CN110729733A - 一种光伏电站谐波计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏电站谐波计算方法，包括以下步骤：步骤一、收集光伏电站各逆变器的设备参数；步骤二、在PSASP中建立潮流计算模型，其中所述地区电网模型用一台交流发电机模型和一台变压器模型进行等值替代，光伏电站模型用一台发电机模型进行等值替代；步骤三、将潮流计算模型数据刷新到PSASP潮流计算作业中进行潮流计算；步骤四、进入PSASP的电能质量评估模块，在谐波源负荷中依次录入步骤一收集到的各逆变器设备参数；步骤五、进行谐波计算。本发明能够明确和规范PSASP中光伏电站谐波计算和步骤和流程，具有建模简单、可靠性高、工作效率高等优点，可以大大减少设计人员工作量，解决工程技术人员的工作效率问题，提高设计和研究方案的可信程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏电站谐波计算方法，属于谐波分析技术领域。
背景技术
光伏发电系统并网运行之后，由于光伏发电系统中含有诸多非线性元件，会出现谐波，恶化电能质量。随着光伏产业的快速发展，光伏并网所带来的问题已经影响到了配电网的供电质量和安全可靠运行。因此，要对光伏发电系统所带来的谐波问题进行分析。
电力系统谐波分析是根据给定的电网结构、参数以及负荷、谐波源、滤波器等元件的运行条件，通过谐波潮流计算确定系统中谐波电流的分布以及各部分的电压和电流波形的畸变程度，或通过计算网络的频率相应判断系统是否临近谐波谐振状态以及怎样减小系统谐振发生的可能性的计算。
对于供电部门，通过谐波分析可以检验电力系统中的电压电流波形畸变是否在允许的范围内，投入的电力设备是否会引起电网谐振或谐波电流的放大，分析电气化铁路及工业用户对整体电网的影响，从而尽可能避免谐波引起电力事故。对于大的工业用户，通过频率扫描，谐波潮流计算的数据可以选择合适的滤波器，使其对电网的谐波污染控制在国家的标准之内。
目前国内权威的谐波分析软件为电力系统分析综合程序（PSASP），它通过计算机程序对电力系统谐波的仿真计算，可以得到各类电能质量干扰源对电网的影响，通过计算，可以选择最有利的谐波治理方法，将谐波干扰源对电网运行的影响降到最低。在规划阶段，可以帮助选择合理的谐波治理元件。
电力系统分析综合程序（PSASP）提供了单级式并网光伏电站的模型，该模型由光伏阵列、稳压电容、逆变器组成，光伏阵列与电压源型逆变器经直流稳压电容相连，逆变器将光伏阵列所发直流电转变为交流电，经滤波电感与电网相连，实现并网。该模型适用的电压等级一般为0.4kV，模型出口需经升压变压器与高电压等级的电网相连。使用该模型需分别输入光伏阵列、逆变器、涉网保护系统的系统参数，共50多个。
但是，通过电力系统分析综合程序（PSASP）计算光伏电站谐波具有以下缺点：
1）光伏电站最终接入地区电网，需要建立基于电力系统综合程序（PSASP）的地区电网数据库，地区大电网涉及到数量庞大的电网参数，如果设计单位没有地区电网模型，可能需要几个月至一年甚至数年的时间去建模，实际工作中很难做到。
2）电力系统分析综合程序（PSASP）开发了光伏电站数学模型，但一方面绝大多数工程技术人员对该模型认识不够系统；另一方面，该模型极其复杂，从光伏阵列到逆变器等需要输入大量的参数，在从事设计和研究工作时需要投入大量的时间精力去收资、学习、了解此模型的建模步骤和控制参数设置方法，十分复杂繁琐，实际应用中，该模型使用时费时费力，十分不便。
