陳躍輝，咼虎，張斌，陳道君，向萌，李晨坤(.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙40004；.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙40007)

基于ADPSS的機電—電磁混合與機電仿真對比分析

陳躍輝1，咼虎2，張斌2，陳道君2，向萌2，李晨坤2
(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

本文基于ADPSS建立了以酒湖特高壓直流接入湖南電網(wǎng)的機電—電磁混合仿真系統(tǒng)，對比分析機電—電磁混合與機電仿真在交直流穩(wěn)態(tài)、直流換相失敗、直流閉鎖故障和直流線路故障等方面的差異，得出了混合仿真和機電仿真分別適用的場景。

全數(shù)字實時仿真裝置(ADPSS)；混合仿真；機電仿真；特高壓直流

酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程已于2015年6月開工，預計將于2017年初投產(chǎn)運行。酒湖特高壓直流的投運在緩解湖南電網(wǎng)用電緊張局面的同時也會給湖南電網(wǎng)帶來不小的安全風險。因此，詳細研究酒湖特高壓直流對湖南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響對指導酒湖特高壓直流的調(diào)試運行具有重要意義。目前在湖南電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析中使用的電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是機電暫態(tài)仿真軟件，其直流采用準穩(wěn)態(tài)模型，對直流換相的電磁暫態(tài)過程無法做到準確模擬〔1－2〕。而常見的純電磁暫態(tài)仿真軟件，如EMTDC/PSCAD，EMTP等，雖然能夠?qū)χ绷鞅旧磉M行精確仿真，但無法對大規(guī)模電網(wǎng)進行快速有效地模擬。中國電力科學研究院開發(fā)的全數(shù)字實時仿真裝置(ADPSS)采用機電—電磁混合仿真技術(shù)，實現(xiàn)了大規(guī)模交流電網(wǎng)機電暫態(tài)仿真和直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的有效結(jié)合，能夠較為準確地模擬直流系統(tǒng)的動態(tài)響應以及交直流系統(tǒng)之間的相互影響，兼顧了大電網(wǎng)仿真的高效性和直流仿真的準確性〔3-5〕。本文基于ADPSS建立酒湖特高壓直流接入湖南電網(wǎng)的機電—電磁混合仿真模型，對比分析機電—電磁混合仿真(ADPSS)與機電暫態(tài)仿真(PSASP)的差異，得出不同仿真手段分別適用的場景，為后續(xù)酒湖特高壓直流的全面仿真分析提供技術(shù)依據(jù)。

1 混合仿真建模

機電—電磁混合仿真與機電仿真的不同之處在于可以將需要詳細模擬電磁變化過程的元件進行電磁暫態(tài)建模，然后選擇合適的機電—電磁暫態(tài)接口，與其它機電暫態(tài)模型形成完整的機電—電磁混合仿真模型。由于電磁暫態(tài)仿真模型達到設定的穩(wěn)態(tài)需要一定的過渡時間，因此基于ADPSS的機電—電磁混合仿真仍是以機電仿真的潮流為初始化條件，通過機電—電磁暫態(tài)接口交互數(shù)據(jù)，待電磁暫態(tài)子網(wǎng)達到穩(wěn)態(tài)后即可進行混合仿真計算〔6〕。

1)在機電暫態(tài)程序中建立研究對象的機電暫態(tài)仿真工程；

2)對機電暫態(tài)仿真工程進行潮流計算；

3)根據(jù)研究需要確定分網(wǎng)方案，即確定電磁暫態(tài)子網(wǎng)和機電暫態(tài)子網(wǎng)；

4)在電磁暫態(tài)程序中建立與電磁暫態(tài)子網(wǎng)完全對應的電磁暫態(tài)仿真工程，添加機電－電磁暫態(tài)接口，并按潮流計算結(jié)果填寫電磁暫態(tài)仿真工程的初始潮流；

5)執(zhí)行機電—電磁混合仿真計算。

綜合考慮接口的復雜程度和計算的準確性，選擇受端湘潭換流站500 kV換流母線為機電—電磁暫態(tài)接口:換流站交流出線及湖南電網(wǎng)其它交流網(wǎng)架采用機電暫態(tài)模型；換流站內(nèi)的交流濾波器及電容器、換流變壓器、換流閥、平波電抗器、直流濾波器、直流線路等采用電磁暫態(tài)模型。酒湖特高壓直流接入湖南電網(wǎng)的機電—電磁混合仿真模型如圖1。

圖1 酒湖特高壓直流接入湖南電網(wǎng)的機電—電磁混合仿真模型示意圖

1.1 機電暫態(tài)子網(wǎng)建模

計算水平年選取酒湖特高壓直流工程投產(chǎn)年2017年。以湖南省年度運行方式數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合新設備投產(chǎn)計劃，搭建220 kV及以上電網(wǎng)網(wǎng)絡，110 kV及以下網(wǎng)絡等效為負荷掛在變壓器的110 kV側(cè)。發(fā)電機數(shù)學模型采用Eq′，Ed″，Eq″變化的5階模型，并計及自動勵磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的影響。負荷模型采用感應電動機和恒定阻抗組合的模型，恒定阻抗比例為35%，感應電動機比例為65%。感應電動機定子繞組漏抗取0.18 p.u.，轉(zhuǎn)子繞組漏抗取0.09 p.u.。

1.2 電磁暫態(tài)子網(wǎng)建模

酒湖—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程輸電線路長度約2 400 km，在甘肅酒泉和湖南湘潭地區(qū)各新建一座換流站(酒泉換流站和湘潭換流站)。兩站均采用雙極、每極兩個十二脈動換流器串聯(lián)接線方式(400 kV＋400 kV)，其主接線示意圖如圖2。

