基于ETAP的光伏電站電能質(zhì)量評估報告

林根義

九州能源有限公司，中國·廣東 廣州 510000

1 引言

對于光伏電站的接入而言，為了保證光伏系統(tǒng)接入到電網(wǎng)的穩(wěn)定性，尤其是10kV及以上的地面電站或者分布式電站。因此，通過ETAP軟件的模擬仿真來檢查電能質(zhì)量當中的參數(shù)是不是符合國家標準，這是一項非常有必要進行的工作。通過一個實際的光伏建模案例，來說明ETAP仿真軟件是如何驗證出光伏系統(tǒng)的電能質(zhì)量各參數(shù)的限值[1]。

2 光伏電站信息

本項目13.32MWp光伏發(fā)電分成8個單位元，每1個單位的容量為1665kW、每2個單位通過串聯(lián)的方式逆變器升壓接至并網(wǎng)點，共4個并網(wǎng)點。4個并網(wǎng)點分別接入原有10kV騰訊2號廠房1號專用開關(guān)站的G01備用柜（10kV騰訊丙線）、10kV騰訊2號廠房2號專用開關(guān)站的G10備用柜（10kV蓄能二干線）、10kV騰訊1號方倉專用開關(guān)站的G10備用柜（10kV騰訊甲線）、10kV騰訊2號方倉專用開關(guān)站的G10備用柜（10kV蓄能一干線）[2,3]。

3 ETAP建模仿真分析

3.1 ETAP簡介

ETAP 19.0.1版本是一款專為電力系統(tǒng)工程師設(shè)計的電力系統(tǒng)建模和仿真軟件工具，主要的功能包含模型的潮流分析、短路分析、弧閃、諧波分析、暫態(tài)繼電保護等。

3.2 光伏電站建模仿真

根據(jù)光伏項目的基本情況，在ETAP軟件中選擇對應(yīng)的PV陣列、等效負荷、電纜、斷路器、等效電網(wǎng)等元件，輸入各元件對應(yīng)的具體參數(shù)，建立圖1、2的光伏電站模型。本次模擬仿真要計算的電能質(zhì)量各參數(shù)限值，都是依據(jù)圖1、圖2為模型為基礎(chǔ)。光伏接入點1至4分別為ETAP中的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)合網(wǎng)絡(luò)中再進行光伏電站的建模，在此就不多展開進行描述。

圖1 ETAP中光伏電站模型1

圖2 ETAP中光伏電站模型2

完成建模以后，運行了對應(yīng)的功能，把得到的數(shù)據(jù)運用于電能質(zhì)量報告當中。下面就電能質(zhì)量報告的五點內(nèi)容展開一一的說明與計算，通過計算來驗證符不符合中國的限值標準。

4 諧波結(jié)果

4.1 諧波計算依據(jù)

根據(jù)中華人民共和國GB/T14549—93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定[4]，10kV系統(tǒng)允許的電壓總諧波畸變率不超過4%，如表1所示，各次諧波諧波如表2所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓允許值

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓允許值

4.2 諧波仿真計算結(jié)果

在ETAP中可以直接輸出諧波仿真計算的表格，里面有對應(yīng)的詳細數(shù)據(jù)，由于篇幅問題，就不一一列出，只羅列出各并網(wǎng)點電壓總諧波畸變率進行比較，結(jié)果如表3所示。

表3 各并網(wǎng)點電壓總諧波畸變率

通過表3可以看出來，此項目的各并網(wǎng)點總諧波畸變率均小于限值4%，符合規(guī)定。

5 電壓波動和閃變結(jié)果

5.1 電壓波動和閃變計算依據(jù)

在高壓電網(wǎng)中，一般XL≥RL（RL、XL分別為電網(wǎng)阻抗的電阻、電抗分量）。

電壓波動d的表達式為：

式中，?Qi為無功功率的變化量；Ssc為PCC點在正常較小方式下的短路容量。

第一級規(guī)定：滿足本級規(guī)定，可以不經(jīng)閃變核算，允許接入電網(wǎng)。對于LV和MV用戶，第一級限值見表4。

表4 用戶第一級限值

5.2 電壓波動和閃變仿真計算結(jié)果

運用公式，每個并網(wǎng)點按照正常10%裝機容量（取0.33MW）變動，無功出力按最大范圍變動（P：3.33MW，Q：+0.8Mvar～-0.8Mvar，Q變動范圍1.6Mvar）進行計算[5]。同時，進行特殊情況下50%出力變動計算；不考慮主變壓器下動態(tài)無功補償裝置的無功出力；電站出力波動情況下各PCC點電壓波動計算結(jié)果如表5所示。

表5 10kV 系統(tǒng)各PCC點電壓波動計算結(jié)果

第一級評估：為提高光伏電站的效率，投入運行的光伏電站均采用了最大功率追蹤（MPPT）控制，但是當外界輻照度、溫度變動發(fā)生變化時，其輸出功率必然隨之變動。根據(jù)最嚴重的情況，取光伏發(fā)電站每分鐘的波動視在功率為額定功率的10%，即光伏發(fā)電站每個接入點的容量ΔSma×=3.33×10/100=0.333MW，則PCC點的計算結(jié)果如表6所示。

