ETAP在变电站谐波特性的应用
郭昆丽1, 田海霞1, 王建波2, 王坤1     
1. 西安工程大学 电子信息学院, 陕西 西安 710048;
2. 国网陕西省电力公司 电力科学研究院, 陕西 西安 710054
摘要: 针对某变电站电弧炉、轧机、电气化铁道等非线性负荷产生的谐波问题,结合该变电站的实际运行工况,利用电力系统仿真分析软件ETAP进行谐波分析,给出一种符合该变电站频率特性要求的无源滤波方法.首先在ETAP下建立该变电站的运行模型,然后仿真分析其谐波特性,最后利用ETAP软件仿真验证所设计滤波器在基波50 Hz以及等值频率偏调±1%情况下的滤波效果,为实际工程的研究提供参考.
关键词: 非线性负荷     谐波     ETAP     无源滤波器     变电站    
Application of ETAP in harmonic characteristic for the substation
GUO Kunli1, TIAN Haixia1, WANG Jianbo2, WANG Kun1     
1. School of Electronics and Information, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China;
2. Electric Power Research Institute, State Grid Shaanxi Electric Power Company, Xi'an 710054, China
Abstract: Due to the harmonic problems caused by the non-linear load of a substation such as arc furnace, rolling mill, electrified railway, and the actual operation condition of the substation, by using ETAP for harmonic analysis, a kind of passive filter method is given to meet the requirements of the substation frequency characteristic.The operation model of the substation is established under ETAP, and then the harmonic characteristics are analyzed by simulation. Finally, the simulation results of ETAP are used to verify the filtering effect of the designed filter at the fundamental 50Hz and the equivalent frequency ±1%, providing reference to practical engineering.
Key words: non-linear load    harmonic    ETAP    passive filter    substation    
0 引言

电力系统谐波问题早在20世纪30年代就引起了人们的注意.近年来, 随着工业化发展, 越来越多的非线性负荷接入到电网中, 导致大量谐波被注入, 引起电网损耗增加、设备寿命缩短及烧毁等问题[1].

文献[2]提出一种在变压器上接入LC滤波器, 治理谐波的同时兼顾无功功率补偿的新型滤波方案;文献[3-4]在电网侧串联滤波电感器, 负载侧并联带有一定电抗率的电容器, 达到了较好的补偿效果;文献[5]提出一种基于基波谐振原理的无源滤波新方法, 利用电感与电容的基波谐振电路与无源滤波器进行谐波抑制;文献[6]提出基于随机权重的遗传算法来求解无源滤波器参数的方案, 通过实验对比研究验证了无源滤波器多目标参数优化设计的合理性;文献[7]在传统串联混合有源电力滤波器(SHAPF)的基础上,在逆变器的交流侧串入一个基波串联谐振装置的串入式串联混合有源电力滤波器, 是一种高性能、实用的滤波装置.本文根据谐波因素导致变电站并联电容器组损坏的问题, 结合ETAP仿真分析,给出一种符合该站频率特性要求的无源滤波方法, 并对滤波效果进行验证, 以达到解决工程问题的目的.

1 背景谐波

汉中供电局下辖某变电站由于10 kV侧无功补偿电容器组的电抗率参数不匹配, 导致该站3次谐波被放大, 引起电容器组烧毁.虽然该站重新匹配电抗率参数, 有效抑制了3次及以上谐波, 但是系统仍存在谐振现象, 对设备安全运行造成危害.本文以此工程案例为背景,结合ETAP软件进行仿真分析, 根据负荷谐波特性, 匹配电抗率参数进而设计滤波装置, 并对滤波效果以及母线谐振特性进行分析.系统接线图如图 1所示.

图 1 系统接线图 Figure 1 System wiring diagram
2 谐波特性分析

ETAP是一种广泛应用于电力系统仿真分析的计算软件[8].本文利用ETAP谐波分析模块, 建立谐波负荷仿真模型.把实测的非线性负荷各次谐波电流值输入谐波源库中, 建立谐波电流等效模型.

2.1 谐波源分析

本案例中的谐波源主要为轧机、电弧炉、电气化铁道等负荷.ETAP谐波分析程序自动画出谐波源的波形图和频谱图, 如图 2(a)~(c)所示.

图 2 各种谐波源的谐波特征 Figure 2 Harmonic characteristics of harmonic source

电气化铁道由供电系统和电力机车组成, 由于机车负荷的特殊性, 使牵引供电系统为一个单相的不对称系统, 具有随机波动性, 会在电网侧产生变化的谐波电流及负序电流, 导致电力变压器寿命变短、输电线路送电能力下降[9].电气化铁道属于典型的谐波电流源, 谐波特征频谱为2k±1(k为正整数).

轧机的工作实质为交直流电动机, 具有明显的非线性冲击负荷的特点, 其产生的瞬间负荷功率以及谐波分量, 导致母线电压降低, 引起电网电压波动[10].另外, 轧机消耗大量的无功功率, 使电网功率因数降低, 供电电网的电能质量受到影响.

