ETAP应用论文大赛获奖论文 | 王佳慧：基于ETAP的分布式光伏发电系统仿真研究

摘要：碳达峰、碳中和目标的出台，为我国未来绿色低碳发展绘制了美好蓝图。建设屋顶分布式光伏发电系统，可有效降低企业的碳排放量。自2011年以来，中国成为全球光伏发电安装量增长最快以及光伏电池组件产量最多的国家，光伏并网发电成为太阳能利用的重要方式。光伏电站并网发电由于

ETAP软件光伏发电系统相关功能简介

碳达峰、碳中和目标的出台，为我国未来绿色低碳发展绘制了美好蓝图。建设屋顶分布式光伏发电系统，可有效降低企业的碳排放量。自2011年以来，中国成为全球光伏发电安装量增长最快以及光伏电池组件产量最多的国家，光伏并网发电成为太阳能利用的重要方式。光伏电站并网发电由于其一次能源的波动性而成为电网中具有随机波动特性的电源节点，因此必须在规划阶段进行充分而详实的分析计算，以便确定有利于系统运行的规划方案。ETAP软件在分析电力系统电能质量方面的可行性、先进性已经得到验证。其在原有版本基础上增加了光伏发电系统模块，可进行光伏电源接入系统的电能质量仿真计算。

ETAP软件光伏发电系统模块主要由光伏阵列和逆变器组成，软件中有强大的光伏电池数据库，可以结合实际情况选择设备库中不同类型的光伏电池和逆变器，并根据实际太阳能电池阵列输出的总功率，配置不同串并联型式的光伏电池组合，也可对逆变器的额定值、谐波等属性进行编辑，如设备库中没有满足实际工程需求的设备模块，可自建设备模块，采用软件的编辑功能，根据实际设备样本进行参数设置。

2.1

项目概况

某分布式光伏发电项目装机容量为18MWp，上网模式为自发自用/余电上网，并网电压为20kV。项目光伏开关站20kV侧为单母线接线，2回进线，1回送出线路至光伏接入柜后通过母排与用户现有开关柜搭接，项目不配置无功补偿装置。

将固定安装的晶硅光伏电池组件分成6个2.5MW的光伏发电子系统。每个发电子系统分别配置一台专用变压器，因此该系统共有6台容量为2.5MVA的预装式箱变，放置在户外（T01~T06），型号为SCB11-2500/21，电压比为21±2×2.5%/0.8kV，连接组别Dy11，阻抗电压百分比Uk=6%。光伏发电项目接入示意图见图1。每台2.5MVA的变压器下装有13个容量为196kVA的集中式逆变器。

图 1光伏发电项目接入示意

Fig. 1 Connection diagram of PV power generation project

本工程光伏系统为大型光伏电站，直流侧为1100V，交流侧为800V，采用中压20kV并网，采用该架构具有以下优势：①对于大规模光伏电站，中压电网具有更强的承载能力和适应性，同时便于统一管理和调度，还能提高电网对新能源的消纳能力。②能够更有效地参与电网的调峰、调频、调压等调节任务，为电网提供灵活的电源支撑，增强了电网的稳定性和可靠性。③输电损耗小，相较于低压接入，中压接入长期运行所节省的电费等成本更为显著。④配备了更完善的安全保护装置，如过流保护、过压保护、接地保护等。这些保护装置能够在系统出现故障时迅速动作，切断故障电路，保护设备和人员的安全，降低事故风险。

2.2

基于ETAP软件的光伏发电系统建模

对于容量为2.5MW的发电子系统，在ETAP平台上采用容量为540W的晶硅光伏组件进行仿真，共计26块组件组成该子系统的一组光伏阵列。该组阵列的直流侧电压为1080V，容量为14kW。

