基于ETAP的电力系统电能质量问题研究与分析
收稿日期:2009-12-22
基金项目:国家自然科学基金(50677044)
通讯作者:林 涛(1969-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事电力系统运行与控制、继电保护及自动化设备以及电能质量的研究;
E 2mail :tlin @https://www.wendangku.net/doc/0613910646.html,
第25卷第1期
2010年3月
电力科学与技术学报
JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AN D TECHN OLOG Y
Vol.25No.1Mar.2010
基于ETAP 的电力系统电能质量问题研究与分析
林 涛,王思源,郑 杰
(武汉大学电气工程学院,湖北武汉 430072)
摘 要:介绍电力系统综合分析软件ETA P ,并重点强调其在电能质量方面的各种分析功能.结合现实电力系统
中电气化铁道、电弧炉及大型电机群等各种工业负荷产生的电能质量问题,综合利用ETA P 的谐波分析、电机加速及不平衡潮流等分析功能模块,提出针对典型电能质量问题进行研究与分析的方法.
关 键 词:电能质量;etap 软件;工业负荷;谐波
中图分类号:TM 715 文献标识码:A 文章编号:167329140(2010)0120027208
Pow er quality analysis based on ETAP soft w are
L IN Tao ,WAN G Si 2yuan ,ZH EN G Jie
(School of Electrical Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China )
Abstract :This paper makes an int roduction to t he power system analysis software ETA P.Due to t he expend of high capacity and nonlinear elect rical equip ment s in manufact uring ,power quality p roblems are becoming more and more complex.For typical power quality problems such as wave distortion which caused by high 2order harmonics and inter 2harmonics ,voltage dip s which cont rib 2uted to lack of passive power ,load flow unbalance which ascribe to t hree p hase unbalance equip 2ment s and so on ,t his paper suggest s some solutio n met hods which based on ETA P f unction mod 2ules.They are harmonic analysis ,motor acceleration analysis ,unbalance load flow analysis and etc.These modules p rovide advanced algorit hm and tools ,make t he process of calculation faster and t he result more t rusted.
K ey w ords :power quality ;ETA P software ;manufact uring load ;harmonics
随着经济社会的发展,工业部门和交通部门等电力系统重要用户对调速控制、节能减排等方面的要求不断提高,促使大量的大容量变频调速设备、三相不平衡设备和大功率冲击性设备投运至电力系统中,造成了电力系统谐波含量高、电压闪变与骤降、三相不平衡等电能质量问题逐渐明显.尤其是诸如高速重载电气化铁道等大容量调速负荷随着容量的增大,必须接入至地区主网架时,这些电能质量问题
就有可能随着主网架扩散至各电压等级,成为全局性事故的隐患.其论证与分析的必要性毋庸置疑,而中国现在常用的电力系统综合分析软件如PSASP 和B PA等在电能质量方面的建模精确度、算法收敛性及解决方案的优化性等方面的选择都比较单一,国际通用电力系统综合分析软件ETA P则提供了更全面的分析方法和更合理的解决方案.现在中国刚刚开始引入ETA P,并以此作为研究工具进行了一些研究,如:对于ETA P软件功能的介绍[1];利用算例对比ETA P和通用计算软件MA TLAB在功能上和计算结果上的差异[2];在实际运用其功能方面则多见于分析海上平台电力系统的谐波问题[3-4];利用ETA P的谐波分析功能计算企业级电力系统的谐波电流含有率和扫描系统谐波阻抗幅值[5].
可以看出,现在ETA P在中国尚处于导入阶段,对其功能的利用比较单一,没有形成基于其诸多先进功能的电能质量研究分析方法.在这款软件中可对地区电力系统和该地区冲击性非线性负荷进行精确建模,利用诸多功能模块如谐波模块、电机加速模块、不平衡潮流模块、无功优化模块和补偿设备自动估计模块等对该地区各种电能质量问题进行综合的研究分析,并可提供合理的解决规划方案.
1 ETA P软件简介
ETA P是由美国Operation Technology公司生产的一款全图形界面的电力系统仿真分析、计算高级应用软件[6],拥有标准的离线仿真模块.
