基于电力系统分析软件ETAP的电网谐波分析_郑杰
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随着现代经济社会的发展，导致现代电力系统 规模的不断扩大和用电设备种类的日趋复杂，尤其 是非线性负荷的使用以及风力发电和光伏发电系 统的接入使电力系统中谐波问题越来越严重[1-9]。谐 波污染大大增加了电力系统中发生局部并联和串
智能电网 Smart Grid
08
郑杰，等:基于电力系统分析软件ETAP的电网谐波分析
在仿真分析方面,该软件集成了潮流分析、短路 计算、暂态稳定分析、谐波分析、发电机/电动机起动 分析、可靠性分析、继电保护配合、优化潮流、直流 潮流、智能切负荷等模块。ETAP提供了简便快捷的 电力系统模型搭建方式，所有的电力系统参数输入 和连线图操作都可以直接在图形界面上完成，显示 结果一目了然[11]。 1.2 ETAP软件的谐波分析模块功能和特点介绍
面对这样的问题利用ETAP进行预先的谐波仿 真分析可以辅助建立有效的方案降低系统中的谐 波畸变程度，并且利用谐振分析可以有效的避开谐 振位置从而提高电力系统的电能质量。同时为了更 全面地分析ETAP在谐波仿真分析方面的优缺点，本 文在EMTDC和PSASP软件中也搭建了算例模型以 方便对照分析。本文使用的软件版本为ETAP 5.50 版、PSASP 6.25版和PSCAD/EMTDC 4.2.0版。
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基金项目：国家自然科学基金项目（50677004）。
problems in the power energy assessment. KEY WORDS: ETAP；harmonic analysis；frequency scanning； parallel resonance；PSASP；EMTDC 摘要：针对目前电力系统中由于非线性负荷的使用以及某 些可再生能源发电系统的接入导致的谐波问题，首先介绍了 电力系统仿真分析软件ETAP的主要功能和特点，然后在 ETAP中建立算例模型并对其进行谐波仿真分析，同时也在 另外两款仿真分析软件EMTDC和PSASP上对算例模型建模 并导出谐波分析图谱，通过对照进一步说明ETAP在谐波分 析中的优缺点。然后在原算例模型的基础上修改其中的高压 网络短路容量、减少变压器投运数量、改变变压器阻抗以及 增加电动机和无源负荷容量等参数，将仿真所得数据同理论 计算结果对比，并分析这些参数的变化给系统并联谐振点的 位置和幅值，以及谐波畸变程度造成的影响。结果表明，由于 ETAP软件在谐波仿真方面的卓越性能，在面临大规模系统 的规划和电能质量评估方面的问题时，利用ETAP进行预先 的谐波仿真分析可以辅助建立有效的方案降低系统中的谐 波畸变程度，并利用谐振分析可以有效地避开谐振位置,从 而提高电力系统的电能质量。 关键词：ETAP；谐波分析；频率扫描；并联谐振；PSASP； EMTDC
郑杰1,林涛1,毕 1,王思源1，2,曹健1，3徐遐龄4,舒晓丽5,段惠琳5,张小庆6,王建波6
( 1．武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072 ；2．陕西省电力公司，陕西 西安 710000； 3．江苏无锡供电公司，江苏 无锡 214012；4．华中电网有限公司，湖北 武汉 430077； 5．陕西安康供电局，陕西 安康 725000；6．陕西电力科学研究院，陕西 西安 710000；)
ETAP软件的谐波分析模块主要由谐波潮流计 算和谐波频率扫描两部分组成，谐波潮流计算主要 用于计算系统中各次谐波电压和电流的分布情况、 母线电压和支路电流的总有效值以及总体和单次 谐波畸变率等。谐波频率扫描计算又称阻抗扫描，
研究待研究母线输入端阻抗的模值与频率之间的 关系，通过它能够得出母线在指定频率范围内的输 入阻抗模值和相角，对判断线路的谐振点提供了极 大的帮助[12-14]。这两个功能为治理现存网络的谐波 和大规模系统的规划以及电能质量评估方面的问 题提供了有力工具。针对西北电网主网架电压等级 为330 kV的特点，在ETAP中建立比较简单的算例模 型来分析330 kV电压等级电网的谐波问题。
第27卷 第7期 2011年7月
文章编号：1674- 3814（2011）07- 0007- 06
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM743
智能电网 Smart Grid
Vol.27 No.7 Jul. 2011
文献标志பைடு நூலகம்：A
基于电力系统分析软件ETAP的电网谐波分析
Harmonic Analysis of Power Grid Based on Power System
Analysis Software ETAP
ZHENG Jie1, LIN Tao1, BI Yue1, WANG Si-yuan1，2, CAO Jian1，3, XU Xia -ling4, SHU Xiao -li5, DUAN Hui-lin5, ZHANG Xiao-qing6, WANG Jian-bo6
图1 300/33 kV算例模型示意图
此算例模型中的各设备参数如下： 1）高压电网。额定电压300 kV，将其等效为一 个三相电压源和阻抗的串联支路[15]，三相短路容量 为S=4 625 MV·A，线路中的系统抗阻比为X/R=9.1。 2）变压器。电压等级为300 kV/33 kV；额定容 量为200 MV·A；阻抗Z（T 1）=(0.003+j0.15) Ω；连接方式 为300 kV侧Y（直接接地）型接法/33 kV侧Y（经电阻 接地）型接法；接地电阻为R=476.3 Ω。 3）电动机负荷。额定电压为33 kV；有功功率为 P=17.5 MW；功率因数pf=0.89；效率η=92%；负序阻抗 百分数为XM″=20%；感应电机的抗阻比为X/R=10。
