壓和支路電流的總有效值、總體和單次諧波畸變率等，有利于掌握諧波源污染情況及判斷線路的諧振點(diǎn)。

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