基于ETAP的风洞电能质量预测评估

张冠锋，刘诚哲，程绪可，戈阳阳，李胜辉

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180）

基于ETAP的风洞电能质量预测评估

张冠锋1，刘诚哲2，程绪可1，戈阳阳1，李胜辉1

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180）

由于风洞实验室主要负荷 （大型用电设备）多为断续式运行，其非线性、波动性以及变频设备对接入电网电能质量产生一定的影响，为评估风洞不同工况运行对系统变电站的电能质量影响，从辽宁电网和风洞实际运行情况出发，建立了基于ETAP的风洞接入电网仿真模型，评估了风洞负荷引起系统侧变电站的电能质量污染，为风洞电能质量治理方案及无功补偿装置配置提供依据。

风洞；电能质量；评估

风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具，随着风洞风速越来越高，设备功率与电压等级逐渐增大，而风洞主要设备特点为大容量、高电压等级、非线性变频设备、感应电动机等，风洞负荷的接入一定程度影响电网的安全运行。

目前，大多数风洞采用大功率四象限电力电子变流器进行电动机调速，通过变流器控制可实现变频起动，降低对电网的冲击，但几十兆瓦级变频器所产生的谐波却不可避免［1－3］。

针对风洞试验及运行特性已有少量研究，风洞电能质量预测评估却未见报道。结合辽宁电网和某一大功率、高电压等级并网风洞实际运行情况，提出了基于ETAP的风洞电能质量预测评估方法，评估了风洞负荷接入对系统变电站电能质量的影响，给出了该风洞变电站无功补偿装置配置容量，为辽宁电网非线性负荷入网管理提供了理论依据。

1 风洞负荷特性分析

风洞实验室主要设备为变压器、压缩机、水泵、真空泵等 （10 kV电压等级），驱动设备为大型电机，启动停止方式为变频器或软启动器控制，可有效控制对供电网络的冲击。设备运行特点为间断式运行，单日预计启动10次，每次2 h。电机是对称负荷，极少出现负序电流和三相不平衡情况。即风洞负荷引起的主要电能质量问题是：谐波电流、电压畸变率是否超标；电压波动和闪变值是否超标。

本文风洞负荷分为0.6 m和2.4m风洞，用电最大负荷总计约153 MVA，常用负荷总计约98.3 MVA。其中0.6 m风洞最大负荷需求约13 MVA，常用负荷约为7.3 MVA，负荷需求明细如表1所示。2.4m风洞最大负荷需求约140 MVA，常用负荷约91 MVA，负荷需求明细如表2所示。

文中对风洞变频负荷中同类型的20 MW主压缩机变频器电能质量开展现场测试，A相电流有效值为936.13 A，电压有效值9 700 V，各次谐波电流如表3所示，在电力系统仿真软件ETAP上搭建仿真模型，开展风洞电能质量分析和评估。

表1 0.6 m风洞容量明细

表2 2.4m风洞容量明细

表3 变频器谐波次数及谐波电流 A

2 风洞电能质量仿真模型

本文采用的计算软件为美国OTI软件公司开发的 《ETAP电力系统分析计算应用软件》，用到的模块有：谐波分析模块、不平衡潮流模块和电机加速模块，谐波潮流计算和谐波频率扫描是谐波分析模块的主要组成部分。谐波潮流计算主要用于计算系统中各条线路的各次谐波电流和各个母线的各次谐波电压状况；不平衡潮流模块可以计算母线电压分支电流及功率因数，可以计算各相功率潮流；电机加速模块采用动态电机加速计算分析方法，能够反映电机在起动过程电流电压随时变的完整过程［4－5］。

根据变电站内电气主接线和各负荷数据搭建气动变电站站内计算模型如图1所示，包含120 MVA变压器 （220 kV／10 kV）2台，其中1号主变集中为0.6 m与2.4 m风洞常用设备供电，2号主变为2.4 m风洞非常用设备及已确定建设的后续项目供电，同时2台变压器可作为互备，在1台故障或检修时，另外1台可承载大部分常用负荷，主压缩机和抽气压缩机分别为同步电动机，采用变频起动。

图1 220 kV风洞变电站接入电网仿真模型

3 风洞电能质量评估分析

3.1 谐波允许值

风洞变电站所接系统开关站220 kV母线最小短路容量为2 342 MVA，计算系统开关站220 kV母线谐波电流允许值如表4所示。

表4 新城子220 kV母线谐波电流允许值 A

根据国标 《电能质量公用电网谐波》 （GB／T14549—93）要求，公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值为

式中：Ih为公共连接点第h次谐波电流允许值，A；Si为第i个用户的用电协议容量，MVA；St为公共连接点的供电设备容量，MVA；α为相位叠加系数，按表5取值。

表5 相位叠加系数

由于系统开关站为母线分裂运行，单条线路最大供电容量为600 MVA，即风洞变电站公共接入点供电设备容量St为600 MVA，气动变电站用电协议容量Si为其主变容量240 MVA，根据式 （1）得气动变电站谐波电流允许值如表6所示。

表6 气动变电站谐波电流允许值 A

3.2 谐波潮流评估

根据变频器谐波电流及所测电网背景谐波，基于风洞ETAP模型进行仿真分析。

由于本风洞主压缩机变频器为36脉冲整流输入、9电平逆变输出，网侧谐波小，谐波电流计算结果如表7所示，风洞变电站注入系统的谐波电流小于允许值，谐波电压总畸变率为0.696%，如图2所示，谐波电压含有率及总畸变率均满足国家标准 《电能质量公用电网谐波》 （GB／T14549—93）中2%的要求。