一般而言, 电弧炉冶炼基本分为2个阶段, 即熔炼期和精炼期.熔炼期由于电弧炉内还存在固体未熔化物质, 此时电流波形呈现出不规律的状态, 谐波含量相对较大, 主要为2,3,4,5,6,7次等低次谐波, 其中奇次谐波含量较大, 并伴随大量间谐波、电压波动和闪变的现象, 且功率因数一般只有0.7[11].而在精炼期, 随着炉料基本融化为钢水, 电弧变得相对稳定.

图 2可以看出, 该变电站的主要谐波污染来自3,5,7,9次谐波, 其中3,5次所占的比例比较大.

2.2 系统建模 2.2.1 设备参数

该站330 kV变电站基本参数为:330 kV侧系统短路容量为3 000 MVA,35 kV侧电容器补偿容量为20 Mvar, 电抗器容量为30 Mvar,变压器额定容量为240 MVA, 高中、高低、中低短路阻抗百分比分别为10.5%, 25%, 13%.

110kV变电站基本参数为:35 kV侧电容器额定容量为4.5 MVA, 变压器额定容量为31.5 MVA, 高中、高低、中低短路阻抗百分比分别为10.21%, 13%, 7.41%, 电抗率均为12%.

2.2.2 系统模型

根据图 1, 在ETAP下建立系统模型, 如图 3所示.

图 3 系统模型 Figure 3 The system model

将变电站的基本参数键入各元件中, 运行谐波分析模块, 图 3接线方式下流入330 kV变电站110 kV母线的谐波电流以及谐波电压水平如表 1所示, 谐波电流分布图如图 4所示.

表 1 流入330 kV变电站110 kV母线的谐波电流及谐波电压水平 Table 1 Harmonic current and harmonic voltage level flow in 110 kV bus of 330 kV substation
谐波
次数

电压标准/
%
电压畸变
率/%
电流标准/
A
谐波电流/
A
20.80.0419.202.15
31.60.4315.3627.25
40.80.029.600.95
51.60.9815.3628.71
60.80.046.400.96
71.60.3810.887.70
80.80.054.800.96
91.60.185.122.89
100.80.073.840.96
111.60.386.884.83
图 4 谐波电流分布图 Figure 4 Distribution graph of harmonic current

图 4可知, 该站主要含有3, 5, 7, 9, 11次谐波, 其中3,5次谐波电流含量较大, 与上文中谐波源产生的谐波次数相吻合, 说明了负荷模型建立的合理性.而谐波电流的放大, 不仅危害到电容器的正常运行, 而且会导致变压器、电缆线路过热, 对其他邻近用电设备也会造成不良影响.

因此, 为保证流入330 kV变电站的110 kV母线3次、5次谐波电流在国标范围内, 文中对该变电站进行最优滤波装置的设计, 以解决上述谐波电流超标的问题.

3 滤波方案设计

由于电气化铁道、轧机、交流电弧炉是造成该变电站谐波影响的主要原因, 因此本文从系统的安全性、经济性以及仿真软件ETAP等方面综合考虑, 拟采用无源滤波的治理方案.

根据测量结果和谐波仿真分析可知, 该站偶次谐波电流较小, 奇次谐波电流较大, 各奇次谐波中, 3, 5次谐波电流含量已超过国家标准, 因此, 滤波器设计方案为3, 5次单调谐滤波器.在110 kV变电站的10 kV母线侧安装3, 5次滤波器.滤波支路及其基波补偿容量分别设计为:3支路为4.5 Mvar, 5支路为4.5 Mvar, 7支路为3 Mvar.本案例中, 理论上每相电容器容值为118.4 μF, 额定容量为${Q_c} = \omega C{U^2} = 314 \times 118.4 \times {10^{ - 6}} \times {\left( {\frac{{11 \times {{10}^3}}}{{\sqrt 3 }}} \right)^2} = 1{\rm{ }}500{\rm{ kvar}}$, 容抗为${X_C} = \frac{1}{{\omega C}} = \frac{{{{10}^6}}}{{314 \times 118.4}} = 26.9\;\Omega $; 电容器所串联电抗器感抗为3.2 Ω, 电抗率为$K = \frac{{{X_L}}}{{{X_C}}} = \frac{{3.2}}{{26.9}} = 12\% $, 下面对此滤波设计方案进行验证.

3.1 基波50 Hz下滤波效果

基波50 Hz情况下, 流入该110 kV母线的谐波电流水平及该母线谐波电压含有率如表 2所示.