Vol.27 No.7
联谐振的可能。谐波对各种电力系统一次设备以及 继电保护、自动计算装置、精密测量仪器和通讯系 统等均带来不利的影响。
西北电网的主网架主要选择330 kV的电压等 级，只有部分地区采用220 kV的设备和网络，导致其 系统谐波问题主要集中在330 kV的输电网中，同时, 西北地区风能和光能资源丰富，风力和光伏发电系 统的使用需要涉及大量的电力电子器件，从而进一 步加大了系统中谐波的畸变程度[10]。
2 利用ETAP软件对算例模型进行谐 波仿真分析
2.1 算例模型简介 此算例为一300 kV/33 kV系统[15]，其33 kV侧母
线和300 kV侧母线之间连接着两台变压器，33 kV 侧母线依次供电给多个变流器驱动装置及滤波器 以及不同类型的高压电动机和一定数量的低压配 电屏。如图1所示，在搭建模型过程中，利用等效电 动机模块模拟电网中的异步机负荷，变流器模块模 拟可再生能源型发电负荷，低压配电屏由无源负荷 模拟。
1 ETAP软件简介
1.1 ETAP软件的总体功能和特点介绍 ETAP（Electrical Transient Analysis Program）是
由美国OTI 公司 (Operation Technology Inc) 开发的 全图形界面的电力系统仿真分析计算软件。
在总体设计上，ETAP采用三维数据库的模式， 通过将每个系统元件的电气、机械、逻辑以及物理 属性部分整合到一个工程电气数据库中，再与图形 显示和系统连线方式以正交方式组织起来，为ETAP 实行数据管理和分析计算提供了更大的方便。
6.Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi′an 710000，Shaanxi Province, China)
ABSTRACT：This paper addresses the harmonic problems caused by nonlinear loads and accession of the renewable energy system．First, the main functions and features of the power system analysis software ETAP are introduced. The model of the example is then established with this software. The harmonic simulation analysis is conducted on the model; meanwhile, the same simulation is made on EMTDC and PSASP, other two power system analysis softwares，and the export data is obtained for comparison so as to gain a further understanding of the advantages and disadvantages of the ETAP in Harmonic Analysis．Then changes are made on the original model such as revising the short -circuit capacity of the high voltage network, reducing the number of transformers put into operation, changing the transformer’s resistance and increasing the motor load capacity. Comparisons are made between the simulation results and those obtained by theoretical calculations. The impacts caused by changes of the parameters of the power system equipment on the frequency and amplitude of the system parallel resonance as well as the harmonic distortion are analyzed. Because of the superior performance, the ETAP software can be used as a powerful tool to make the prior harmonic simulation to reduce the degree of harmonic distortion in the system，and the resonance analysis can help to avoid the resonance position to improve the power quality when we make planning of large -sized power system and address
(1.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072，Hubei Province, China； 2. Shaanxi Electric Power Corporation，Xi′an 710000，Shaanxi Province, China； 3. Wuxi Electric Power Supply Company, Wuxi 214012，Jiangsu Province, China； 4. Central China Grid Company Limited，Wuhan 430077，Hubei Province, China； 5. Ankang Power Supply Bureau，Ankang 725000，Shaanxi Province, China；