ETA P具有3大设计概念:虚拟现实操作、全面集成数据库和数据操作可视化,都归因于采用的三维数据库和视图化操作理念.三维数据库即是将每一个系统元件设备的电气、机械、逻辑及物理属性都包含在1个数据维度中,而这些数据作为工程电气参数,将其与图形显示、连接方式以正交方式组织起来,以此来实现视图化操作的设计理念,并可以直接在视图中确定保护和嵌套复合网络.
在研究领域和计算方法上ETA P集成了众多的功能模块.潮流计算、不平衡潮流计算、短路计算、保护整定、暂态稳定、电机加速、发电机启动、谐波分析、优化潮流以及直流潮流等众多功能模块为各种电力系统项目分析提供极大的便利.其中与解决电能质量相关的功能模块有谐波分析、不平衡潮流、电机加速、电容器最佳位置分析.
1.1 谐波分析模块
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解算现存系统各条线路各个母线的各次谐波存在状况.谐波频率扫描的主要作用为扫描现存网络,解算出引起谐振的各次谐波的次数.这2种分析手段有助于直接计算现有网络的谐波存在问题和谐振问题,为治理现有网络的谐波和验证解决方案的效果提供了便利条件.
1.2 不平衡潮流模块
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.这个模块考虑到了平衡节点、电压校准和多重效果的校准功率源以及发电机联系,能操作放射型和环型系统.它使用电流注入方法来达到最佳的计算效果.在大负荷下计算平衡或不平衡分布系统的功率潮流将显示出比其他方法更加有效和更少迭代下的收敛特性.
1.3 电机加速模块
主要提供动态电机加速和静态电机加速2种计算分析方法.在动态电机加速模型中电机被模拟成动态模型,所谓动态模型即是指该模型会反映电机在启动过程电流电压随时变的完整过程.程序将会模拟电机的整个加速过程,以此确定电机是否可启动,要用多长时间达到额定速率,并确定电压降对系统的影响.在静态电机启动的方法中,模拟在加速期间堵转的方法来启动电机,以此模拟对正常运行负荷和系统最坏的影响.
1.4 电容器最佳位置模块
这一模块是关注工程技术经济最大化的模块.在为系统提供电容补偿时,该模块所关注的问题是在控制总成本最小的约束条件或其他约束条件下决定电容器的最佳位置、计算最佳补偿容量和电容器组数,以此进行最佳效果的电压补偿和功率因数修正.并且通过计算决定电容器的控制模式,分析电容器组运行对系统的影响.
82电力科学与技术学报 2010年3月
2 电力系统工业用户引起的系统电
能质量问题
电力系统中的工业用户由于设备容量大,对调速性能需求较高或是设备的特殊性能要求都会对系统电能质量造成很大的影响.比较常见的大容量设备如炼钢用电弧炉、电力机车、大型电机群、变频调速设备、冲压设备、起降设备或是大型卷扬机等.现代工业往往又是多种电气化设备组合,会对附近地区产生一种或多种电能质量问题,增加了分析的复杂性和治理的难度.2.1 电气化铁道
电气化铁道[7-14]是大功率单相整流电机,在调
速和控制中使用电力电子设备.其供电系统(图1)主要由电网公共连接点(PCC )、牵引降压换相变电站(三相换两相)、供电臂、接触网、受电弓、单相交流电机和接地回流线构成.一般的供电形式为电力系统提供110kV 双电源,经牵引变电所降压到27.5kV 或55kV 再通过牵引网向电力机车供电.电力机
车采用架空接触导线和钢轨之间的25kV 单相工频交流电源经过全波整流后驱动直流牵引电动机
.
