倪尚謙 班連庚 項(xiàng)祖濤

摘要：交直流混合輸電為電網(wǎng)運(yùn)營在技術(shù)上的更新與管理上的模式帶來新的挑戰(zhàn)。文章分析交直流混合輸電模式，對(duì)其電磁暫態(tài)仿真模型進(jìn)行構(gòu)建與分析，首先進(jìn)行交流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型分析，包括數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與錄入以及電磁暫態(tài)仿真模型的搭建，然后對(duì)直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：交直流混合電網(wǎng)；電磁暫態(tài)仿真；模型構(gòu)建

中圖分類號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）26-0107-04

1 概述

我國的能源需求在地理分布上并不均勻，因此建設(shè)特高壓以及超高壓的骨干網(wǎng)架，是電力系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢。當(dāng)前，隨著電力建設(shè)進(jìn)程的發(fā)展，高壓直流輸電已經(jīng)逐步被引入到跨區(qū)域的輸電系統(tǒng)之中，交直流混合電網(wǎng)項(xiàng)目也逐步在全國各地上馬動(dòng)工。然而應(yīng)該看到的是：這種輸電的模式一方面能夠?yàn)閲医?jīng)濟(jì)與電網(wǎng)企業(yè)帶來明顯的效益，另一方面也使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜化，并為其在技術(shù)上的發(fā)展與管理上的模式帶來了新的挑戰(zhàn)。在交直流混合電網(wǎng)中，直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)最大的區(qū)別就在于其特殊的運(yùn)行特性，例如基于直流的輸電模式，其控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間普遍短于交流系統(tǒng)，直流輸電往往能夠在毫秒級(jí)別的時(shí)間之內(nèi)完成響應(yīng)，因此在交流系統(tǒng)的交織下，可以把直流輸電模式看作一個(gè)典型的大負(fù)荷。正是由于直流輸電具備與眾不同的運(yùn)行特點(diǎn)，并且能夠傳輸相對(duì)較大的功率，因此在交直流混合電網(wǎng)中由于交流和直流的互相作用，便可能面臨各類難以解決的技術(shù)難點(diǎn)。包括：如果處于直流輸電網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi)的交流部分出現(xiàn)故障或者障礙時(shí)，便有可能導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)中換流器無法實(shí)現(xiàn)正常換相。在換相的過程里，涉及到復(fù)雜度比較高的電氣量變化，會(huì)在很大程度上影響其附近的繼保設(shè)備，甚至使之誤動(dòng)。因此，如何提高大規(guī)模交直流電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)亟待解決的問題。本文以山東電網(wǎng)為例，分析其在納入直流輸電模式之后，一旦電網(wǎng)中的直流系統(tǒng)發(fā)生故障，有可能為交流帶來何種影響。并以含國家電網(wǎng)公司達(dá)標(biāo)投產(chǎn)的重點(diǎn)工程，也是全國第一條±660千伏電壓等級(jí)的輸電工程——寧東至山東±660千伏的交直流混合電網(wǎng)為例，對(duì)其電磁暫態(tài)仿真模型進(jìn)行構(gòu)建與分析，首先進(jìn)行交流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型分析，包括數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與錄入以及電磁暫態(tài)仿真模型的搭建，然后對(duì)直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型進(jìn)行分析，包括直流系統(tǒng)基本概況的介紹以及各類設(shè)備參數(shù)的選擇，最后在此基礎(chǔ)上闡述了電網(wǎng)混合系統(tǒng)潮流、短路電流的調(diào)節(jié)的思路。本文的成果可以給交直流混合輸電網(wǎng)絡(luò)中的故障瞬態(tài)特征分析提供比較好的理論支持與實(shí)踐借鑒。

