ETAPETAP软件在余热电站谐波计算中的应用

周庆忠，田雷

1 概述

目前，余热电站的主要电气设备负荷为锅炉给水泵、循环水泵和冷却塔风机等，使用变频器进行调速控制。使用变频器调速具有节约电能、可对负载实现无级平滑调速、启动电流小、起动转矩大、调速精度高、效率高、易实现自动化控制等优点。但变频器在运行过程中产生的谐波注入电网后，易造成电压波形畸变，影响电网的电能质量。谐波带来的影响具体如下：

（1）谐波可造成电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使绝缘部件老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。

（2）谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。

（3）谐波会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。

（4）对电力系统外部而言，谐波会对通信设备和电子设备产生严重干扰[1]。

鉴于谐波对电气系统的危害，对余热电站使用的变频器设备进行谐波计算和分析，并根据计算、分析结果，采取相应的限制谐波的技术措施，使余热电站的谐波满足电网要求，具有重要意义。

ETAP软件是一款在国际上广泛使用的电气分析计算软件。ETAP软件可以对电力系统进行潮流仿真计算、短路分析、谐波分析、继电保护配合验算等各种电气计算和仿真，其功能全面，能为发电、输配电和工业电力电气系统的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供较为全面的分析平台和解决方案[2]。谐波计算是ETAP软件的功能之一，ETAP软件的谐波分析遵循IEEE 519标准（我国对应标准为GB/T 14549）。

2 余热电站的谐波仿真计算

ETAP的谐波分析有两种方法：谐波潮流和谐波频率扫描。这两种方法都是电力系统谐波分析中最流行并有效的分析方法。综合使用这两种方法，可计算不同的谐波，且与标准限值相比较后，可发现电气系统中存在的电能质量问题及与谐波相关的安全性问题[3-5]。

以某装机为10MW的余热电站项目为例进行分析，该余热电站的负荷清单见表1。利用ETAP软件建立的余热电站电气系统见图1。

设定ETAP软件中变频器的谐波源模型，将变频器的谐波源模型分为6脉冲、12脉冲、24脉冲等，变频器的品牌差异可忽略。变频器的脉冲数越高，相应的谐波含量越低，变频器的成本越高。综合考虑后，变频器的谐波源模型选择了12脉冲谐波源模型。变频器的12脉冲谐波源模型的波形和谐波频谱如图2所示。

表1 余热电站电气负荷清单

从图2可看出，12脉冲谐波源模型的谐波为（12k±1）次谐波（k=1，2，3，……），低次谐波的幅值最大，高次谐波的幅值逐次变小。

经过ETAP软件仿真分析计算，低压母线（LV Bus）上的电压波形如图3所示。从图3可以看出母线上的电压波形畸变较大。变压器T1二次侧的电流波形如图4所示，可以看出变压器T1二次侧电流波形畸变较大，谐波含量较高。变压器T1二次侧的谐波电流含量如表2所示。

图1 余热电站电气系统图

图2 12脉冲谐波源模型的波形图和频谱图

图3 低压母线（LV Bus）的电压波形

图4 变压器T1二次侧电流波形

上述谐波电流经过折算后，超过了国家标准GB/T 14549中的谐波电流限值[6]，国家标准GB/T 14549中部分电流限值如表3所示。

表2 变压器T1二次侧谐波电流含量

表3 谐波电流允许值（标注电压：0.38kV，基准短路容量：10MVA）

由于变频器的谐波电流超过谐波电流限值，需要对变频器采取谐波抑制措施，以限制电气系统的谐波，避免影响电气系统的电能质量。谐波抑制措施包括如下几种：（1）采用更高脉冲次数的变频器，例如24或48脉冲变频器；（2）采用有源滤波器；（3）采用LC无源滤波器。如采用更高脉冲次数的变频器，将会增加变频器的功率单元，致使变频器内部结构复杂和变频器成本增加。有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，但有源滤波器的成本较高。而LC无源滤波器因出现得最早，具有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等特点，应用得最多[1]。

LC滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除发挥滤波器作用外，还兼顾无功补偿的需要。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等，在实际应用中，常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。

在本仿真计算中，以LC无源滤波器滤除谐波为例，对系统增加相应的单调谐滤波器，分别滤除11、13、23、25、35、37、47和49次谐波。设置单调谐滤波器的电气系统如图5所示。

ETAP软件可以根据系统配置和特定谐波自动计算单调谐滤波器的参数，从而使滤波器的设计十分简便。根据需滤除的谐波次数和谐波电流，配置的单调谐滤波器如表4所示。

设定单调谐滤波器参数后，通过ETAP软件计算系统的谐波。低压母线的谐波电压如图6所示。

图5 设置单调谐滤波器的电气系统图

图6 低压母线上的谐波电压

图7 变压器T1二次侧电流波形

表4 单调谐滤波器配置

表5 变压器T1二次侧谐波电流含量

变压器T1二次侧的电流波形如图7所示。

变压器T1二次侧的谐波电流含量如表5所示。

可以看出，在低压母线处增加滤除各次谐波的单调谐滤波器，基本滤除了各次谐波，提高了电气系统的电能质量。

3 结语

通过ETAP软件可以对以变频器驱动为主的余热电站电气系统进行谐波分析和计算，根据分析和计算结果采用合理设计的LC单调谐滤波器降低电气系统的谐波含量，可有效提高余热电站的谐波分析计算和控制能力。

目前，部分变频器厂家已在变频器上集成了滤波器，滤除了部分谐波，对这类变频器应做独立的谐波分析，以保证电气系统的电能质量。