基于ETAP的光伏电站电能质量评估报告

2021-06-30林根义

工程技术与管理 2021年8期

林根义

九州能源有限公司，中国·广东广州 510000

1 引言

对于光伏电站的接入而言，为了保证光伏系统接入到电网的稳定性，尤其是10kV及以上的地面电站或者分布式电站。因此，通过ETAP软件的模拟仿真来检查电能质量当中的参数是不是符合国家标准，这是一项非常有必要进行的工作。通过一个实际的光伏建模案例，来说明ETAP仿真软件是如何验证出光伏系统的电能质量各参数的限值[1]。

2 光伏电站信息

本项目13.32MWp光伏发电分成8个单位元，每1个单位的容量为1665kW、每2个单位通过串联的方式逆变器升压接至并网点，共4个并网点。4个并网点分别接入原有10kV腾讯2号厂房1号专用开关站的G01备用柜（10kV腾讯丙线）、10kV腾讯2号厂房2号专用开关站的G10备用柜（10kV蓄能二干线）、10kV腾讯1号方仓专用开关站的G10备用柜（10kV腾讯甲线）、10kV腾讯2号方仓专用开关站的G10备用柜（10kV蓄能一干线）[2,3]。

3 ETAP建模仿真分析

3.1 ETAP简介

ETAP 19.0.1版本是一款专为电力系统工程师设计的电力系统建模和仿真软件工具，主要的功能包含模型的潮流分析、短路分析、弧闪、谐波分析、暂态继电保护等。

3.2 光伏电站建模仿真

根据光伏项目的基本情况，在ETAP软件中选择对应的PV阵列、等效负荷、电缆、断路器、等效电网等元件，输入各元件对应的具体参数，建立图1、2的光伏电站模型。本次模拟仿真要计算的电能质量各参数限值，都是依据图1、图2为模型为基础。光伏接入点1至4分别为ETAP中的复合网络，在复合网络中再进行光伏电站的建模，在此就不多展开进行描述。

图1 ETAP中光伏电站模型1

图2 ETAP中光伏电站模型2

完成建模以后，运行了对应的功能，把得到的数据运用于电能质量报告当中。下面就电能质量报告的五点内容展开一一的说明与计算，通过计算来验证符不符合中国的限值标准。

4 谐波结果

4.1 谐波计算依据

根据中华人民共和国GB/T14549—93《电能质量——公用电网谐波》的规定[4]，10kV系统允许的电压总谐波畸变率不超过4%，如表1所示，各次谐波谐波如表2所示。

表1 公用电网谐波电压允许值

表2 公用电网谐波电压允许值

4.2 谐波仿真计算结果

在ETAP中可以直接输出谐波仿真计算的表格，里面有对应的详细数据，由于篇幅问题，就不一一列出，只罗列出各并网点电压总谐波畸变率进行比较，结果如表3所示。

表3 各并网点电压总谐波畸变率

通过表3可以看出来，此项目的各并网点总谐波畸变率均小于限值4%，符合规定。

5 电压波动和闪变结果

5.1 电压波动和闪变计算依据

在高压电网中，一般XL≥RL（RL、XL分别为电网阻抗的电阻、电抗分量）。

电压波动d的表达式为：

式中，∆Qi为无功功率的变化量；Ssc为PCC点在正常较小方式下的短路容量。

第一级规定：满足本级规定，可以不经闪变核算，允许接入电网。对于LV和MV用户，第一级限值见表4。

表4 用户第一级限值

5.2 电压波动和闪变仿真计算结果

运用公式，每个并网点按照正常10%装机容量（取0.33MW）变动，无功出力按最大范围变动（P：3.33MW，Q：+0.8Mvar～-0.8Mvar，Q变动范围1.6Mvar）进行计算[5]。同时，进行特殊情况下50%出力变动计算；不考虑主变压器下动态无功补偿装置的无功出力；电站出力波动情况下各PCC点电压波动计算结果如表5所示。