2 交流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型分析

對(duì)交直流混合電網(wǎng)進(jìn)行仿真，首先應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)源格式的統(tǒng)一化，然后搭建電磁暫態(tài)仿真模型。本研究是基于PSCAD/EMTDC環(huán)境的，因此所有的數(shù)據(jù)均應(yīng)能符合該環(huán)境之下的要求。本部分關(guān)注的是電網(wǎng)中一旦發(fā)生直流輸電系統(tǒng)的障礙或者故障，以其瞬態(tài)特征為研究對(duì)象，評(píng)估當(dāng)直流換相不成功的時(shí)候會(huì)為交流保護(hù)帶來怎樣的影響，為其構(gòu)建仿真模型。所以，首先應(yīng)該把基于PSASP的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為基于PSCAD的數(shù)據(jù)，從而便于在電力系統(tǒng)仿真分析軟件的環(huán)境中進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真模型的搭建。此類模型的搭建目前的研究成果和實(shí)踐案例并不多，因此結(jié)合山東電網(wǎng)的特點(diǎn)以及交直流混合輸電的具體方案，本文通過以下的思路進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真模型的構(gòu)建：第一步：進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，把基于電力系統(tǒng)分析綜合程序的數(shù)據(jù)映射為基于電力仿真軟件PSCAD的數(shù)據(jù)。第二步：結(jié)合電網(wǎng)的具體情況，以典型的電網(wǎng)方案為基準(zhǔn)，構(gòu)建交流仿真模型。在進(jìn)行不同環(huán)境之下格式轉(zhuǎn)換的時(shí)候，需要考慮的電器參數(shù)包括網(wǎng)內(nèi)的電源、變壓設(shè)備以及無功補(bǔ)償設(shè)備等。第三步：對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，使所構(gòu)建的仿真模型開始運(yùn)行，同時(shí)對(duì)于電網(wǎng)中潮流和短路電流分布進(jìn)行調(diào)整，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后的電氣環(huán)境保持一致。

2.1 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與錄入

2.1.1 變壓設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。在PSCAD環(huán)境中，涉及到變壓器設(shè)備電磁暫態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換的有：變壓器的容量、變壓器工作頻率、變壓器繞組方式等等。采用的具體方法為：

（1）對(duì)于基于電力系統(tǒng)分析綜合程序的變壓設(shè)備所有繞組的短路電壓參數(shù)，可以將其直接轉(zhuǎn)換為基于PSCAD環(huán)境的中漏電抗。

（2）對(duì)于變壓設(shè)備由磁滯損耗和渦流損耗組成鐵耗與銅耗，應(yīng)通過轉(zhuǎn)換，將有名值映射到標(biāo)幺值。舉例來講，電力系統(tǒng)分析綜合程序中，若鐵耗值為24725kW，便能夠映射為PSCAD環(huán)境中的標(biāo)幺值01003495p.u.。如果是將PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序中的銅耗映射到基于PSCAD的環(huán)境，方法是首先將三組短路損耗進(jìn)行求和并除二，獲取其有名值，然后將此有名值映射為標(biāo)幺值。

2.1.2 輸電線路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程：

（1）確定輸電線路模型。由于本研究主要針對(duì)的是輸電線路在動(dòng)態(tài)方面的屬性，所以確定以分布參數(shù)的模型來描述輸電線路。由于是研究電磁暫態(tài)下的屬性，因此經(jīng)過綜合比較，Phase模型適用于頻率變化范圍較大的環(huán)境，因此本研究以Phase模型作為線路模型的描述與仿真方式。

（2）確定輸電線路參數(shù)。在基于PSCAD的分析模式下，我國大部分地區(qū)的超高壓及以上電網(wǎng)均為水平排列方式；在Phase環(huán)境里涉及到的輸電線路數(shù)據(jù)包括：輸電桿塔的高度、電力線路以及接地線，這些數(shù)據(jù)均應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)輸電數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的方法是：第一步：對(duì)輸電線路的物理參數(shù)進(jìn)行確定，并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的修正，保證電力系統(tǒng)分析綜合程序中所獲取的輸電線路參數(shù)和基于PSCAD環(huán)境的參數(shù)保持一致。第二步：對(duì)于接地線涉及的土壤電阻率，則首先選定其缺省值，然后結(jié)合具體情況作出必要的調(diào)整。在做好以上步驟之后，PSCAD支持通過物理參數(shù)獲取所對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)。