智能电网 Smart Grid
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郑杰，等:基于电力系统分析软件ETAP的电网谐波分析
在仿真分析方面,该软件集成了潮流分析、短路 计算、暂态稳定分析、谐波分析、发电机/电动机起动 分析、可靠性分析、继电保护配合、优化潮流、直流 潮流、智能切负荷等模块。ETAP提供了简便快捷的 电力系统模型搭建方式，所有的电力系统参数输入 和连线图操作都可以直接在图形界面上完成，显示 结果一目了然[11]。 1.2 ETAP软件的谐波分析模块功能和特点介绍
面对这样的问题利用ETAP进行预先的谐波仿 真分析可以辅助建立有效的方案降低系统中的谐 波畸变程度，并且利用谐振分析可以有效的避开谐 振位置从而提高电力系统的电能质量。同时为了更 全面地分析ETAP在谐波仿真分析方面的优缺点，本 文在EMTDC和PSASP软件中也搭建了算例模型以 方便对照分析。本文使用的软件版本为ETAP 5.50 版、PSASP 6.25版和PSCAD/EMTDC 4.2.0版。
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基金项目：国家自然科学基金项目（50677004）。
problems in the power energy assessment. KEY WORDS: ETAP；harmonic analysis；frequency scanning； parallel resonance；PSASP；EMTDC 摘要：针对目前电力系统中由于非线性负荷的使用以及某 些可再生能源发电系统的接入导致的谐波问题，首先介绍了 电力系统仿真分析软件ETAP的主要功能和特点，然后在 ETAP中建立算例模型并对其进行谐波仿真分析，同时也在 另外两款仿真分析软件EMTDC和PSASP上对算例模型建模 并导出谐波分析图谱，通过对照进一步说明ETAP在谐波分 析中的优缺点。然后在原算例模型的基础上修改其中的高压 网络短路容量、减少变压器投运数量、改变变压器阻抗以及 增加电动机和无源负荷容量等参数，将仿真所得数据同理论 计算结果对比，并分析这些参数的变化给系统并联谐振点的 位置和幅值，以及谐波畸变程度造成的影响。结果表明，由于 ETAP软件在谐波仿真方面的卓越性能，在面临大规模系统 的规划和电能质量评估方面的问题时，利用ETAP进行预先 的谐波仿真分析可以辅助建立有效的方案降低系统中的谐 波畸变程度，并利用谐振分析可以有效地避开谐振位置,从 而提高电力系统的电能质量。 关键词：ETAP；谐波分析；频率扫描；并联谐振；PSASP； EMTDC
郑杰1,林涛1,毕 1,王思源1，2,曹健1，3徐遐龄4,舒晓丽5,段惠琳5,张小庆6,王建波6
( 1．武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072 ；2．陕西省电力公司，陕西 西安 710000； 3．江苏无锡供电公司，江苏 无锡 214012；4．华中电网有限公司，湖北 武汉 430077； 5．陕西安康供电局，陕西 安康 725000；6．陕西电力科学研究院，陕西 西安 710000；)
ETAP软件的谐波分析模块主要由谐波潮流计 算和谐波频率扫描两部分组成，谐波潮流计算主要 用于计算系统中各次谐波电压和电流的分布情况、 母线电压和支路电流的总有效值以及总体和单次 谐波畸变率等。谐波频率扫描计算又称阻抗扫描，
研究待研究母线输入端阻抗的模值与频率之间的 关系，通过它能够得出母线在指定频率范围内的输 入阻抗模值和相角，对判断线路的谐振点提供了极 大的帮助[12-14]。这两个功能为治理现存网络的谐波 和大规模系统的规划以及电能质量评估方面的问 题提供了有力工具。针对西北电网主网架电压等级 为330 kV的特点，在ETAP中建立比较简单的算例模 型来分析330 kV电压等级电网的谐波问题。
第27卷 第7期 2011年7月
文章编号：1674- 3814（2011）07- 0007- 06
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM743
智能电网 Smart Grid
Vol.27 No.7 Jul. 2011
文献标志பைடு நூலகம்：A
基于电力系统分析软件ETAP的电网谐波分析
Harmonic Analysis of Power Grid Based on Power System
Analysis Software ETAP
ZHENG Jie1, LIN Tao1, BI Yue1, WANG Si-yuan1，2, CAO Jian1，3, XU Xia -ling4, SHU Xiao -li5, DUAN Hui-lin5, ZHANG Xiao-qing6, WANG Jian-bo6
图1 300/33 kV算例模型示意图
此算例模型中的各设备参数如下： 1）高压电网。额定电压300 kV，将其等效为一 个三相电压源和阻抗的串联支路[15]，三相短路容量 为S=4 625 MV·A，线路中的系统抗阻比为X/R=9.1。 2）变压器。电压等级为300 kV/33 kV；额定容 量为200 MV·A；阻抗Z（T 1）=(0.003+j0.15) Ω；连接方式 为300 kV侧Y（直接接地）型接法/33 kV侧Y（经电阻 接地）型接法；接地电阻为R=476.3 Ω。 3）电动机负荷。额定电压为33 kV；有功功率为 P=17.5 MW；功率因数pf=0.89；效率η=92%；负序阻抗 百分数为XM″=20%；感应电机的抗阻比为X/R=10。
Vol.27 No.7
联谐振的可能。谐波对各种电力系统一次设备以及 继电保护、自动计算装置、精密测量仪器和通讯系 统等均带来不利的影响。
