基于ETAP的陕北-湖北直流工程受端系统背景谐波评估

胡羽川，胡 斌，李 伟

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

基于ETAP的陕北-湖北直流工程受端系统背景谐波评估

胡羽川，胡 斌，李 伟

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

介绍了ETAP软件的谐波计算功能，根据实测数据搭建了陕北-湖北直流工程受端系统电网仿真模型。应用ETAP软件进行了谐波潮流计算,将仿真计算和实测结果进行比较,验证了模型的有效性。在此基础上,搭建了换流站工程设计水平年电网仿真模型,进行了谐波潮流仿真计算,得到了换流站接入变电站交流母线电压谐波含量。

ETAP软件设计水平年；换流站；背景谐波

0 引言

目前直流输电工程换流站的滤波器设计是必不可少的一环，在设计前需要对换流站设计水平年时的背景谐波参数进行评估，利用谐波分析软件进行仿真评估是目前较为常见的做法。为获得换流站背景谐波水平,首先需对换流站落点附近的站点进行谐波测量，之后在谐波仿真软件搭建现状网的仿真模型并进行谐波分析，若仿真计算和实测结果较为接近,则表明该仿真计算模型有效。在此基础上，可依据换流站设计水平年的网架情况，搭建其落点近区电网仿真模型，对相关谐波源进行放大并计算其换流站落点所在母线的背景谐波电压值，该值则可用于指导换流站滤波器的设计工作。

本文在对陕北-湖北直流工程受端近区电网的5个500 kV变电站进行谐波测量的基础上，搭建了基于ETAP软件的现状网仿真模型并验证了其有效性。基于换流站设计方案，搭建了换流站设计水平年近区电网谐波仿真评估模型，分别对丰大方式和枯小方式进行了谐波计算，给出了换流站交流侧接入变电站母线的谐波电压值

1 ETAP软件的谐波计算功能简介

ETAP（Electrical Transient Analyzer Program）是功能全面的综合型电力及电气分析计算软件，由美国OTI公司（Operation Technology Inc）开发,最初的版本于1983年发行。该软件能为发电、输配电和工业电力电气系统的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供全面的分析平台和解决方案。

ETAP是现在常用的谐波计算软件之一，可进行谐波潮流计算、频率扫描和滤波器自动设计等功能，其谐波潮流计算模块采用IEEE 519标准，可进行自动畸变率评估(THD&IHD)。同时该软件拥有开放式谐波源库，可将各类谐波源实测数据添加到用户自定义谐波源中，便于搭建谐波分析模型[1]。

2 陕北-湖北特高压直流输电工程简介

陕北-湖北特高压直流输电工程计划于2019年投运，直流输电线路起于陕西境内的陕北换流站，止于湖北境内的武汉换流站，全线路径总长约1 134.7 km。该工程建设完成后可提高陕北地区煤电基地外送能力，提高资源开发效率，推动当地经济发展，同时可提升新能源消纳能力，缓解新能源电力外送卡口问题，促进陕北革命老区的经济健康持续发展。湖北地区落点武汉换流站本期500 kV交流出现为4回，分别为到500 kV木兰变两回、到500 kV大吉变两回。

3 谐波仿真计算建模

为了保证谐波仿真评估模型的可用性，在进行背景谐波评估时，因先按照当前电网相关设备现状建立现状网仿真模型，并带入实际测试的谐波源数据进行计算，将计算结果与实际测试谐波数据进行比较，以确定模型的有效性[2]。目前背景谐波仿真方法主要分为两类，非线性时域分析法及线性分析法。其中，非线性时域分析法需要利用微分方程对非线性元件进行建模，并在时域的条件下进行仿真计算，仿真精度高，但计算量大，适用于小型系统，不适用于多节点的谐波分析[3]。文献[4]采用PSCAD-EMTDC软件对某铝厂含电力电子设备的主电路进行了谐波分析。线性分析法则假定谐波源的谐波电流仅与基波电压有关，计算速度快、收敛性能好,适合大电网的谐波潮流计算，是目前多数工程背景谐波评估的常用方法，而ETAP软件的谐波计算模块满足线性分析法的要求。在ETAP的谐波模型中主要有发电机、变压器、线路、负荷、等值电网、谐波电流源等多种元件，根据实际系统参数和谐波测试结果设置元件参数，进行现状年谐波潮流计算，并与实测数据相互验证。

