基于PSCAD/EMTDC的±800 kV祁韶特高壓直流電磁暫態(tài)建模

王燦，羅建波，寧志毫，張可人，左劍，咼虎，羅瀟

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410007)

祁韶特高壓直流工程自甘肅酒泉換流站，途徑甘肅、陜西、重慶、湖北至湖南湘潭換流站，輸電距離約2 413 km，額定電壓±800 kV，設計輸送能力為8 000 MW，是西北大規(guī)模清潔能源的重要輸送通道，工程項目已于2017年6月份正式投運，湖南電網(wǎng)已經(jīng)形成交直流混聯(lián)電網(wǎng)。然而，湖南電網(wǎng)目前正處于特高壓網(wǎng)架建設的初期，主網(wǎng)架結構仍然較為薄弱， “強直弱交”的電網(wǎng)特征越發(fā)明顯。祁韶直流饋入后，不但改變了湖南電網(wǎng)的潮流分布特性、無功功率補償特性，同時影響湖南電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，電網(wǎng)日常調峰調壓的壓力也越來越大。因此，為準確分析交直流系統(tǒng)的交互作用，有必要建立有效的直流仿真模型〔1－4〕。

本文基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，建立了較為準確的祁韶特高壓直流的仿真模型，此模型主要包括主電路模型和控制電路模型，其中主電路設備包括換流器、換流變壓器、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路和接地極等，控制電路包括整流側控制和逆變側控制等〔5－8〕。并利用此模型對穩(wěn)態(tài)運行及直流電流階躍、交直流故障等擾動進行仿真，仿真結果驗證了該模型的正確有效性。

1 PSCAD/EMTDC介紹

本研究所采用的仿真軟件為PSCAD/EMTDC V4.6，其具備較為精確和完整的模型元件庫、強大的數(shù)據(jù)分析計算能力、友好的操作界面以及良好的拓展性 (可與Fotran，C和Matlab接口)等特點，已成為直流輸電方面應用最為廣泛的電磁暫態(tài)仿真軟件。該軟件主要由兩個部分組成，其中PSCAD是軟件的圖形化操作界面，用戶可以方便利用軟件模型庫 (Master Library)中的模型來搭建系統(tǒng)仿真圖，并對仿真的運行、仿真數(shù)據(jù)的管理和參數(shù)設置進行友好操作。EMTDC是軟件的核心，主要由 Network Solution和 System Dynamics組成，其求解引擎構造的主程序能很好協(xié)調輸入輸出、網(wǎng)絡求解和自定義元件之間的關系〔9－11〕。

2 主要技術參數(shù)

祁韶特高壓直流額定直流功率為8 000 MW，額定直流電壓為±800 kV，額定直流電流為5 000 A，酒泉換流站交流系統(tǒng)運行額定電壓為750 kV，湘潭換流站交流系統(tǒng)運行額定電壓為500 kV。直流系統(tǒng)主接線型式采用±800 kV特高壓直流工程通用設計，即每站每極由2個12脈動換流器串聯(lián)構成，平波電抗器按極線和中性線對稱布置，每站每極配置一組直流濾波器 (12/24、2/39次濾波器)，主接線如圖1所示。換流變壓器采用單相雙繞組型式，酒泉換流變壓器短路阻抗為23%，湘潭換流變壓器短路阻抗為18%；酒泉換流站無功功率補償裝置共分為4大組16小組，補償容量為4 240 Mvar；酒泉換流站無功功率補償裝置共分為4大組19小組，補償容量為4 940 Mvar，具體無功功率補償配置見表1。

圖1 祁韶特高壓直流主接線

表1 祁韶特高壓直流無功功率補償配置 Mvar

3 控制策略及運行方式

祁韶特高壓直流控制電路包括整流側控制和逆變側控制，本模型采用CIGRE直流輸電標準中的典型控制策略，其基本控制方式是:整流側為定電流控制，逆變側為定熄弧角控制。同時，整流側還配有最小觸發(fā)角限制控制、低壓限流控制(VDCOL)和最小電流限制控制，逆變側還配有電流偏差控制 (CEC)、低壓限流控制 (VDCOL)和最小電流限制控制。祁韶直流的總體控制電路模型如圖2所示。

