基于ETAP的光伏电站并网的谐波分析∗

马龙涛 刘毅力 尹 山 丁换换 田华明

（1.国网铜川供电公司 铜川 727031）（2.西安工程大学电子信息学院 西安 710048）（3.西安建筑科技大学机电工程学院 西安 710055）

1 引言

近年来，在能源短缺和环保压力下，大力开发、利用新能源成了新的趋势。因太阳能诸多优点使其在世界各地快速发展，成了解决问题的有效措施。自2011年以来，中国成为全球光伏发电安装量增长最快以及光伏电池组件产量最多的国家，光伏并网发电成为太阳能利用的重要方式［1］。由于越来越多的光伏并入电网，对电力系统的运行稳定性产生了一定的影响［2］，而且使电网的电压与电流波形发生畸变，降低电网电压，浪费电网容量［3］。除此之外，还需在系统中增加相应的无功补偿设备，同时也要注意其引起的谐波问题［4］。无论是对电网作谐波治理或谐波分析，其工作的基础与前提，是对电力系统的有效建模。

本文是主要针对某地区电力系统的主要谐波源——光伏电站分析并建模，为简化复杂的实际工程提供理论参考。结合该地区电网实际网架及工程实测数据，基于ETAP软件搭建数学模型，进行仿真，通过与实测值的比较，从理论上验证所采用模型的可行性，并对方案的改进提供理论依据分析。

2 光伏发电系统的电气结构

由图1光伏电站的电气结构可知，光伏电站系统主要组成：太阳能电池组件、直流汇流箱、逆变器、升压变压器。

太阳能光伏电池是将照射在半导体材料上的太阳能转化为电能的发电设备［5］。其原理是逆变器是把方阵输出的直流电转化成与电网电力相同电压和频率的交流电，同时还起到调节电力的作用［6］。根据逆变桥的相数、逆变器功率变换的级数和输入、输出方式的不同，其可分成不同的种类。在光伏发电并网系统中，将太阳能电池组件接收来的太阳辐射能量，经过直流汇流箱、逆变器、升压变压器后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流后，直接或通过变压器接入电网。

图1 光伏电站电气结构

以大量的电力电子元器件组成的光伏逆变器，在逆变时产生的谐波，是光伏电站主要的谐波源［7～8］。

3 并网光伏电站的建模

在电力系统综合分析软件ETAP的环境下，搭建仿真模型［9～11］。文献［12］概述了先进的电力系统仿真软件ETAP的功能和特点。文献［13］提出了在ETAP中的两种等值方法，由于数据测量点的不同，所搭建的模型也不尽相同。如图1所示，太阳能光伏电池经过逆变器、变压器后并入电网的两种等值模型。若在变压器前测量数据，则需要在搭建模型时，在光伏电站等效电网与并入电网的母线之间加升压变压器，如图2（a）。但此时，就需要考虑变压器损耗以及其产生的谐波；若将整个发电、逆变以及升压即整个光伏电站作为一个整体，如图2（b），只需要测量接入电网母线测的数据，不需要考虑变压器损耗，在仿真中可减小其他数据误差，对整个变电站而言，更为精确。

图2 光伏电站模型

光伏电站的等效电网模型中需要数据参数有：额定电压（Rated kV），控制模式（Mode），短路额定值（SC Rating），谐波（Harmonic）。

4 案例分析

4.1 案例仿真

某地区将建设±800kV特高压直流输电工程，其配套电源主要为该地区电厂群，且以该地区750kV及330kV母线谐波情况为背景谐波。根据该地区各变电站及发电厂的地理位置，其仿真如图3。此仿真模型包括接入750kV和330kV系统的火力发电机10台，等效电源2处，变压器10台，线路25回，负荷12个（分别接在各变电站）。在ETAP中建立仿真模型，仿真模型图中每一电站的位置与实际的地理位置排布一致，且发电机、变压器、负荷等都封装进一个子模块中。

在文章中，光伏电站采用第二种搭建模型方案。只考虑光伏输出的状态，不考虑其内部情况，即在实际测量中，主要测量其接入电网的谐波电压畸变率和谐波电流。光伏电站的模型参数：额定电压330kV，三相短路容量为S=200MVA，控制模式为无功控制，系统抗阻比为X/R=10。

4.2 仿真结果分析

建模后，针对主要谐波源-光伏电站进行出力以及谐波情况进行分析。在软件ETAP的“潮流分析”模块中先进行潮流分析。查看光伏电站的出力情况，将仿真结果与实际工况相对比，适当调试参数使仿真结果与实测值在允许误差范围内。其仿真结果，如图4所示。

基波潮流分析后，在光伏电站等效电网内输入三相中最大的CP95电流值，作为谐波源数据。在文献［14］中，讲述了95%的选取原则。如图5，（a）总谐波电流含有率的波形图，（b）谐波电流含有率的频谱谐波次数。进行谐波潮流分析后可得到相应的母线电压谐波值，与实测谐波电压95%概率值进行比较，如表1所示。为确定在电力系统中所采用模型是否具有有效性，将各个测量点的谐波实际测量值录入模型并建成谐波库之后，在各测点注入谐波源信号，即330kV1变母线、7变母线、8变母线、9变母线、10变母线、11变母线等12处变电站的330kV母线侧注入95%的实测值。运行谐波潮流分析后，将得到的各变电站母线电压以及各条线路电流谐波仿真值与实测值进行对比。由于篇幅限制，只列出线路谐波电流仿真计算结果与实测结果的比较情况，如表2所示。

图3 系统仿真图

图4 光伏电站出力仿真结果

图5 光伏电站谐波参数

由表1～表2仿真计算结果可以看出，均其主要以3、5、7、11、次等奇次谐波为主，且光伏电站电压谐波仿真值及330kV线路电流谐波仿真值与其各自实测值基本一致。但存在一定误差，是因为输入的实测值即为95%概率值，其为一个统计值。由于实测谐波电流的95%概率值与实测谐波电压的95%概率值由于一些客观因素，会造成实测值与仿真值之间存在偏差［15］。由于这些因素，允许95%概率值与仿真值之间有一定的误差在允许误差内［16］，即可认为模型合理有效，即表1、表2数据有效。由此可以验证光伏电站仿真模型及该地区电网的仿真模型能够较为真实地反映系统的谐波情况，具有可行性。

表2 330kV线路数据对比（A）

5 结语

通过模型验证可知，在ETAP中将整个光伏电站等效成一个等效电网，其模型输出数据与测量数据的误差在允许范围之内，即可验证等效电网的有效性。其后将光伏电站模型放入整个电力系统中，仿真后将系统仿真值与实测值对比，验证了光伏电站的模型在整个复杂的电力系统中仍然有效可行。

在含有多个光伏电站的电网中，面对这样的复杂问题，建议在电力系统规划初期，对产生谐波污染的设备，应在ETAP中对其造成的影响进行谐波潮流计算，为抑制谐波污染提供理论依据。利用这样的思想，若在系统中建设新的发电厂或变电站，可先利用ETAP进行谐波评估，了解系统的谐波状况，改变建设方案，采取有效措施降低系统中的谐波畸变程度，提高电能质量。