表6 閃變第一級評估計算結(jié)果

通過表5可以看出來，此項目的電壓波動小于限值，均不超過 3% 國標值，符合規(guī)定；通過表6可看出4個PCC點滿足第一級評估的規(guī)定，無需進行第二級評估符合規(guī)定。

6 三相電壓不平衡度結(jié)果

6.1 三相電壓不平衡度計算依據(jù)

設(shè)公共連接點的正序阻抗與負序阻抗相等[1]，則電壓的負序不平衡度為：

式（1中），εU2為負序電壓不平衡度，單位為%；I2為負序電流值，單位為安（A）；SK為公共連接點的三相短路容量，單位為伏安（VA）；UL為線電壓，單位為伏（V）。

6.2 三相電壓不平衡度仿真計算結(jié)果

根據(jù)ETAP仿真軟件，仿真計算了騰訊清遠云計算數(shù)據(jù)中心光伏發(fā)電并網(wǎng)引起公共連接點的負序電流值，并計算得出電能質(zhì)量考核點負序不平衡度，計算結(jié)果如表7所示。

表7 系統(tǒng)考核點電能質(zhì)量考核點負序不平衡度及零序不平衡度結(jié)果

通過表7可以看出來，此項目的三相電壓不平衡度的負序電壓不平衡度低于國標 1.3% 的限值,符合規(guī)定。

7 電壓偏差結(jié)果

7.1 電壓偏差計算依據(jù)

電壓偏差指實際運行電壓對系統(tǒng)標稱電壓的偏差相對值，以百分數(shù)表示。其計算公式如式：

式中，δU為電壓偏差；Ure為運行電壓，kV；UN為系統(tǒng)標稱電壓，kV。其中，本項目取值10kV。

7.2 電壓偏差仿真計算結(jié)果

根據(jù)ETAP仿真軟件，仿真計算了此項目并網(wǎng)引起公共連接點的電壓偏差。計算結(jié)果如表8所示。

表8 系統(tǒng)考核點的電壓偏差

由表8可知，此項目并網(wǎng)引起公共連接點的電壓偏差數(shù)值小于限值±7%，符合標準。

8 無功補償結(jié)果

8.1 無功補償計算依據(jù)

光伏電站逆變器可發(fā)出無功功率，但考慮電站能為系統(tǒng)提供一定的無功儲備容量，需配置無功補償裝置。光伏電站無功補償容量應(yīng)結(jié)合實際接入電網(wǎng)情況確定，其配置的容性無功補償容量應(yīng)為光伏電站額定出力時升壓變壓器無功損耗、線路無功損耗及線路充電功率之和，其配置的感性無功補償容量應(yīng)能夠補償全部線路的充電功率[6]。

8.1.1 線路無功損耗計算公式

QL為線路電抗產(chǎn)生的無功損耗，Kvar；Ie為變壓器額定電流，A；β為變壓器負載率，取值為0.6；XL為線路等值電抗，Ω；L為線路長度，km。

8.1.2 線路充電功率計算公式

Qc為線路電納產(chǎn)生的充電功率，Kvar；U為線路額定線電壓，kV；f為電力系統(tǒng)頻率，取值50Hz；C為導(dǎo)線單相對地電容μF；c為單位長度導(dǎo)線單相對地電容，μF/km。

8.1.3 變壓器的無功損耗計算公式

QT為變壓器無功損耗，kvar；UK%為變壓器阻抗電壓占額定電壓的百分數(shù)；I0%為變壓器空載電流百分數(shù)；S為變壓器的計算功率，kVA；SN為變壓器額定容量 kVA。

8.2 無功補償仿真計算結(jié)果

根據(jù)上面計算公式，可以算出光伏電站無功功率損耗及充電功率，具體數(shù)據(jù)可以查看表9。

表9 光伏電站無功功率損耗及充電功率

為了增強光伏電站低電壓耐受能力，降低脫網(wǎng)概率，建議光伏電站安裝靜止無功發(fā)生器（SVG），將計算結(jié)果取整，整個光伏電站容性無功補償容量為1200kvar，感性無功補償容量為1200kvar?？紤]到每個地區(qū)電網(wǎng)規(guī)定補償?shù)娜萘坎灰粯樱a償容量可配置在20%～30%之間。本項目按照 25%配置，共有4個并網(wǎng)點，每個并網(wǎng)點配置容性800kvar～感性800kvar，總補償容量為容性3200kvar～感性3200kvar，遠遠超出了計算的數(shù)據(jù)，滿足要求[7]。

9 結(jié)語

通過ETAP軟件模擬仿真并且輸入對應(yīng)參數(shù)，把原本復(fù)雜的電能質(zhì)量計算過程簡化。得到了我們需要的諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度、電壓偏差、無功補償數(shù)值，來核對是否符合規(guī)范要求。