用于交直流系統(tǒng)交互影響分析的仿真方法

劉書銘，李瓊林，余曉鵬，李曉萌（河南省電力公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，鄭州450000）

用于交直流系統(tǒng)交互影響分析的仿真方法

劉書銘，李瓊林，余曉鵬，李曉萌
（河南省電力公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，鄭州450000）

對(duì)于遠(yuǎn)距離高壓直流輸電，兩端變流器之間的相互影響可以忽略，但在背靠背聯(lián)網(wǎng)工程中，由于沒有直流線路，整流站和逆變站通常在同一個(gè)換流站內(nèi)，整流側(cè)和逆變側(cè)之間的相互影響不能被忽視。該文以靈寶換流站為例，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證建立的電磁暫態(tài)模型正確合理的基礎(chǔ)上，將機(jī)電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真兩種算法相結(jié)合，采用機(jī)電-電磁混合仿真方法研究了靈寶換流站送受端電網(wǎng)之間、直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的相互影響，解決了單一算法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模交直流系統(tǒng)進(jìn)行仿真的問題。研究所得結(jié)論，對(duì)換流站制定相應(yīng)的防范對(duì)策，提高換流站的運(yùn)行管理水平具有重要意義。

背靠背聯(lián)網(wǎng)工程；交直流系統(tǒng)；短路故障；混合仿真

隨著我國直流輸電工程的廣泛應(yīng)用，有關(guān)換流站特性分析的研究相繼展開，但主要集中于對(duì)單一換流器進(jìn)行研究[1-6]。對(duì)換流站的運(yùn)行特性、交直流系統(tǒng)之間交互影響以及換流站對(duì)當(dāng)前電氣環(huán)境的適應(yīng)性等研究工作在國內(nèi)尚未全面展開。對(duì)于遠(yuǎn)距離高壓直流輸電，兩端變流器之間的相互影響可以忽略，但在背靠背聯(lián)網(wǎng)工程中，由于沒有直流線路，整流站和逆變站通常均放在同一個(gè)換流站內(nèi)，整流側(cè)和逆變側(cè)之間的相互影響就不能忽視。目前，研究交直流電力系統(tǒng)交互影響的重要手段是采用數(shù)字仿真方法[7-10]。考慮到背靠背直流輸電工程的復(fù)雜性，電磁暫態(tài)仿真工具在系統(tǒng)仿真時(shí)具有較好的精度，但由于算法復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的仿真[11-13]。而機(jī)電暫態(tài)仿真采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方程來描述換流器，不能準(zhǔn)確地描述故障后換流器的恢復(fù)過程。因此，將機(jī)電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真兩種算法相結(jié)合，采用機(jī)電-電磁混合仿真，成為研究交直流混聯(lián)系統(tǒng)的必然選擇[14-17]。

靈寶直流輸電工程是我國為數(shù)不多的實(shí)際長期穩(wěn)定運(yùn)行的背靠背聯(lián)網(wǎng)工程，其西北電網(wǎng)側(cè)與330 kV羅敷變相連，在華中電網(wǎng)側(cè)與220 kV紫東變（I期）及500 kV陜州變（II期）相連，是一個(gè)連接3個(gè)交流電壓等級(jí)的背靠背工程，運(yùn)行環(huán)境十分特殊。本文以靈寶背靠背直流輸電工程為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)字仿真分析相結(jié)合的方法，研究了送受端電網(wǎng)之間、直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的相互影響。對(duì)于掌握交直流聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律，提高背靠背直流輸電工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及分析管理水平等具有重要的意義。

1 交直流系統(tǒng)相互作用的數(shù)學(xué)模型

用于研究交直流系統(tǒng)相互作用機(jī)理的等值電路如圖1所示。

圖1交直流系統(tǒng)相互作用的簡化模型Fig.1 Equivalent circuitof AC/DC system

圖1 中Ud、Id為直流電壓和電流；Uδ為換流站交流母線電壓；Pd、Qd為直流側(cè)有功功率和無功功率；Pac、Qac為交流側(cè)有功功率和無功功率；XT為換流變壓器漏抗；Bc為交流濾波器和無功補(bǔ)償電容的等效導(dǎo)納；|Z|θ為交流系統(tǒng)等效阻抗；τ為換流變壓器分接頭；E0為交流系統(tǒng)等效電動(dòng)勢(shì)為換流變壓器閥側(cè)額定電壓；為換流變壓器網(wǎng)側(cè)額定電壓。

交流系統(tǒng)采用戴維南等效電路，計(jì)算等效阻抗Z時(shí)，發(fā)電機(jī)用暫態(tài)電抗表示。對(duì)等效阻抗Z的另一種表達(dá)方式是用短路比的概念。短路比定義為換流站交流母線的短路容量Sac與額定直流功率PdN的比值，即