在ETAP仿真平台按照工程常用的逆变器型号设置仿真参数。逆变器的额定容量为196kVA，直流侧的额定电压为1080V，交流侧的额定电压为0.8kV。ETAP逆变器编辑器负荷设置界面可根据辐照度设置多种不同的运行工况，如图2所示。本工程设置了10%~100%辐照度10种不同工况，在运行潮流和短路电流计算时可根据实际情况进行选择设置。逆变器编辑器短路模型编辑界面如图3所示，页面参数可根据工程实际产品样本进行设置，如无相关产品样册数据，可基于经验和标准进行设置。

图 2逆变器负荷工况参数设置

Fig. 2 Parameter setting of inverter load conditions

图 3逆变器短路参数设置

Fig. 3 Parameter setting of inverter short circuit

本项目13组光伏阵列各经过容量为196kVA的逆变器后汇流，再经容量为2500kVA的升压变压器（T01~T06）升压至20kV母线。该光伏发电系统共有6个相同的2.5MW光伏发电子系统。T01~T03变压器环连接入汇集站3GPV05回路，T04~T06变压器环连接入汇集站3GPV06回路。该分布式光伏发电子系统的仿真模型，如图4、图5所示。

图 4 光伏发电系统模型仿真图（一）

Fig. 4 PV system model simulation diagram （Ⅰ）

图 5光伏发电系统模型仿真图（二）

Fig. 5 PV system model simulation diagram（Ⅱ）

光伏系统发电潮流及短路电流、动作序列仿真

3.1

潮流仿真

搭建好仿真模型后对其做基波潮流计算。在ETAP平台上，可以选择不同的基波潮流算法，如图6所示。本文选择自适应牛顿-拉夫逊算法进行计算。ETAP平台的潮流计算可以显示出到节点的功率，以及部分线路的线损等。在负荷界面可设置潮流运行工况，如图6所示。本文以辐照度100%和50%两种工况为例，交流潮流仿真结果如图7所示，光伏组串输出直流潮流仿真结果如图8所示，仿真结果与辐照度设置相符。

图 6 光伏发电系统潮流仿真参数设置

Fig. 6 Parameter setting of PV system power flow simulation

图 7辐照度 100 %、50 %工况下交流潮流仿真结果

Fig. 7 AC power flow simulation result under 100 % irradiance and 50 % irradiance working condition

图 8辐照度 100 %、50 %工况下直流潮流仿真结

Fig. 8 DC power flow simulation result under 100 % irradiance and 50 % irradiance working condition

ETAP光伏模块提供了多种辐照度工况设置功能，在进行潮流计算时可选择已设置好的任意一种工况进行交、直流仿真。用户可根据需求选择工况进行潮流计算，使得计算结果和设备选型贴合工程实际。

3.2

自耦变压器降压启动计算（标幺值法）

......

3.3

综保定值上下级选择性

光伏20kV汇流站3GP05、3GP06回路综保设

置原则如下：

a.速断保护为过流Ⅰ段保护，采用定时限保护方式。

b.限时速断保护为过流II段保护，采用定时限保护方式。

c.零序过流保护设置Ⅰ段保护，采用定时限保护方式。

d.保护定值与升压变压器熔断器曲线、励磁涌流曲线形成配合。

依据仿真结果，保护定值设置如表1~表3所示。

采用ETAP的TCC曲线绘制功能对综保定值进行上下级匹配验证（如图13所示），结果可满足要求。

图 13光伏中压接入综保 TCC 曲线

Fig. 13 Integrated protection TCC curve of PV medium‑voltage connection

3.4

保护动作序列验证

基于短路电流计算仿真结果设置综保及低压断路器保护定值后，通过ETAP软件STAR模块“故障插入（PD动作序列）”功能验证三相短路情况下保护设备的动作顺序。在箱变T03环网柜出线母线处设置短路点，三相短路故障情况下，保护动作序列如图14所示：3GPV06综保过流保护Ⅰ段动作—T03变压器进线熔断器动作—汇流站进线综保RL3GPV03过流保护Ⅰ段动作—能源中心出线综保RL900B111-1过流保护Ⅰ段动作—3GPV06断路器、3GPV03断路器、900B111断路器顺序动作，动作顺序正确，未出现越级跳闸情况，说明整定值设置合理，满足保护准确性、速动性要求。