次同步振蕩研究中一種高壓直流輸電系統等效模型的提出

孫夢雅，張翼凡，藺玉璞

（山東省建筑設計研究院有限公司）

1 引言

高壓直流輸電（HighⅤoltage Direct Current transmission，HⅤDC）是將交流電整流為直流電傳輸，到達受端，再逆變為負荷可用交流電，以減少損耗、提高傳輸功率、提高經濟性的一種輸電方式。由于直流輸電適合大容量遠距離傳輸，且具有非同步聯網和分段分期建設的優點，使得高壓直流輸電（HⅤDC）在我國電網全國聯網、西電東送實施過程中占據不可缺少的地位[1-3]。然而，在帶來巨大經濟效益與便利的同時，高壓直流輸電技術也給輸電系統的安全穩定帶來新挑戰。比如，目前備受關注的次同步振蕩（SSO）問題。次同步振蕩的振蕩頻率低于工頻50Hz，一旦發生會造成嚴重經濟損失。由于特高壓交-直流混合輸電系統電壓等級高，一旦發生次同步振蕩，影響范圍會更廣，嚴重時不僅對相關地區的電網造成影響，還可能發生連鎖反應，甚至導致整個系統的失穩，后果不堪設想。為了研究高壓直流輸電對次同步振蕩的影響，首先須建立可靠的HⅤDC模型。

2 高壓直流輸電(HVDC)仿真模型建立

用MATLAB/Simulink模塊根據高壓直流輸電系統原理，建立高壓直流輸電系統仿真模型，如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電系統仿真模型

圖2為當此直流輸電系統傳輸的有功功率為1000 MW時，有功交流電流、直流電壓、直流電流以及整流側觸發角的波形圖，其中有功功率基準值取1000MW，交流電流的基準值取5800A，直流電壓基準值取800kⅤ，直流電流基準值取12.5kA。

由圖2可知，當此高壓直流輸電系統傳輸1000MW有功功率，即有功標幺值為1時，系統交流部分電流值也在1左右，直流電壓與直流電流的標幺值也在1左右，整流側觸發角約為9°。

圖2 直流系統傳輸有功功率為1 000 MW時各波形圖

由以上分析可知，該仿真模型能可靠運行。

3 高壓直流輸電系統簡化等效模型

上節中建立的高壓直流輸電系統仿真模型是依據高壓直流輸電原理，由晶閘管組成的橋式整流或者逆變電路詳細仿真模型，此模型仿真結果雖然比較準確，但該模型建立較為復雜，并且直流側與交流側存在直接電路耦合，當整個輸電系統比較龐大時，仿真速度會非常慢。因此，為簡化此輸電模型，需建立一種等效高壓直流輸電系統仿真模型。

等效高壓直流輸電模型主要是用交流電流源與直流電壓源代替詳細模型中用晶閘管搭建的換流器（見圖3）。對于整流器：將整流器的交流側等效為三個星接的電流源Ira，Irb，Irc；直流側等效為一個電壓源Udr。主要有三個步驟。

圖3 等效高壓直流輸電系統仿真模型

①需要測量以下量作為已知輸入量：整流橋的輸入電壓Ura，Urb，Urc；整流橋的觸發角α；直流電流Id。

②整流橋的輸入電壓Ura，Urb，Urc通過dq變換得到Urd，Urq。由公式Ur=和公式Udr=1.35Urcosα-可得直流側等效的電壓源電壓Udr，其中Xr1為換流電抗。

逆變器同理，只需將第②步中計算直流電壓的公式改為Udi=1.35Uicosβ+即可，其中β為逆變器觸發角。

圖4中兩信號分別為高壓直流輸電系統等效前，詳細仿真模型所得到仿真結果與等效后高壓直流輸電系統模型所得仿真結果。5個圖線縱坐標從上到下依次為直流電壓ud、直流電流id、有功P、無功Q和觸發角α。藍色實線代表等效前模型各仿真結果，紅色虛線代表等效后模型各仿真結果，在0.3s時設置階躍信號，由圖中結果分析可知，階躍前后，此等效模型運行結果與實際模型運行結果均保持一致。因此，此等效模型正確可行。

圖4 等效前后高壓直流輸電系統仿真結果

4 結語

由于高壓直流輸電在我國輸電網中占據越來越多的比重，一旦其發生次同步振蕩事故，將會造成嚴重經濟損失，為了能詳細準確地分析高壓直流輸電對次同步振蕩地影響，本文首先根據HⅤDC運行原理建立了詳細仿真模型并驗證了其運行可靠性。最后，為了適用于復雜系統次同步振蕩研究，提出一種等效高壓直流輸電系統仿真模型，并給出其等效具體方法，通過分析可知該等效仿真模型仿真效果不僅與實際采用整流橋和逆變橋仿真模型的仿真效果一樣，而且大大提高了仿真速度，減少了諧波地影響。該模型的提出不僅適用于含有高壓直流輸電系統次同步振蕩問題分析，而且對今后含有高壓直流輸電復雜系統地仿真帶來方便，并具有一定指導意義。