2.1.3 無功補(bǔ)償數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。在對(duì)混合電網(wǎng)的無功補(bǔ)償進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，必須了解的數(shù)據(jù)包括無功補(bǔ)償裝置的一些主要參數(shù)，例如電容值以及電抗值等等。所以必須把電力系統(tǒng)仿真分析軟件之下的此類參數(shù)的標(biāo)幺值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為電容值以及電抗值。一般情況下，高壓輸電采用的接線方法均為星形接線。因此本研究也將星形接線方式作為無功補(bǔ)償裝置電容、電抗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接線方式。具體思路為：根據(jù)阻抗值計(jì)算式以及阻抗基準(zhǔn)計(jì)算式，最終經(jīng)過推導(dǎo)，得到無功補(bǔ)償?shù)碾娙葜涤?jì)算式為：

電抗值計(jì)算式為：

2.2 電磁暫態(tài)仿真模型的搭建

2.2.1 確定電源的主接線。對(duì)于電網(wǎng)內(nèi)的大型發(fā)電廠而言，其接線方式均選用了安全性相對(duì)較高的單元接線。考慮到該地區(qū)電網(wǎng)之內(nèi)的發(fā)電廠絕大部分的單機(jī)容量超過了300MW，因此其電源的主接線全部是單元接線。

2.2.2 確定變電站的主接線。結(jié)合（原）水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次部分》的規(guī)定，根據(jù)電網(wǎng)的變電站實(shí)際情況進(jìn)行接線方式的設(shè)置，500kV變電站和220kV變電站接線方式有所不同，前者采取的是規(guī)定中的第三類接線方式，后者則為第一類接線方式。如圖1所示：

2.2.3 確定無功補(bǔ)償接線方式。在電網(wǎng)建設(shè)的工程實(shí)踐中，以星形接線作為電力電容器組接線方式的最優(yōu)選擇。所以，本研究中，對(duì)無功補(bǔ)償裝置選擇了單星形方式。

2.2.4 低電壓電網(wǎng)的等值。為使研究結(jié)論更加明晰，主要將電網(wǎng)里500kV中的直流系統(tǒng)落點(diǎn)以及和直流關(guān)系較大的交流納入等值計(jì)算，而其他低等級(jí)交流適當(dāng)簡化。對(duì)于和直流關(guān)系較大的交流，則精確地納入其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、重要負(fù)荷等內(nèi)容。簡化的前提是不對(duì)電網(wǎng)的重要電氣特性造成較大的影響，簡化之后的結(jié)果能夠進(jìn)一步降低仿真的工作量，并在很大程度上增強(qiáng)仿真效率。本研究結(jié)合文獻(xiàn)中成熟的等值法，把電壓級(jí)別較低的電網(wǎng)等值為一個(gè)獨(dú)立負(fù)荷，如下圖2所示：

等值之后，一方面能夠降低電網(wǎng)的復(fù)雜度，另一方面還能突出網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性。

2.2.5 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的確定。在電網(wǎng)網(wǎng)架的確定中，首先將全部500kV等級(jí)的變電站以及主力電廠納入，通過等值處理，把220kV電網(wǎng)等值為電壓源，從而構(gòu)建出暫態(tài)仿真模型所需的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

3 直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型分析

3.1 系統(tǒng)概況

在基于PSCAD的軟件下，下圖3所示為本研究所涉及的直流輸電系統(tǒng)。系統(tǒng)中的主要部件，包括變壓器、直流線路等全部為詳細(xì)暫態(tài)模型。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)的確定