表5 10kV 系统各PCC点电压波动计算结果

第一级评估：为提高光伏电站的效率，投入运行的光伏电站均采用了最大功率追踪（MPPT）控制，但是当外界辐照度、温度变动发生变化时，其输出功率必然随之变动。根据最严重的情况，取光伏发电站每分钟的波动视在功率为额定功率的10%，即光伏发电站每个接入点的容量ΔSma×=3.33×10/100=0.333MW，则PCC点的计算结果如表6所示。

表6 闪变第一级评估计算结果

通过表5可以看出来，此项目的电压波动小于限值，均不超过 3% 国标值，符合规定；通过表6可看出4个PCC点满足第一级评估的规定，无需进行第二级评估符合规定。

6 三相电压不平衡度结果

6.1 三相电压不平衡度计算依据

设公共连接点的正序阻抗与负序阻抗相等[1]，则电压的负序不平衡度为：

式（1中），εU2为负序电压不平衡度，单位为%；I2为负序电流值，单位为安（A）；SK为公共连接点的三相短路容量，单位为伏安（VA）；UL为线电压，单位为伏（V）。

6.2 三相电压不平衡度仿真计算结果

根据ETAP仿真软件，仿真计算了腾讯清远云计算数据中心光伏发电并网引起公共连接点的负序电流值，并计算得出电能质量考核点负序不平衡度，计算结果如表7所示。

表7 系统考核点电能质量考核点负序不平衡度及零序不平衡度结果

通过表7可以看出来，此项目的三相电压不平衡度的负序电压不平衡度低于国标 1.3% 的限值,符合规定。

7 电压偏差结果

7.1 电压偏差计算依据

电压偏差指实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。其计算公式如式：

式中，δU为电压偏差；Ure为运行电压，kV；UN为系统标称电压，kV。其中，本项目取值10kV。

7.2 电压偏差仿真计算结果

根据ETAP仿真软件，仿真计算了此项目并网引起公共连接点的电压偏差。计算结果如表8所示。

表8 系统考核点的电压偏差

由表8可知，此项目并网引起公共连接点的电压偏差数值小于限值±7%，符合标准。

8 无功补偿结果

8.1 无功补偿计算依据

光伏电站逆变器可发出无功功率，但考虑电站能为系统提供一定的无功储备容量，需配置无功补偿装置。光伏电站无功补偿容量应结合实际接入电网情况确定，其配置的容性无功补偿容量应为光伏电站额定出力时升压变压器无功损耗、线路无功损耗及线路充电功率之和，其配置的感性无功补偿容量应能够补偿全部线路的充电功率[6]。

8.1.1 线路无功损耗计算公式

QL为线路电抗产生的无功损耗，Kvar；Ie为变压器额定电流，A；β为变压器负载率，取值为0.6；XL为线路等值电抗，Ω；L为线路长度，km。

8.1.2 线路充电功率计算公式

Qc为线路电纳产生的充电功率，Kvar；U为线路额定线电压，kV；f为电力系统频率，取值50Hz；C为导线单相对地电容μF；c为单位长度导线单相对地电容，μF/km。

8.1.3 变压器的无功损耗计算公式

QT为变压器无功损耗，kvar；UK%为变压器阻抗电压占额定电压的百分数；I0%为变压器空载电流百分数；S为变压器的计算功率，kVA；SN为变压器额定容量 kVA。

8.2 无功补偿仿真计算结果

根据上面计算公式，可以算出光伏电站无功功率损耗及充电功率，具体数据可以查看表9。

表9 光伏电站无功功率损耗及充电功率

为了增强光伏电站低电压耐受能力，降低脱网概率，建议光伏电站安装静止无功发生器（SVG），将计算结果取整，整个光伏电站容性无功补偿容量为1200kvar，感性无功补偿容量为1200kvar。考虑到每个地区电网规定补偿的容量不一样，补偿容量可配置在20%～30%之间。本项目按照 25%配置，共有4个并网点，每个并网点配置容性800kvar～感性800kvar，总补偿容量为容性3200kvar～感性3200kvar，远远超出了计算的数据，满足要求[7]。