3）电力系统分析综合程序（PSASP）开发了交流线、变压器和负荷等多种元件谐波分析模型，而光伏电站模型却不能根据元器件类型自动产出谐波电流，无法直接进行谐波计算，只是要求输入光伏电站产生的总的谐波电流值，光伏电站产生的总谐波电流只能在工程投产后进行实测，而电能质量评估这要求在工程投运之前进行评估，用户很难提出具体的谐波电流数据，有时候设计人员只能依靠经验，参照已有数据进行估算建模，不同人计算结果偏差较大，使计算分析工作的有效性和准确性受到质疑。实际应用中，给设计人员带来了很大的困难。
因此，有必要对电力系统分析综合程序光伏电站谐波计算影响计算误差的因素和相关参数进行深入归纳总结，进而提出一种系统的用来规范光伏电站谐波计算方法，提高工程技术人员的计算精度和工作效率。
发明内容
本发明要解决技术问题是：提供一种在工程投运之前的光伏电站谐波计算方法，该方法能够提高工程技术人员的工作效率。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种光伏电站谐波计算方法，包括以下步骤：
步骤一、收集光伏电站各逆变器的设备参数，所述设备参数包括单个设备容量和谐波电流值；
步骤二、根据光伏电站的并网方式及光伏电站电气的拓扑连接方式，在PSASP中建立潮流计算模型，所述潮流计算模型共包括地区电网模型、光伏电站所接入的变电站模型和光伏电站模型三个部分，其中所述地区电网模型用一台交流发电机模型和一台变压器模型进行等值替代，光伏电站模型用一台发电机模型进行等值替代，具体等值替代方法如下：
对于地区电网模型，新建一交流发电机模型，所述交流发电机的节点类型、额定功率、有功输出功率、功率因数和无功输出功率分别设置为所述地区电网的相应等效值；新建一系统母线，将交流发电机连接于该系统母线；新建一变压器模型，所述变压器模型的系统等值阻抗设置为所述地区电网的相应系统等值阻抗，该变压器模型的高压侧连接系统母线；新建一低压母线，该低压母线连接变压器模型的低压侧；
对于光伏电站模型，新建一发电机模型以及与发电机模型相连的并网线路模型、升压变压器模型，所述发电机模型的额定容量、节点类型、有功输出功率、无功输出功率以及并网线路模型参数、升压变压器模型参数分别与光伏电站中的相应参数的设计值等值；新建一母线，该母线与光伏电站的低压母线相连，同时建立与光伏电站各逆变器相连的母线；
步骤三、将步骤二中得到的潮流计算模型数据刷新到PSASP潮流计算作业中进行潮流计算；
步骤四、进入PSASP的电能质量评估模块，在谐波源负荷中依次录入步骤一收集到的各逆变器设备参数；
步骤五、进行谐波计算。
本发明带来的有益效果是：
1）本发明用等值系统代替地区电网模型，即对于地区电网，用一台交流发电机模型和一台变压器模型对系统进行等值。地区电网涉及到数量庞大的电网参数，如果设计单位没有地区电网模型，可能需要几个月至一年甚至数年的时间去建模，实际工作中很难做到。本发明中通过等值系统代替地区电网模型，经验证，其计算结果与在大的电网数据库中计算结果完全一致，可以大大简化建模时间，提高工作效率。
2）本发明将光伏电站模型用发电机模型替代。申请人在长期的实践中发现，虽然电力系统分析综合程序（PSASP）中谐波计算是基于潮流的，但是潮流计算结果对谐波计算影响极小。因此，对谐波计算来说，这样建模降低了光伏电站接入电网的潮流计算精度，但是这样建模极其简单方便，不但省去了输入大量的光伏模型参数的麻烦，节省了大量的时间，而且也提高了工作效率。
3）对于光伏并网系统来说，谐波主要是由逆变器产生的，逆变器中的电力电子器件由于伏安特性非线性而产生大量高次谐波；另外就是并网变压器含有少量的谐波，因数量较少，本发明中不再考虑并网变压器，直接采用逆变器产生的谐波数据。申请人研究发现，直接采用逆变器谐波数据，可能会造成计算精度稍微降低，但由于并网变压器谐波含量极少，计算精度完全能够满足要求，由此带来的好处是可以大大提高工作效率。另外，谐波数据是根据历史数据生成的，根据经验得到的谐波数据可以大大提高计算精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例中光伏电站电气拓扑连接方式示意图。