3.1 仿真计算思路

在仿真模型中将设计水平年预计建成的武汉换流站连接点及其近区点进行等值，简化所需仿真的系统范围，其各等值模型根据所在电站短路容量进行，其短路容量应去除短路。经分析等值点选择在狮河变500 kV侧、斗笠变500 kV侧、仙女山变500 kV侧、玉贤变500 kV侧、光谷变500 kV侧、永修变500 kV侧、凤凰山变500 kV侧。各电站测试时间为10月份，湖北电网运行方式为接近丰大方式工况。按照现状年丰大方式计算的各母线侧短路容量如表1所示。

表1 现状丰大方式等效点短路容量Tab.1 Short circuit capacity of equivalent point in the present situation large mode

3.2 仿真模型建立

根据现状年电网运行实际情况，仿真模型中包括输电线路20回，发电机5台，其中发电机分别为白莲河抽水蓄能机组2台、大别山火电机组2台，阳逻火电机组1台。外网等值机7台，分别为狮河500 kV侧、斗笠500 kV侧、仙女山500 kV侧、玉贤500 kV侧、光谷500 kV侧、永修500 kV侧、凤凰山500 kV侧。为简化仿真模型，双回输电线路按单回π型线路模型进行等效。变压器为10台，分别为孝感变、木兰变、道观河变、大吉变、磁湖变、阳逻火电厂主变1台、大别山火电厂主变2台，白莲河抽水蓄能电厂主变2台。负荷5个分别为孝感变负荷、木兰变负荷、道观河变负荷、大吉变负荷、磁湖变负荷。

图1给出了现状年武汉近区电网仿真模型示意图，采用多个谐波电流源向系统注入谐波电流的方式进行计算，其中。斗笠站由于与龙泉换流站接近，龙泉换流站使用12脉换流阀，11次和13次较其他站大，因此在孝感500 kV母线并联谐波电流源，同时选择在孝感变220 kV、木兰变220 kV、道观河变220 kV、大吉变220 kV、磁湖变220 kV在下网负荷中建立谐波电流源进行注入。由于ETAP中仿真模型为单线模型，无法对三相同时进行谐波计算，因此谐波电流及谐波电压数据取实际测量数据中为最大值的B相进行计算。

3.3 仿真模型检验结果

图1 现状年电网仿真模型示意图Fig.1 The model of present situation power grid

根据仿真模型计算，从仿真计算结果看出，孝感、木兰、道观河、大吉、磁湖站谐波电压总畸变率分别为0.86%、0.99%、0.98%、0.98%、0.68%。由于实际测量中电压总畸变率的95值与各次谐波畸变率的95值并不是对应关系，因此在进行谐波电压仿真对比时，应采用各次谐波电压测量值进行叠加计算后谐波电压总畸变率进行对比，各站点的谐波电压总畸变率计算值为0.81%、1.03%、0.91%、0.97%、1.10%。由表2可以看出，孝感、木兰、道观河、大吉站的500 kV侧谐波电压仿真值与实际测量值较为接近，由此说明仿真模型能够较为真实地反映真实系统的谐波情况。

表2 各站点谐波电压仿真结果对比表（单位：%）Tab.2 The harmonic voltage result of harmonic flow simulation

4 背景谐波评估

计算远期规划网架背景谐波水平时，针对换流站投运前的情况，分别安排丰大和枯小两种方式进行背景谐波预测。

4.1 背景谐波评估仿真模型

根据远期规划网架情况，其等值点变为狮河500 kV侧、斗笠500 kV侧、仙女山500 kV侧、玉贤500 kV侧、光谷500 kV侧、永修500 kV侧，其枯小和丰大方式下的等值点短路容量如表3和表4所示。同时根据设计水平年的网架结构，修改了相应的线路和机组开机方式，在设计水平年丰大和枯小方式中，换流站近区机组的开机方式为：阳逻火电厂及大别山火电厂均按开机1台，白莲河抽水蓄能机组开机2台。仿真模型如图2所示。

图2 设计水平年电网仿真模型示意图Fig.2 The model of power grid in the commission year

表3 设计水平年丰大方式等值点短路容量Tab.3 Short circuit capacities of equivalent point in commission year large mode

表4 设计水平年枯小方式等值点短路容量Tab.4 Short circuit capacities of equivalent point in the commission year small mode