3.2.1 換流變壓器參數(shù)。系統(tǒng)以單相雙繞組作為兩側(cè)換流變壓器，兩側(cè)分別有十二臺(tái)主變壓器。結(jié)合工程實(shí)踐中直流輸電系統(tǒng)換流站主回路中換流變壓器短路阻抗的參數(shù)選擇原則及方法，將阻抗百分比定位于18%。

3.2.2 平波電抗器參數(shù)。結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)工程實(shí)踐中的高壓直流經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于平波電抗器參數(shù)的計(jì)算并無公式可循，需要經(jīng)過一個(gè)逐步逼近最佳值的過程值。本研究所關(guān)注的是遠(yuǎn)距離高壓直流輸電，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)，一般將平波電抗器參數(shù)工頻電抗標(biāo)幺值設(shè)置在0.2～0.7的區(qū)間之中。本研究取280mH。

3.2.3 直流線路參數(shù)的確定。由于存在電暈的約束，本文所研究電壓等級(jí)的直流線路為避免電暈，必須選擇6分裂導(dǎo)線；為了電磁環(huán)境達(dá)標(biāo)以及可聽噪聲符合相關(guān)行業(yè)和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，本文所研究電壓等級(jí)的直流線路導(dǎo)線截面應(yīng)高于500mm2，綜合考慮所有因素之后，導(dǎo)線參數(shù)選擇6×500mm2。

3.2.4 控制系統(tǒng)參數(shù)的確定。本研究在確定控制系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，結(jié)合我國目前比較成熟的高壓直流輸電系統(tǒng)，其在控制系統(tǒng)的配置方面，一般由3個(gè)層次組成，分別是：極控制層、換流器層以及單獨(dú)控制層。其中，極控制層的功能是分析并轉(zhuǎn)譯由電力調(diào)度部門傳輸來的直流功率相關(guān)指令，對(duì)這些指令進(jìn)行必要的分析之后，向換流器控制層傳輸指令；換流器層的主要功能是將來自極控制層的指令進(jìn)行分析和譯碼，使之成為觸發(fā)角指令的格式，并進(jìn)一步傳送至所有的閥組控制部件；單獨(dú)控制層的功能是控制換流器的分接頭以及無功補(bǔ)償?shù)鹊?。只有來自高層的指令能夠被下面的層次?zhǔn)確譯碼并執(zhí)行，電網(wǎng)才能協(xié)調(diào)準(zhǔn)確地安全運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，就應(yīng)該注意到這些場次在響應(yīng)時(shí)間上存在著很大區(qū)別，隨著層次變高，其在響應(yīng)時(shí)間方面也會(huì)變長。舉例來講，對(duì)于處于較高層次的極控制層而言，其功率階躍響應(yīng)的時(shí)間量級(jí)往往是0.1秒，而處于較低層次的換流器層的響應(yīng)時(shí)間一般在4毫秒以內(nèi)。

（1）極控制層參數(shù)分析。在本研究的建模過程中，極控制層所需的電流指令是系統(tǒng)預(yù)先給定的，因此在這種情況下不必對(duì)電網(wǎng)調(diào)度部門的功率進(jìn)行數(shù)值模擬。因此在本研究中不必對(duì)這一層的參數(shù)進(jìn)行分析。

（2）換流器層參數(shù)的確定。在本研究所設(shè)計(jì)的輸電系統(tǒng)里，換流器控制一方面屬于斷網(wǎng)的基礎(chǔ)控制功能，另一方面也是技術(shù)的核心，其控制過程是將觸發(fā)脈沖作為指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)傳輸功率的配置。