图1 双电源铁道供电系统
Figure 1 Dual power 2type electric traction system
接触网供电方式主要有B T 制、A T 制和直供式.B T 制,即吸流变压器-回流线方式是较为传统的方式,主要采用27.5kV ,供电距离是20～25km.但每隔1.5km 须得设置1个1∶1B T 变
压器,有无电区,增大了接触网阻抗和压降且吸流效果不理想.现在中国主流方式为取消B T 变压器的直供方式.A T 制,即自耦变压器供电方式,作为一种较为先进的接触网供电方式,主要采用55kV ,每隔10～15km 在沿线设置1个自耦变压器,但供电臂长于B T 制1倍,对于减小入轨电流在地中的扩散、限制谐波电流对通讯的干扰等要求的实现有明
显优于B T 制的效果,在中国正有扩大的趋势.经过
牵引变压器由公共电网的三相系统转换为两相系统接线方式当前主要有6种:Y/△-11牵引变电器、
Y/△/△-11-1低压侧交叉接线牵引变电器、V /V
牵引变电器、Scott 牵引变电器、Wood Bridge 牵引变电器和Le Blanc 牵引变电器.目前中国铁路牵引机车采用的电压制式,主要采取V /V 接线方式、Scott 变换器和阻抗匹配平衡变压器.采用不同的接
线方式(图2)会使电力牵引负荷对电力系统产生的负序影响不同.在两臂负荷相等的理想状况下,Scott 方式可以不对系统产生负序.
图2 V/V 和Scott 接线方式
Figure 2 V/V and scott connection
中国电力机车大都采用交-直电机,如晶闸管相控型机车SS3～9、日本6K 和法国8K.相控型机
车通过控制晶闸管的导通角来控制电机转速和出力,而由于导通角的改变带来电流的改变,对电网造成大量谐波.
以SS4型前转向架单元的整流调压简化电路为例,如图3所示.机车由不等分三绕组整流变压器供电,3个绕组分别为a 1b 1,b 1x 1和a 2x 2,其空载额定电压分别为335V ,335V ,670V .可以通过改变
晶闸管T1～T6的导通角α的大小来使整流电路输出的电压幅值变化,进而将机车控制于4种不同的运行工况.
可知电力机车负荷同时兼具冲击性非线性和不平衡的特性,可以造成高次谐波和基波负序电流等电能质量问题.
92第25卷第1期林 涛,等:基于ETAP 的电力系统电能质量问题研究与分析
图3 SS4型前转向架单元的整流调压简化电路
Figure 3 SS42type rectifier voltage regulation circuit
2.2 炼钢厂
炼钢企业[15-19]的主要设备有熔炼用高压弧炉和冲压用大型轧钢机等.电弧炉是功率波动性负荷.其电气系统的结构如图4所示,其中ST 为变电站变压器,F T 是电弧炉变压器,X 1是电网到变电站变压器高压侧的短路电抗,X 2为传输电抗,X 3和R 是F T 到电弧炉的短网阻抗
.
图4 钢厂电弧炉系统
Figure 4 Electric arc f urnace system
电弧是气体放电的一种形式,在其中既进行着电的物理过程,又进行着热的物理过程.电弧可分为3个区域:阳极电位降区域、弧柱、阴极电位降区域.
电弧炉中的电弧是常压下的交流电弧.
电弧炉的冶炼过程依据其电气特性分为2个主要阶段:熔化期和精炼期.
熔化期时,炉内废钢装入后,同时插入三相电极,则在电极与废钢之间产生工频大电流电弧,利用电弧热量开始熔化废钢.由于废钢与电极间存在着直接电弧,随废钢的熔化必然引起电弧长度的变化,进而导致燃弧点的移动,三相电弧各自独立地无规则地急剧变化,产生三相电流不对称问题,在正常生产情况下产生的负序电流约为电炉变压器额定电流的25%左右;在不正常情况下,如一相断弧时,可达56%左右,如两相短路的同时,第三相又断弧,此时
可达86%左右,负序电流流入电网,使电网电压产生负序分量.为了维持电弧燃烧的稳定,必须使电弧炉功率因数较低,如此电弧炉即为高感性负荷,运行在熔化期时功率因数甚至可以低至0.1,造成接入母线电压严重降低,功率因数恶化.
精炼期是在熔化完成后,边升温边加入铁矿石和氧,以便进行氧化精炼.之后,对钢渣进行还原性精炼,加石灰等进行脱硫、脱氧,这一时期,电弧非常稳定,电流也不变动了.
电弧电流的变化引起了电压闪变,由于燃弧点的移动导致电弧快速变动称周期闪变;由于电极短路引起的急剧变动称之为非常闪变.冶炼中,电弧电流变化的程度与废钢的大小有关.若熔材为轻质小块,电弧相对稳定,闪变问题相对轻些;若熔材为大块废钢,除引起电弧不稳定外,落下时引起电极短路,闪变问题相对严重.熔化中期过后,炉底有了相当的钢液,电弧相对稳定,闪变程度大大减轻.