表7 注入系统的谐波电流情况 A

图2 开关站母线谐波电压 （%基波电压）

3.3 电压波动和闪变评估

由于风洞变电站主要用电负荷为大容量电动机，而感应电机机械惯性较大，在起动或变负荷运行过程中存在较大冲击电流，引起电压波动，而本工程电动机采用变频调速控制，能够有效降低和抑制电压波动。图3—图8为风洞负荷变频器起动时开关站母线及电动机运行情况。

若感应电机直接起动，瞬间起动容量约为电机额定容量的5倍，额定容量为86 MVA感应电机起动瞬间吸收的无功功率约为144 Mvar，风洞变电站吸收电网无功254Mvar，电压波动值为13%，严重超出国家标准规定的2.5%，采用变频起动，电动机不会瞬间对电网电压、电流产生冲击，如图3—图4所示，额定容量为86 MVA感应电机起动吸收的无功功率约40 Mvar，单台主压缩机无功功率如图5所示，图7显示变频起动压缩机转速逐渐升高，图8说明了新城子开关站母线电压最低电压值为97.6%UN，电压波动值为2.4%，满足国家标准要求。由于变频器的固有特性，能够有效提高电动机功率因数，而2台120 MVA主变压器应补偿无功容量12～30 Mvar，所以建议每台变压器补偿30 Mvar动态无功补偿装置，提高风洞变电站应对电压变动的能力和功率因数。

图3 主压缩机1机端电压曲线

由于电动机起动和调速过程中，造成的电压波动会引起灯光的闪烁，也称为电压闪变，为了确保风洞负荷单独引起的长时间闪变值小于该负荷用户的闪变限值，进行电压闪变评估。

风洞变电站接入系统开关站全部负荷产生的闪变的总限值G：

式中：LP为PCC点对应电压等级的长时间闪变值Plt限值；LH为上一电压等级的长时间闪变值Plt限值；T为上一电压等级对下一电压等级的闪变传递系数，推荐为0.8。

单个用户 （气动变电站）闪变限值Ei为

式中：F为波动负荷的同时系数，其典型值F＝0.2～0.3 （但必须满足 Si／F≤St）； Si为风洞变电站协议用电容量St为气动变电站220 kV母线供电容量， 本工程 Si＝240 MVA， St＝600 MVA。

通过标准规定方法计算可得：G＝0.63，0.63＜E＜0.8。

然后进行气动变电站长时闪变值计算：

根据风洞负荷日试验次数约10次，每分钟波动次数 （频度r）远小于1，通过周期性矩形电压变动的单位闪变曲线，得dLim＞7.5%，由d＝2.4%算出Pst＜0.32，长时间闪变值Plt：

可以看出长时间闪变值Plt＜0.32，小于气动变电站闪变限值0.63，所以风洞变电站闪变值未超出国家标准。

4 结束语

本文针对风洞电能质量预测评估问题，提出了基于ETAP的风洞接入电网电能质量评估方法，分析了某大容量风洞负荷变频器起动对电网电能质量的影响，包括谐波、电压波动、电压闪变仿真分析，得出风洞负荷实际运行中的主要电能质量指标的变化特性，计算结果可为大容量、变频控制的非线性负荷接入电网电能质量管理提供一定的参考。

［1］ 李 海，覃日升.硅工业园区电能质量评估与治理 ［J］.云南电力技术， 2015， 43 （4）： 22－26.

［2］ 黄军琴，曹瑜伟.非线性负荷对电网电能质量影响及优化治理研究 ［J］.电气应用，2015 （S1）：228－231.

［3］ 商文颖，梁 毅，凌立平.电气化铁路对沿线电力系统电能质量的影响研究 ［J］.东北电力技术，2011，32（8）：8－10.

［4］ 蔡志远，戈阳阳，马少华.大规模风电接入电网谐波影响研究 ［J］.东北电力技术， 2014， 35 （4）： 31－34.

［5］ 朱 慧.ETAP仿真软件在化工企业电力系统设计中的应用［J］. 化工自动化及仪表， 2014， 41 （9）： 1 073－1 076.

Power Quality Prediction and Evaluation ofWind Tunnel Based on ETAP

ZHANG Guanfeng1， LIU Chengzhe2，CHENG Xuke1，GE Yangyang1， LIShenghui1

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；2.Northeast Branch of State Grid Corporation of China.， Shenyang， Liaoning 110180， China）

As themain load of thewind tunnel laboratory （large-scale electricalequipment） mostly operates intermittently， its non-linearity，volatility and frequency conversion equipment to access the grid have a certain impactof power quality.In order to evaluate the influence of different operating conditions on the power quality of the substation，Liaoning power grid and the actual operation of the wind tunnel ETAP-based wind tunnel access grid simulation model is established in this paper.Evaluating the power quality pollution of the system side substation caused by thewind tunnel load，it provides the basis for thewind tunnel power quality control scheme and the reactive power compensation device configuration.

wind tunnel； power quality； evaluation

TM614

A

1004－7913（2017）11－0031－04

张冠锋 （1986），男，硕士，工程师，从事新能源并网及电能质量研究工作。

2017－08－10）