4.2 丰大方式背景谐波评估计算结果

考虑到各类谐波源负荷的增长情况，采用1.5倍的现状年实测谐波电流含量注入设计水平年丰大方式仿真计算系统，背景谐波计算结果如表5所示。

结果表明，在设计水平年丰大方式下，当考虑1.5倍的谐波增长水平时，武汉换流站交流500 kV侧 电压总畸变率为1.34%，主主导谐波电压以3、5、7、11次为主，其中3次谐波畸变率为0.78%，5次谐波畸变率为0.85%，7次谐波畸变率为0.61%，11次谐波畸变率为0.9%。

4.3 枯小方式背景谐波评估计算结果

枯小方式下的谐波评估计算与丰大方式类似，同样采用1.5倍的现状年实测谐波电流含量注入设计水平年枯小方式仿真计算系统，背景谐波计算结果如表6所示。

结果表明，在设计水平年枯小方式下，当考虑1.5倍的谐波增长水平时，武汉换流站交流500 kV侧电压总畸变率为1.37%，主导谐波电压以3、5、7、11次为主，其中3次谐波畸变率为0.78%，5次谐波畸变率为0.93%，7次谐波畸变率为0.57%，11次谐波畸变率为0.11%。

表5 丰大方式武汉换流站背景谐波电压Tab.5 the background harmonic of Hubei converter station in the large mode

表6 设计水平年枯小方式武汉换流站背景谐波电压Tab.6 The background harmonic of Hubei converter station in the small mode

5 结语

本文介绍了ETAP软件的谐波计算功能和特点，并针对武汉换流站工程，搭建了基于ETAP软件的谐波仿真模型，在考虑现状年丰大方式的实测谐波注入情况下对现状网的谐波情况进行了仿真分析。仿真结果表明，孝感、木兰、道观河、大吉变电站500 kV母线电压的各次谐波电压畸变率和电压总畸变率与实际通过母线的电磁感应式电压互感器的测试值基本一致，验证了现状年仿真结果与实测结果的一致性，说明仿真计算结果能够较为真实地反映出系统的实际情况。根据换流站设计方案，进行了换流站设计水平年背景谐波评估，为武汉换流站滤波器设计提供了参考依据。

（References）

[1] 冯煜珵,王雷,陈陈,等.电力系统仿真软件ETAP的特性与功能简介[J].供用电,2005,22(5):23-26.FENG Yucheng,WANG Lei,CHEN Chen.Brief intro⁃duction on the characteristic and function of the simulation software forelectric system ETAP[J].Distribution&Utilization,2005,22(5):23-26.

[2] 林涛,王思源,郑杰.基于ETAP的电力系统电能质量问题研究与分析[J].电力科学与技术学报，2010，25（1）：27-34.LIN Tao,WANG Siyuan,ZHENG Jie.Power quality analysisbased on ETAP software[J].Journalof Electric Power Science and Technology，2010，25（1）：27-34

[3] 史喆,李晓明,王天.呼辽直流工程受端系统背景谐波潮流仿真计算[J].东北电力技术,2007,28(4):10-12.SHI Zhe,LI Xiaoming,WANG Tian.Power receiver system for hulunbeier and liaoning DC project[J].Northeast Electric Power Technology,2007,28(4):10-12.

[4] 孙宏伟,李梅,寇晓括,等.基于PSCAD/EMTDC的谐波仿真分析[J].电力电子技术，2004，38(3):22-24.SUN Hongwei,LI Mei,KOU Xiaokuo,et al.Har⁃monic simulation analysis based on PSCAD/EMTDC[J].Power Electronic，2004，38(3):22-24.

Evaluation for Background Harmonic of Power Receiver System for Shanbei-Hubei DC Project Based on ETAP

HU Yuchuan，HU Bin，LI Wei
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan Hubei 430077,China)

In this paper,the harmonic calculation function of ETAP software is introduced.Based on the measured data,a simulation model of power receiver system for Shanbei-Huibei DC Project is established.The harmonic current flow calculation is carried out by ETAP software,and the simu⁃lation results are compared with the measured data to verify the model.Then,the commissioning year simulation model of the converter station is designed,and the harmonic power flow is calculat⁃ed.The background harmonic of the converter station is obtained.

ETAP software；converter station；background harmonic

TM721

B

1006-3986(2016)12-0009-05

10.19308/j.hep.2016.12.003

2016-11-05

胡羽川(1991)，男，湖北咸宁人，硕士，工程师。