图2是本发明实施例中光伏电站接入系统后的潮流仿真示意图。
图3是PSASP中交流发电机模型设置示意图。
图4是PSASP中变压器模型设置示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例以方天湫湖光伏电站为例进行说明，方天湫湖光伏电站的电气拓扑连接方式如图1所示，方天湫湖光伏电站连接的系统变电站为东庐变。如图2所示，东庐变主变参数如下：容量为2×16MVA，短路阻抗8％，负载损耗77kW，空载损耗19kW，空载电流0.7％；东庐变至晶桥变线路参数，架空线LGJ-240（9千米）。
本实施例的光伏电站谐波计算方法，包括以下步骤：
步骤一、收集光伏电站各逆变器的设备参数，所述设备参数包括单个设备容量和谐波电流值。
步骤二、根据光伏电站的并网方式及光伏电站电气的拓扑连接方式，建立PSASP的潮流计算模型，所述潮流计算模型共包括地区电网模型、光伏电站所接入的变电站模型和光伏电站模型三个部分，其中所述地区电网模型用一台交流发电机模型和一台变压器模型进行等值替代，光伏电站模型用一台发电机模型进行等值替代，具体等值替代方法如下：
1）对于地区电网模型，包括交流发电机模型和变压器模型。其中，交流发电机模型节点类型为Slack，发电机额定功率为100MW，有功输出功率为1p.u.，功率因数取0.9，无功输出功率为0.48 p.u.，变压器电抗值设为系统最小方式下等值阻抗。因此，在电力系统分析综合程序（PSASP）基础数据新建一发电机模型，如图3所示，发电机节点类型设置为Slack，额定功率设置为100MW，发电机的有功输出功率为1p.u.，功率因数取0.9，无功输出功率为0.48 p.u.。
新建一系统母线，命名为“系统”，基准电压取37.5kV（光伏接入系统变电站为35kV变电站），发电机连接于该母线；新建一变压器，如图4所示，该变压器参数只输入电抗，为系统等值阻抗（系统最小小方式等值阻抗，0.2595），其他参数无需输入,该变压器高压侧连接系统母线，新建一母线，命名为“晶桥35”，基准电压取37.5kV，该变压器低压侧连接“晶桥35”母线。
对于地区电网，用一台交流发电机模型和一台变压器模型对系统进行等值，经验证，其计算结果与在大的电网数据库中计算结果完全一致，可以大大简化建模时间，提高工作效率。
2）对于光伏电站模型，光伏电站模型用发电机模型替代。这样建模降低了光伏电站接入电网的潮流计算精度，考虑到电力系统综合程序（PSASP）中谐波计算虽然是基于潮流的，但是潮流计算结果对谐波计算影响极小，对谐波分析来说，这样建模极其简单方便，省去了输入大量的光伏模型参数的麻烦，节省了大量的时间，提高了工作效率。
在计算时，新建一发电机模型以及与发电机模型相连的并网线路模型和升压变压器模型，所述发电机模型的额定容量、节点类型、有功输出功率、无功输出功率以及并网线路模型参数、升压变压器模型参数分别与光伏电站中的相应参数的设计值等值；新建一母线，该母线与光伏电站的低压母线相连，同时建立与光伏电站各逆变器相连的母线。
根据光伏并网系统的输出特性，由于逆变电流与并网点同频、同相，故功率因数为1，光伏电站只发有功不发无功，因此，所述发电机模型的无功输出功率可设置为0。在光伏电站低压侧（0.48kV）用所述发电机模型替代光伏电站，根据方天湫湖光伏电站的设计参数，发电机的额定容量为1MW，节点类型为PQ节点，发电机的有功输出功率为880kW，无功输出功率为0，方天湫湖光伏电站的输出电流作为发电机的输出电流送入母线。