表 2 50 Hz下110 kV母线谐波水平 Table 2 Harmonic level of 110 kV bus in 50 Hz
谐波
次数

电压标准/
%
电压畸变
率/%
电流标准/
A
谐波电流/
A
20.80.0419.202.07
31.60.2815.3618.04
40.80.039.601.05
51.60.5215.3615.08
60.80.046.400.90
71.60.2710.885.57
80.80.054.800.88
91.60.175.122.70
100.80.063.840.91
111.60.366.884.57

表 2可知, 基波50 Hz下, 在安装滤波装置后, 系统的3, 5次谐波电流值有所减少, 达到了一定的滤波效果, 其母线谐振特性图如图 5所示.

图 5 基波50 Hz下110 kV母线谐振特性 Figure 5 Resonant characteristics of 110 kV bus under 50 Hz fundamental wave

图 5可知, 所设计的滤波器在基波50 Hz下, 3次, 5次等整数次谐波未出现谐波放大,甚至谐振现象.以下结合等值频率偏调对该滤波器的滤波效果进行分析.

等值频率偏调在于考察电网频率变化、环境温度、设备误差情况下的滤波效果.本工程等值频率偏调范围规定为±1%, 滤波器可以稳定运行.

3.2 等值频率偏调1%下的滤波效果

等值频率偏调1%, 即模拟电网频率50.5 Hz情况下, 流入110 kV母线的谐波电流水平及其该母线谐波电压含有率如表 3所示.

表 3 等值频率偏调1%下110 kV母线谐波水平 Table 3 Harmonic level of 110 kV bus under equivalent frequency 1%
谐波
次数

电压标准/
%
电压畸变
率/%
电流标准/
A
谐波电流/
A
20.80.0419.202.08
31.60.3615.3622.50
40.80.039.601.06
51.60.6115.3617.74
60.80.046.400.91
71.60.3010.886.06
80.80.054.800.88
91.60.175.122.70
100.80.063.840.91
111.60.366.884.57

表 3知, 等值频率偏调1%情况下, 系统的3,5次谐波电流比滤波前的数值小, 达到了一定的滤波效果, 其母线谐振特性如图 6所示.

图 6 等值频率偏调1%下110 kV母线谐振特性 Figure 6 Resonant characteristics of 110 kV bus under equivalent frequency 1%

分析图 6可知, 所设计的滤波器在50.5 Hz下, 3次,5次等整数次谐波下也未出现谐波放大, 甚至谐振现象.

3.3 等值频率偏调-1%下的滤波效果

等值频率偏调-1%, 即模拟电网频率49.5 Hz下, 流入110 kV母线的谐波电流水平及其该母线谐波电压含有率如表 4所示.

表 4 等值频率偏调-1%下110 kV母线谐波水平 Table 4 Harmonic level of 110 kV bus under equivalent frequency -1%
谐波
次数

电压标准/
%
电压畸变
率/%
电流标准/
A
谐波电流/
A
20.80.0419.202.07
31.60.0115.3610.37
40.80.039.601.04
51.60.3615.3610.73
60.80.046.400.89
71.60.2110.884.36
80.80.054.800.88
91.60.175.122.70
100.80.063.840.91
111.60.356.884.57

表 4可知, 等值频率偏调-1%情况下, 系统的3, 5次谐波电流比滤波前得到明显改善, 均在国家标准范围内, 其母线谐振特性如图 7所示, 谐波电流分布如图 8所示.

图 7 等值频率偏调-1%下110 kV母线谐振特性 Figure 7 Resonant characteristics of 110 kV bus under equivalent frequency -1%
图 8 等值频率偏调-1%下的谐波电流分布图 Figure 8 Distribution graph of harmonic current under equivalent frequency -1%

图 7可知, 所设计的滤波器在49.5 Hz下, 整数次谐波未出现谐波放大,甚至谐振现象,对比图 8图 4可知, 该滤波器接入到该变电站系统下, 原有的3,5,7次谐波电流含量明显减少, 满足国家运行标准, 并且均未出现谐振现象, 从而证明该滤波装置设计的合理性.

4 结束语

运用ETAP软件谐波潮流和频率扫描功能, 能够定性和定量地进行谐波分析.本文根据该变电站实际运行情况建立模型, 应用ETAP仿真分析其谐波特性, 计算结果和理论分析、实测数据基本吻合, 证明了建模的合理性.考虑工程经济性以及无源滤波技术容量大、运行稳定的特点, 本文选择单谐调无源滤波器, 分别在基波50 Hz以及偏调±1%情况下, 对该站的谐波水平进行分析, 达到了预期效果, 验证了该滤波设计方案的有效性.

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西安工程大学主办。
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郭昆丽, 田海霞, 王建波, 王坤
GUO Kunli, TIAN Haixia, WANG Jianbo, WANG Kun
ETAP在变电站谐波特性的应用
Application of ETAP in harmonic characteristic for the substation
西安工程大学学报, 2017, 31(4): 502-508
Journal of Xi′an Polytechnic University, 2017, 31(4): 502-508

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收稿日期: 2017-01-23

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