圖2 祁韶特高壓直流PSCAD/EMTDC控制模型

直流輸電系統(tǒng)的運行方式取決于整流側和逆變側換流器的控制方式，在上述整流側、逆變側控制策略下，本直流輸電系統(tǒng)的控制特性如圖3所示。圖中，J-Q為整流側控制特性，其中JL為最小觸發(fā)角控制，LM為定電流控制，MO為低電壓限流環(huán)節(jié) (VDCOL)，OQ為最小電流限制控制，使最小電流保持在定電流曲線Id＝0.55上。虛線所示K-I為逆變側控制特性，其中KA為定熄弧角控制，AD為電流偏差控制環(huán)節(jié) (CEC)，DG為逆變側的低壓限流環(huán)節(jié)，GI為逆變側的最小電流限制控制，保持最小電流在定電流曲線的Id＝0.45上，與整流側維持0.1 p.u.(標準值為額定直流電流值)的電流裕度。正常時系統(tǒng)直流電流由整流側定電流控制決定，系統(tǒng)直流電壓由逆變側定熄弧角控制決定，系統(tǒng)運行在A點。

圖3 祁韶直流輸電系統(tǒng)控制特性

4 仿真驗證

基于PSCAD/EMTDC建立的祁韶特高壓直流模型如圖4所示，利用此模型進行一系列暫穩(wěn)態(tài)仿真，以驗證模型的正確性。

圖4 祁韶特高壓直流PSCAD/EMTDC仿真模型

4.1 穩(wěn)態(tài)仿真

對祁韶特高壓直流雙極額定功率下的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)進行仿真分析，直流電壓、直流電流、直流功率、交流功率、交流電流等波形分別如圖5—9所示。從仿真結果可以看出，直流輸電系統(tǒng)在雙極運行時，直流電壓為±800 kV，直流電流為4 988 A，直流功率為7 980 MW，直流電壓、直流電流以及直流功率與額定設計值基本一致；Y/Y、Y/D接法換流變壓器電流波形滿足6脈動換流閥6 K±l(K為正整數(shù))次典型特征諧波的要求；整流側觸發(fā)角為13.8°，逆變側關斷角為17.3°，滿足正常運行時觸發(fā)角與關斷角的規(guī)定范圍。由上分析可以看出，祁韶特高壓直流模型控制策略正確，穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)良好。

圖5 直流電壓波形

圖6 直流電流波形

圖7 直流功率曲線

圖8 交流功率曲線

圖9 交流電流波形

4.2 暫態(tài)仿真

對所建立的祁韶特高壓直流電磁暫態(tài)模型進行直流電流階躍、交直流故障等暫態(tài)過程仿真，仿真工況如下:5 s直流正極電流由1 pu變?yōu)?.9 pu；6 s直流正極電流由1 pu變?yōu)?.9 pu；10 s酒泉換流站三相接地故障，故障時間0.05 s；12 s湘潭換流站三相接地故障，故障時間0.05 s；15 s直流接地故障，故障時間0.05 s。直流電流、直流電壓、直流功率、交流電壓、交流功率等變化曲線分別如圖10—14所示。

圖10 直流電流變化曲線

圖11 直流電壓變化曲線

圖12 直流功率變化曲線

圖13 交流電壓變化曲線

圖14 交流功率變化曲線

由圖10—14可以看出，祁韶特高壓直流電磁暫態(tài)模型動暫態(tài)運行狀態(tài)良好，當控制指令變化或故障清除后，控制策略能夠快速的將系統(tǒng)帶回穩(wěn)定運行點，且并未出現(xiàn)過電壓沖擊、過負荷沖擊等異常現(xiàn)象，與此同時，當祁韶特高壓直流模型一極出現(xiàn)故障時，另一極幾乎不受干擾，僅出現(xiàn)小幅的振蕩。

5 結論

本文基于祁韶特高壓直流的主要技術參數(shù)及控制策略，建立了PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)模型，仿真模型穩(wěn)態(tài)運行電氣量與額定設計值基本一致，且能夠準確的反應直流電流階躍、交直流線路接地故障等動態(tài)、暫態(tài)過程及性能，模型準確有效，為研究交直流系統(tǒng)的交互影響、直流換相失敗、換流站諧波穩(wěn)定性等問題奠定了堅實的基礎。

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