并网线路模型参数：光伏电站至系统变电站（东庐变）为全电缆线路，线路型号采用YJV22-8.7/10-3×70mm2（0.3千米）；
升压变压器模型参数：容量为1MVA，短路阻抗4.5％，负载损耗10.3kW，空载损耗1.15kW，空载电流0.6％。
另外，在电力系统分析综合程序（PSASP）基础数据中新增一条母线、一条交流线，并把该母线通过该交流线与光伏电站的低压侧母线（0.48kV）相连，母线命名为N1；以此类推，根据光伏电站的逆变器数量，分别建立N2、N3、N4……等母线。
3）对于变电站模型，不作调整。
步骤三、将步骤二建好的潮流计算模型数据刷新到PSASP潮流计算作业中进行潮流计算，图2所示即为最小运行方式下的潮流计算仿真图。
步骤四、进入PSASP的电能质量评估模块，在谐波源负荷中依次录入步骤一收集到的各逆变器设备参数，即直接采用逆变器谐波数据作为光伏电站的并网谐波源。
对于光伏并网系统来说，谐波主要是由光伏并网系统中的逆变器产生的，逆变器中的电力电子器件由于伏安特性非线性而产生大量高次谐波；另外就是并网变压器含有少量的谐波，因数量较少，本发明中不再考虑，直接采用逆变器产生的谐波数据。直接采用逆变器谐波数据，可能会造成计算精度稍微降低，由于并网变压器谐波含量极少，矛盾并不突出，却可以大大提高工作效率；另一方面，相对于设计人员根据经验输入谐波数据，又可以大大提高计算精度。
步骤五、进行谐波计算，读取计算结果。
本实施例中，其中步骤四和步骤六均为现有技术，可参考PSASP相关资料，不再赘述。
采用本实施例的计算方法，能够明确和规范PSASP中光伏电站谐波计算和步骤和流程，具有建模简单、可靠性高、工作效率高等优点，可以大大减少设计人员工作量，解决工程技术人员的工作效率问题，提高设计和研究方案的可信程度。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种光伏电站谐波计算方法，包括以下步骤：
步骤一、收集光伏电站各逆变器的设备参数，所述设备参数包括单个设备容量和谐波电流值；
步骤二、根据光伏电站的并网方式及光伏电站电气的拓扑连接方式，在PSASP中建立潮流计算模型，所述潮流计算模型共包括地区电网模型、变电站模型和光伏电站模型三个部分，其中所述地区电网模型用一台交流发电机模型和一台变压器模型进行等值替代，光伏电站模型用一台发电机模型进行等值替代，具体等值替代方法如下：
对于地区电网模型，新建一交流发电机模型，所述交流发电机的节点类型、额定功率、有功输出功率、功率因数和无功输出功率分别设置为所述地区电网的相应等效值；新建一系统母线，将交流发电机连接于该系统母线；新建一变压器模型，所述变压器模型的系统等值阻抗设置为所述地区电网的相应系统等值阻抗，该变压器模型的高压侧连接系统母线；新建一低压母线，该低压母线连接变压器模型的低压侧；
对于光伏电站模型，新建一发电机模型以及与发电机模型相连的并网线路模型和升压变压器模型，所述发电机模型的额定容量、节点类型、有功输出功率、无功输出功率以及并网线路模型参数、升压变压器模型参数分别与光伏电站中的相应参数的设计值等值；新建一母线，该母线与光伏电站的低压母线相连，同时建立与光伏电站各逆变器相连的母线；
步骤三、将步骤二中得到的潮流计算模型数据刷新到PSASP潮流计算作业中进行潮流计算；
步骤四、进入PSASP的电能质量评估模块，在谐波源负荷中依次录入步骤一收集到的各逆变器设备参数；
步骤五、进行谐波计算。
2.根据权利要求1所述的光伏电站谐波计算方法，其特征在于：步骤二中，所述发电机模型的无功输出功率设置为0。
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