闪变和不平衡都是由于电弧电流和电弧阻值的不规则造成的,同时也造成了电弧炉电流的非正弦畸变,由此引发高次谐波.电弧炉的特征谐波是2～9次.
轧钢机由于采用了交交变频调速装置,导致产生大量的谐波,谐波电流导致所接母线电压畸变率超标,严重影响了用户本身及电网用电设备的安全运行.另外,由于轧机系统消耗大量的无功功率,导
致电网功率因数降低约为0.45,同时从电网吸收大量的无功,加重了电网负担和损耗,降低了供电电网的电能质量.
2.3 制药化工与烟草
制药化工等工厂[20-22]负荷主要由高感性负荷和大型电动机群组成,由于生产工艺的需要也大量采用U PS 和高压变频调速装置等非线性设备.电动机频繁启动会对系统产生冲击,吸收大量无功造成系统无功缺失,从而引起电网功率因数低、电压降落和三相不平衡;调速装置普遍采用变频整流方式,加上电机本身的磁饱和现象,会产生大量的高次谐波.
常用的变频主电路拓扑一般为AC/DC/AC 型(图5),即将工频的交流电源变为直流电源,再将直流电
源变为控制交流电机所需要的频率和电压.2.4 矿井与港口
矿井的主要负荷是大型提升设备和大功率风机和水泵,港口的主要负荷是装卸起重机[23],都是采用电力电子设备进行调速的冲击性设备,如采用晶
3电力科学与技术学报 2010年3月
闸管供电的直流提升系统和交交变频调速系统.造成的问题为由电力电子设备的采用导致的大量特征谐波和由于负荷的冲击性导致的无功功率不足
.
图5 典型的三相变频电路
Figure 5 Typical 32phase inverter circuit
以上工业负荷所造成的电能质量问题都可以归结为谐波、三相系统不平衡和无功不足3种类型.
3 基于ETA P 的电力系统电能质量
问题分析与治理
3.1 谐波分析与治理
谐波定义为电源所产生的频率为整数倍基波频率的正弦电压和电流.谐波的产生是由于系统中的非线性元件的大量使用造成的,一直是困扰系统及用户双方的问题.系统中的主要谐波源[8]有变压器、旋转电机、电弧炉、单相整流电力机车、三相电流源变流器、三相电压源变流器、逆变器馈供的交流电机、晶闸管控制电抗器(TCR )、相控调制以及交流调节器等.
电力设备的非线性特性造成谐波的产生,因此,在谐波抑制方面一般有2种方案:从设备的非线性上入手,利用变压器的移相和变流器桥的控制或者有相当开断能力的开关装置设计出波形畸变较小的非线性设备;利用滤波器进行外部谐波补偿,如无源滤波器和有源滤波器.
无源滤波器滤波(Passive Filter )的装设容量大小和方式主要考虑其经济性.无源滤波通过使用RL C 无源元件的串并联方式构成无源的单调谐、高
通或低通等滤波器,可以吸收谐波电流以达到滤除谐波的目的,而且这种谐波抑制装置还可以起无功补偿和电压调整的作用.PF 本质上是频域处理方法,也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数,对某些谐波进行吸收以达到治理目的.PF 主要分为调谐滤波器和高通滤波器.
有源滤波器A PF 通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性,以改善波形.除了具有响应速度快、具有很好的动态实时补偿功能等优点外,还具有可进行无功补偿、抑制电压闪变等多种功能.可以即时地灵活地补偿波形畸变.
谐波抑制设备的装设都需要论证其装设位置、设备形式、补偿容量等技术经济特性.可以利用ETA P 软件谐波分析模块进行谐波抑制方面的相关
论证.