為了同時(shí)考慮等效阻抗Z和換流站交流濾波器及無功補(bǔ)償電容器的作用，引入了有效短路比的概念。有效短路比定義為

式中，QcN為換流站交流母線電壓U取額定值UN時(shí)，由交流濾波器和無功補(bǔ)償電容器Bc所產(chǎn)生的無功功率。

2 靈寶換流站仿真建模

靈寶背靠背換流站的主要元件有換流閥、換流變壓器、平波電抗器、諧波濾波器、無功功率補(bǔ)償裝置、直流控制系統(tǒng)等，其原理接線如圖2所示。

本文通過對(duì)靈寶換流站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，獲取準(zhǔn)確的實(shí)際數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)備參數(shù)，建立各種理論分析模型和元件仿真模型，并在此基礎(chǔ)上，在PSCAD/ EMTDC仿真軟件中搭建了靈寶換流站的仿真模型。仿真采用的基本控制和靈寶換流站實(shí)際采用的控制方法一致，整流側(cè)采用定電流控制方式，逆變側(cè)采用定電流、定熄弧角控制方式。正常運(yùn)行工況下，逆變側(cè)的定電流控制不起作用，但是當(dāng)實(shí)際直流電流值Id與整定電流值Iorder相差較大，逆變側(cè)的定電流控制就會(huì)取代定熄弧角控制。

圖2 靈寶換流站原理接線Fig.2 Princip le diagraMof Lingbao converter station

表1 I期直流場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 DC field operation parametersof stage I

表2 I期交流進(jìn)線電氣參數(shù)Tab.2 AC field incoMing line electricalparameters of Stage I

為驗(yàn)證仿真模型的正確有效性，本文將靈寶換流站額定值運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果和換流站主要電氣量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，從表1和表2可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)際參數(shù)吻合地較好，從而證明本文所建立的靈寶換流站模型正確合理。

圖3 整流側(cè)故障仿真波形Fig.3 Rectifier fault simulation waveforms

3 靈寶換流站站內(nèi)故障影響

靈寶換流站站內(nèi)故障考慮了整流側(cè)故障、逆變側(cè)故障和交流側(cè)故障3種情況。其整流側(cè)故障點(diǎn)設(shè)置為在0.6 s時(shí)II期整流側(cè)直流母線處發(fā)生瞬時(shí)接地短路，故障持續(xù)時(shí)間為0.2 s，仿真波形如圖3所示。

由圖3可以看出，整流側(cè)直流母線發(fā)生對(duì)地短路故障，直接造成II期直流系統(tǒng)閉鎖，II期直流電流和直流功率很快下降至零；330 kV側(cè)（整流側(cè)）電流增加，線電壓降低，330 kV交流側(cè)通過換流器形成交替發(fā)生的兩相短路和三相短路；500 kV側(cè)（逆變側(cè)）電流很快下降到零，線電壓不受影響。II期直流系統(tǒng)的閉鎖造成500 kV側(cè)吸收的有功功率很快降到零，無功功率明顯增加，I期系統(tǒng)經(jīng)過0.2 s后也停運(yùn)。

對(duì)II期逆變側(cè)直流母線發(fā)生接地短路的仿真結(jié)果表明，故障時(shí)將會(huì)引起II期直流系統(tǒng)閉鎖，逆變側(cè)直流電流和電壓很快下降到零，整流側(cè)直流電壓在接近零附近振蕩，整流側(cè)直流電流在故障時(shí)刻瞬時(shí)增大后又很快減小，在額定電流一半處穩(wěn)定。330 kV側(cè)電流減小，發(fā)出的有功功率降低，發(fā)出的無功功率在故障時(shí)瞬間升高后比原來穩(wěn)定時(shí)略降低；500 kV側(cè)電流很快下降到零。II期直流系統(tǒng)的閉鎖還會(huì)造成500 kV側(cè)吸收的有功功率很快降到接近零的位置，吸收的無功功率明顯升高。

對(duì)換流站交流側(cè)發(fā)生不同形式的短路的仿真結(jié)果表明，故障時(shí)整流側(cè)交流母線電壓的幅值、相位、波形都發(fā)生了不同程度的變化。在故障期間，由于交流電壓降低使直流輸送功率降低，嚴(yán)重時(shí)可降為零。若故障引起整流側(cè)交流母線電壓的變化超出整流側(cè)的可調(diào)范圍時(shí)，直流系統(tǒng)由整流側(cè)定電流控制方式轉(zhuǎn)換為逆變側(cè)定電流控制方式，或者轉(zhuǎn)換為低壓限流的控制方式，以避免直流系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行工況。交流電網(wǎng)的不對(duì)稱故障和復(fù)合故障的電磁暫態(tài)過程，可能造成整流側(cè)相應(yīng)的觸發(fā)角發(fā)生變化，或者引起直流系統(tǒng)暫時(shí)的不穩(wěn)定。例如仿真換流站交流側(cè)相間接地短路故障，將引起直流電流相對(duì)減小，直流電壓降低嚴(yán)重（低于0.3p.u.），直流輸送功率也幾乎降至0，仿真波形如圖4所示。