（3）單獨(dú)控制層參數(shù)的確定。單獨(dú)控制層的主要功能是對(duì)變壓器分接頭以及無功補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)行控制。其中，對(duì)分接頭進(jìn)行控制，具體內(nèi)容是對(duì)分接頭的位置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而精確地將逆變器的關(guān)斷角控制在安全范圍以內(nèi)，在實(shí)現(xiàn)此功能時(shí)，應(yīng)和換流器本身的控制過程進(jìn)行配合，具體來看，變壓器的分接頭通常有兩種控制模式，分為角度模式與電壓模式。前者的優(yōu)勢在于可以讓換流器在許多類別的運(yùn)行條件中能夠擁有比較理想的功率因數(shù)。如果電網(wǎng)輸送的直流功率相同，則被換流器所消納的無功一般并不多，則分接頭調(diào)節(jié)的空間變得比較大；而其不足之處在于分接頭的動(dòng)作過多，因此電網(wǎng)的檢修次數(shù)也增多，耗費(fèi)了人力物力。此外，目前比較成熟的換流器，其開關(guān)依舊為機(jī)械原理，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)的耗時(shí)往往多于5秒鐘，可見其響應(yīng)時(shí)間并不理想。通常只將角度模式作為電網(wǎng)的備用調(diào)節(jié)方法。綜上所述，考慮到單獨(dú)控制層缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間不理想，因此在進(jìn)行建模的時(shí)候并不納入此種功能。

4 混合系統(tǒng)潮流的調(diào)節(jié)

結(jié)合以上的分析，本研究給出交直流混合輸電系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)的步驟：

（1）遵循事先擬定的交直流電網(wǎng)運(yùn)行模式，在電力仿真軟件的支持環(huán)境下獲取這種運(yùn)行方式的具體潮流情況。

（2）然后，基于PSCAD的環(huán)境，以第（1）步里完全一樣的交直流混合電網(wǎng)運(yùn)行方式，不斷對(duì)電源出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)等值負(fù)荷，目的是使電力仿真軟件的支持環(huán)境下與PSCAD環(huán)境下潮流達(dá)到一致。

在PSCAD環(huán)境中設(shè)置負(fù)荷模型時(shí)，關(guān)鍵的步驟是選定一些參數(shù)，包括dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ等，并將其取值區(qū)間設(shè)定為[-5，5]。具體到本研究，將PSCAD環(huán)境中dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ均設(shè)置為0，含義是恒功率負(fù)荷。同時(shí)，對(duì)于有功無功的功率均應(yīng)集合具體的潮流進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而使潮流分布能夠保持一致。

5 混合系統(tǒng)短路電流的調(diào)節(jié)

在電力仿真軟件的支持環(huán)境下以及在PSCAD中潮流分布大體相同的條件下，對(duì)交直流混合電網(wǎng)的短路電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的過程為：

（1）在電力仿真軟件的支持下，為混合電網(wǎng)設(shè)定特定運(yùn)行模式，并基于這種模式來獲取三相短路故障的時(shí)候全網(wǎng)的短路電流實(shí)際分布情況。

（2）進(jìn)入PSCAD的環(huán)境，并設(shè)置單位故障與電力仿真軟件相同，通過對(duì)次暫態(tài)電抗的值進(jìn)行漸進(jìn)性的調(diào)整，使電力仿真軟件的支持環(huán)境下與PSCAD環(huán)境下短路電流分布達(dá)到一致。兩種方式之下的短路電流實(shí)際分布及誤差比較如下表1所示，可見誤差在工程誤差允許的范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

本研究在電力仿真軟件的支持環(huán)境下，研究交直流混合輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型，以寧東至山東±660千伏的交直流混合電網(wǎng)為例，在PSCAD環(huán)境下搭建了含直流饋入的電網(wǎng)仿真模型。在仿真模型里對(duì)電網(wǎng)所涉及的各類主要設(shè)備進(jìn)行了模擬，包括火力發(fā)電廠、變壓設(shè)備、電力線路等；然后對(duì)電網(wǎng)涉及到的電源、電氣接線以及無功補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)了其接線。在電力系統(tǒng)仿真分析軟件的支持下，進(jìn)行電網(wǎng)混合系統(tǒng)潮流、短路電流的調(diào)節(jié)。本文的成果有助于提升對(duì)于交直流系統(tǒng)的特性分析水平，具有比較好的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。

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