首先从建模开始[6],再根据所需研究的网络的基本数据在ETA P 中建立起系统单线图后,定义所需谐波源.ETA P 中将谐波源划分为谐波电压源和谐波电流源,其中谐波电压源有:等效电网标识、同步发电机、逆变器、充电器/逆变器及静态负荷;谐波电流源有静态负荷、后备电源、充电器/转换器、变频器及变压器.谐波源的设置可以在设备的谐波属性页中选择相应的谐波库,其中有主要设备制造商的主流谐波源模型,如:ABB 的ACS1000-12P 谐波电流源、Rockwell 的12p ulseV FD 谐波电流源和Toshiba 的PWM -ASD 谐波电流源;典型的谐波
源,如电力机车谐波电流源、电弧炉谐波电压源以及IEEE 提供的典型谐波电流源模型.谐波电流幅值
和谐波电压幅值由设备参数属性页中的设备额定基波幅值的百分数.在具体的工程应用中可以利用谐波库中原有的典型谐波源,也可以根据现场实测数据,自行定义谐波源[24].根据设备参数和实测数据建立网络单线图(图6)
.
图6 某地区网络接线图
Figure 6 An area power grid diagram
定义负荷3为其谐波源,在ETA P 谐波库中没有相应的谐波源模型,通过实测数据来自定义谐波源模型,如图7所示.
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图7 自定义谐波源页面
Figure 7 User πs defining Web page for harmonics source
ETA P 谐波潮流模块对系统有谐波潮流分析和
谐波频率扫描2种分析方式.谐波潮流分析首先进行一个基波时的潮流计算.基本潮流计算结果为以后谐波指数计算提供基波母线电压和支路电流,然后对每个系统中的谐波源的谐波频率进行潮流计算.计算中考虑的是低频,如2～15次谐波和17～73次特性谐波.根据谐波频率和设备类型调节设备
阻抗.对于3的倍数次谐波,根据实际频率和零序网调节零序阻抗.谐波频率扫描计算用户设定频率范围内的母线输入阻抗和相角,可得到并联共振现象和它的触发频率.
在对所建模的电力网络谐波进行治理前可先对网络进行谐波潮流分析,取得各母线各次谐波的结果可以和实际电力系统中电能质量监测点实测结果进行印证,如果两者结果相同,即可认为所搭建的模型可以真实反映网络谐波状况.
图8所示为系统谐波潮流结果,可利用谐波次数滑条查看各次谐波潮流计算结果
.
图8 谐波潮流计算结果
Figure 8 Calculation results of harmonics load flow
对谐波的治理可以利用ETA P 特有的单调谐滤波器和高通滤波器计算功能.在输入需滤波节点的谐波现状和滤波后的目标滤波状况后,ETA P 会自动进行计算滤波器的L C 参数.该参数可以作为滤波器设计的参考,在多数较为单一的滤波需求情况下可以直接在ETA P 中的元件库中选择单调谐滤波器,根据所计算的结果进行滤波器设计并治理.而在该元件库中还有更多常用的无源滤波器模型,可以根据实际滤波需要选择不同的模型.
需要滤波的节点处(一般是PCC 公共节点处)设置了滤波器后,为验证其可行性可进行谐波扫描
分析,谐波扫描的结果可以显示滤波器的设置是否会引起并联谐振,如果引起并联谐振,则重新设置滤波器的数值、选择合适的滤波器模型和更加合理的滤波点.在进行此步骤后,可再次进行谐波频率扫描,若滤波器设置合理则可以开始进行滤波,运行谐波潮流分析,以验证滤波效果.通过以上步骤即可进行谐波治理分析,所选用滤波器形式与L C 值即可为现实网络中滤波器选型提供可信依据.3.2 三相系统不平衡问题分析
在平衡的三相系统正常运行时没有负序分量存在,而在不平衡的三相系统中负序会对系统造成影响[23].
1)负序产生制动转矩从而使电机最大转矩和输出功率下降,同时引起感应电机振动、铜耗增加和过热.
2)在不平衡运行下,变压器一相达到额定电
流,其余两相只能低于额定电流,导致变压器容量浪费.如勉强维持容量会造成局部过热从而造成绝缘寿命缩短.
3)不平衡会造成换流器触发角不对称,从而产.
4)负序分量偏大会导致作用于负序电流的保护和自动装置误动作.
5)除正序损耗外还有负序和零序电流产生的附加功率损耗.