圖4 交流側(cè)故障仿真波形Fig.4 AC fault simulation waveform

仿真結(jié)果還表明，II期500 kV側(cè)故障對(duì)I期系統(tǒng)也產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)，由于篇幅所限，仿真波形圖從略。

4 換流站與交流系統(tǒng)故障的交互影響

由于換流站的直流線路、換流器等對(duì)快速暫態(tài)過程較為敏感，宜采用步長較小的標(biāo)準(zhǔn)電磁暫態(tài)模型。而對(duì)于交流系統(tǒng)由于其節(jié)點(diǎn)眾多，規(guī)模較大，可使用步長較大的相量模型進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)計(jì)算。本文利用中國電科院研發(fā)的電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真平臺(tái)ADPSS（advanced digital power systeMsimulator），采用機(jī)電-電磁混合仿真的方法對(duì)換流站和交流系統(tǒng)的交互影響進(jìn)行研究。

電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真平臺(tái)ADPSS基于高性能機(jī)群的多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)，對(duì)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)和同步控制，具備大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真功能，并可進(jìn)行外接物理裝置的閉環(huán)試驗(yàn)。混合仿真時(shí)，每個(gè)仿真步長內(nèi)將機(jī)電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)等值為戴維南電路與電磁網(wǎng)絡(luò)連接，將電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)等值為諾頓電路與機(jī)電網(wǎng)絡(luò)連接，機(jī)電、電磁程序可同時(shí)迭代求解。以靈寶換流站二期工程為例，其仿真模型如5所示。混合仿真接口的逆變側(cè)節(jié)點(diǎn)為豫靈寶500，整流側(cè)節(jié)點(diǎn)為陜東南郊330。

圖5 ADPSS換流站模型Fig.5 Lingbao converter stationmodel in ADPSS

利用ADPSS換流站模型進(jìn)行仿真，當(dāng)換流站直流線中點(diǎn)接地故障發(fā)生時(shí)，交流母線電壓及發(fā)電機(jī)功角變化曲線如圖6所示，故障的持續(xù)時(shí)間為0.1 s。

圖6 直流故障仿真曲線Fig.6 DC faultsimulation curves

從圖6可以看出，由于故障中無功潮流注入機(jī)電網(wǎng)中，反而使機(jī)電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓略微升高，發(fā)電機(jī)功角在故障清除之后恢復(fù)，發(fā)電機(jī)能夠保持穩(wěn)定。若逆變側(cè)母線發(fā)生相間故障，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，交流母線電壓及發(fā)電機(jī)功角變化曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，由于故障使得機(jī)電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電壓降低明顯，尤其是豫陜州500母線降至0.5 p.u左右，發(fā)電機(jī)功角在故障清除之后恢復(fù)，發(fā)電機(jī)能夠保持穩(wěn)定。

圖7 逆變側(cè)母線相間故障仿真曲線Fig.7 Inverter bus fault simulation curve

5 結(jié)語

本文通過詳細(xì)的調(diào)研和收資，建立了靈寶換流站的電磁暫態(tài)模型，并利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確合理性。在此基礎(chǔ)上，采用機(jī)電-電磁混合仿真方法研究了靈寶換流站送受端電網(wǎng)之間、直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的相互影響。本文所得的相關(guān)仿真結(jié)果，對(duì)于掌握交直流聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律，提高背靠背直流輸電對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的影響分析水平，對(duì)靈寶換流站制定相應(yīng)的故障防范措施，提升換流站的運(yùn)行管理水平等具有重要的參考價(jià)值。

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Method for AC-DC SysteMInteraction Simulation Analysis

LIUShuming，LIQionglin，YUXiaopeng，LIXiaomeng
（HAEPCElectric Power Research Institute，Zhengzhou 450000，China）

For long distance high voltage DC transmission，the interaction of converter between the transmission line ends can be neglected.Howeverdue to the back-to-back interconnection projectwithoutDC line，rectifierand inverter station are often located in the same converter station，themutual influence between the rectifier and the inverter side cannotbe ignored.This paperhighlights the case of Lingbao converter station，initially verifies that the electromagnetic transientmodel is correctviameasured data，then utilizesin a hybridmethod ofelectromechanicaland electromagnetic hybrid simulation to study the interaction between sending and receiving grid of Lingbao converter station aswellas the interaction between AC systeMand DC system.，and has solved the probleMthatsingle algorithMis difficult to implement large scale AC/DC systeMsimulation.The result of the research is helpful for converter station tomake correspondingprevention countermeasuresand toenhance theoperation andmanagement level.

back to back interconnection；ACand DCsystem；shortcircuit fault；hybrid simulation

TM74

A

1003-8930（2015）02-0092-06

劉書銘（1984—），男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)諧波、電能質(zhì)量方面的研究工作。Email：losuwing@126.com

2012-12-20；

2013-07-09

李瓊林（1980—），男，博士，高級(jí)工程師，從事電能質(zhì)量分析與控制、FACTS等方面的研究。Email：yingshanli-2001@163. com

余曉鵬（1974—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)分析及電能質(zhì)量方面的研究工作。Email：yuxiaopeng@163.com