西北电网的主网架主要选择330 kV的电压等 级，只有部分地区采用220 kV的设备和网络，导致其 系统谐波问题主要集中在330 kV的输电网中，同时, 西北地区风能和光能资源丰富，风力和光伏发电系 统的使用需要涉及大量的电力电子器件，从而进一 步加大了系统中谐波的畸变程度[10]。
2 利用ETAP软件对算例模型进行谐 波仿真分析
2.1 算例模型简介 此算例为一300 kV/33 kV系统[15]，其33 kV侧母
线和300 kV侧母线之间连接着两台变压器，33 kV 侧母线依次供电给多个变流器驱动装置及滤波器 以及不同类型的高压电动机和一定数量的低压配 电屏。如图1所示，在搭建模型过程中，利用等效电 动机模块模拟电网中的异步机负荷，变流器模块模 拟可再生能源型发电负荷，低压配电屏由无源负荷 模拟。
1 ETAP软件简介
1.1 ETAP软件的总体功能和特点介绍 ETAP（Electrical Transient Analysis Program）是
由美国OTI 公司 (Operation Technology Inc) 开发的 全图形界面的电力系统仿真分析计算软件。
在总体设计上，ETAP采用三维数据库的模式， 通过将每个系统元件的电气、机械、逻辑以及物理 属性部分整合到一个工程电气数据库中，再与图形 显示和系统连线方式以正交方式组织起来，为ETAP 实行数据管理和分析计算提供了更大的方便。
6.Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi′an 710000，Shaanxi Province, China)
ABSTRACT：This paper addresses the harmonic problems caused by nonlinear loads and accession of the renewable energy system．First, the main functions and features of the power system analysis software ETAP are introduced. The model of the example is then established with this software. The harmonic simulation analysis is conducted on the model; meanwhile, the same simulation is made on EMTDC and PSASP, other two power system analysis softwares，and the export data is obtained for comparison so as to gain a further understanding of the advantages and disadvantages of the ETAP in Harmonic Analysis．Then changes are made on the original model such as revising the short -circuit capacity of the high voltage network, reducing the number of transformers put into operation, changing the transformer’s resistance and increasing the motor load capacity. Comparisons are made between the simulation results and those obtained by theoretical calculations. The impacts caused by changes of the parameters of the power system equipment on the frequency and amplitude of the system parallel resonance as well as the harmonic distortion are analyzed. Because of the superior performance, the ETAP software can be used as a powerful tool to make the prior harmonic simulation to reduce the degree of harmonic distortion in the system，and the resonance analysis can help to avoid the resonance position to improve the power quality when we make planning of large -sized power system and address
(1.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072，Hubei Province, China； 2. Shaanxi Electric Power Corporation，Xi′an 710000，Shaanxi Province, China； 3. Wuxi Electric Power Supply Company, Wuxi 214012，Jiangsu Province, China； 4. Central China Grid Company Limited，Wuhan 430077，Hubei Province, China； 5. Ankang Power Supply Bureau，Ankang 725000，Shaanxi Province, China；