在配电网络中由于多数用户是分相供电,考虑到用户用电的自由性,配电网络总是不平衡的;电力机车是单相整流电机,其供电系统是通过牵引变压器将公共供电系统中的三相系统变成两相系统为上下行线路分别供电,无论是采取V 型平衡变压器供
电还是Scott 变换器,由于上下行车辆和地形的不一致,即2个供电臂负荷大小不一,对高压侧三相电
2
3电力科学与技术学报 2010年3月
流是不同的,从系统看相当于三相不平衡负荷.针对不平衡可以利用不平衡潮流模块来进行计
算.三相不平衡模型的建立需在需研究节点处(一般为PCC 节点)装设三相电量检测设备,抑或测量两相系统(电气化铁道)概率电流.直接利用实测结果或将两相概率电流依据平衡变压器的数学模型变换成对公共电网的三相特性.利用ETA P 工程库中的单相负荷模型,根据测得三相不平衡特性设置3个单相模型来模拟三相不平衡负荷,进行不平衡潮流分析,计算结果为负序分析提供依据.
不平衡潮流计算如图9所示
.
图9 ETA P 不平衡潮流计算单线图
Figure 9 ETA P unbalance load flow diagram
3.3 电压暂降与低功率因数问题的分析与补偿
如果系统的无功不足,在有大容量冲击性负荷的运行时会造成母线电压暂降,功率因数低等一系列问题.解决方法是在线路各节点处加装补偿电容器组以补偿无功;在某些接入电气化铁道、电弧炉、卷扬机等大型冲击性设备的母线处,依据补偿和滤波需要还要加装SVC ,SV G ,Statcom 等无功补偿和滤波设备.
利用ETA P 可以对由于无功不足引起的电能质量问题进行分析.
1)进行冲击性负荷对电网冲击过程的模拟,可以利用电机加速模块进行此过程仿真.在ETA P 中搭建网络模型,将大型冲击性负荷可以模拟成大容量电机,在其工具库中集成有感应电机、同步电机、复合电机等模型,在收集待研究系统的基础资料后,即可将负荷简化为大型不同类型电机模型.然后根据分析需要,选择利用电机加速模块中的动态电机加速或静态电机加速分析方法进行分析[6].动态电机加速主要研究在现有网络状况下可否成功启功电机,静态电机加速则是模拟在堵转转子的状况下电机吸收系统能量对系统造成的最大冲击.在选择了
动态电机加速模块后,需通过电机模型元件的时间事件属性页定义电机启动加速的详细动态过程,如何时启动、降压启动还是以驱动电机启动、降压为百分之多少、何时全速运行、何时关停等.若是选择静态电机加速模块则只需定义电机启动时刻,然后即可运行程序,将运行结果结合网络的供电方式和运行方式进行冲击性负荷运行分析,为现实供电方式或补偿方式提供决策依据.
2)进行补偿策略分析,这一过程建立在网络的潮流结果和冲击性分析.利用电容器进行补偿则可以对电容器进行优化分析.利用ETA P 的电容器最佳位置可以经行优化分析.在最佳补偿位置、总成本下最佳容量大小和分组、最优经济性等约束条件中选择所关注的约束条件后,即可进行分析.这一过程可以实现决定电容器的最佳位置、计算出最佳补偿容量和电容器组数,计算决定电容器的控制模式,分析电容器组运行对系统的影响等功能.利用静态无功补偿器是比较先进的补偿方式,可以在ETA P 元件库中直接找到SVC 设备,并可以对其进行设计,一般SVC 的装设位置在冲击性负荷接入电网的公共连接点,或在负荷方进行就地补偿.
4 结语
工业负荷是造成地区电网电能质量问题的主因,其所造成的问题依据生产设备可以归结为谐波、三相不平衡和无功不足3种.笔者通过总结由工业负荷所造成的各种电能质量问题,介绍了ET AP 针对电能质量问题诸多模块,并依据各种电能质量问题的特点提出了基于ET AP 的分析治理方法.显示出ET AP 在分析治理电力系统电能质量问题方面的可
行性、先进性,可以丰富现在系统电能质量分析方法,为电能质量问题的治理提供更加准确可靠的依据.参考文献:
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43电力科学与技术学报 2010年3月