圖2 酒湖特高壓直流主接線示意圖

酒泉換流站和湘潭換流站均采用單相雙繞組換流變壓器，酒泉換流站換流變壓器漏抗為23%，湘潭換流站換流變壓器漏抗為18%，主要參數(shù)見表1，2。

表1 酒泉換流站換流變壓器主要參數(shù)

表2 湘潭換流站換流變壓器主要參數(shù)

直流換流閥采用單只晶閘管模擬，并考慮其并聯(lián)緩沖電路。以六脈動換流橋為基本單元構(gòu)成每極兩個十二脈動串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。酒泉換流站和湘潭換流站的直流濾波器均采用每站每極配置1組2/39雙調(diào)諧濾波器和1組12/24雙調(diào)諧濾波器并聯(lián)方案。此外，酒泉換流站裝設4組BP11/BP13，4組HP24/36，3組HP3交流濾波器(每組容量為265Mvar)和5組并聯(lián)電容器組(每組容量為325Mvar)，共計16小組，總?cè)萘繛? 540Mvar。湘潭換流站裝設8組HP12/24交流濾波器、2組HP3交流濾波器和9組并聯(lián)電容器組(每組容量為260Mvar)，共計19小組，總?cè)萘繛? 940Mvar。

2 交直流穩(wěn)態(tài)對比分析

以2017年夏季大負荷方式，酒湖特高壓直流輸送4 000MW為例，比較機電－電磁混合仿真與機電仿真在交直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的差異。圖3為酒湖特高壓直流整流側(cè)直流電壓的機電－電磁混合仿真與機電仿真的對比波形。

圖3 酒湖特高壓直流整流側(cè)直流電壓波形對比

從圖3可以看出，機電仿真中直流采用準穩(wěn)態(tài)模型，忽略其換相過程，因此機電仿真的直流穩(wěn)態(tài)電壓保持不變的；而機電—電磁混合仿真中直流采用電磁暫態(tài)模型，詳細模擬了直流晶閘管的開斷與換相過程，因此混合仿真的直流電壓呈現(xiàn)“脈動”的特征?；旌戏抡娴闹绷麟妷河行е蹬c機電仿真基本一致。

交流側(cè)500 kV云田站母線電壓，湘潭換流站—云田Ⅰ線有功功率、湘潭換流站—云田Ⅰ線無功功率的機電—電磁混合仿真與機電仿真的對比波形分別如圖4－6所示。

從圖4－6可知，受直流電壓周期性脈動的影響，機電—電磁混合仿真中500 kV云田站母線電壓、湘潭換流站—云田Ⅰ線的有功功率和無功功率都出現(xiàn)周期性的波動。除湘潭換流站—云田Ⅰ線的有功功率與機電仿真的值相差6MW外(偏差率約0.76%)，500 kV云田站母線電壓和湘潭換流站—云田Ⅰ線的無功功率均與機電仿真的波形基本吻合。

圖4 500 kV云田站母線電壓波形對比

圖5 湘潭換流站—云田Ⅰ線有功功率波形對比

圖6 湘潭換流站—云田Ⅰ線無功功率波形對比

3 換相失敗對比分析

換相失敗是直流逆變器常見的故障之一。當逆變器中剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)，如果未能恢復阻斷能力或者在反向電壓期間其換相過程一直未能完成，則在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎螂妷簳r，被換相的閥將向原來預定退出導通的閥倒換相，這種現(xiàn)象被稱為換相失敗〔7〕。換相失敗會引起直流電壓下降和直流電流短時增大，連續(xù)地換相失敗容易引起直流功率降低，甚至造成直流閉鎖。一般晶閘管的關斷時間(從電流過零到恢復正向阻斷能力)約為400～500μs，按一個周期360°對應20ms計算，對應的電角度在7.2°～9.0°，即對應直流的最小關斷角γmin。當直流關斷角γ＜γmin＝7°時，通常認為直流就會發(fā)生換相失敗〔8〕。這是電磁暫態(tài)仿真中常用的換相失敗判據(jù)，也是與實際較為吻合的判據(jù)。由于在機電暫態(tài)仿真軟件PSASP中沒有考慮閥的換相過程，無法輸出直流關斷角γ，因此通常采用逆變側(cè)換流母線電壓Uinv為特征量，當Uinv＜0.7 p.u.時認為直流發(fā)生換相失敗。此法忽略了其他因素對換相失敗的影響，與實際物理過程存在較大差異，因此容易造成誤判。

3.1 交流線路三永故障

故障設置:500 kV長陽鋪－宗元線路宗元側(cè)15:00發(fā)生三永故障，15:09宗元側(cè)三相斷路器跳開，15:10長陽鋪側(cè)三相斷路器跳開。

機電仿真下，500 kV長陽鋪－宗元線路宗元側(cè)三永故障時，湘潭換流站500 kV母線電壓波形如圖7所示。根據(jù)機電仿真下?lián)Q相失敗的判據(jù):換流母線電壓Uinv＜0.7 p.u.即認為直流發(fā)生換相失敗，則長陽鋪－宗元線路宗側(cè)三永故障不會導致酒湖特高壓直流發(fā)生換相失敗。

圖7 機電仿真下長陽鋪－宗元線路宗側(cè)三永故障時湘潭換流站500 kV母線電壓

機電—電磁混合仿真下，500 kV長陽鋪－宗元線路宗元側(cè)三永故障時，湘潭換流站換流器最小關斷角波形如圖8所示。根據(jù)電磁仿真下?lián)Q相失敗的判據(jù):逆變器關斷角γ＜7°即認為直流發(fā)生換相失敗，則長陽鋪－宗元線路宗側(cè)三永故障會導致酒湖特高壓直流發(fā)生一次換相失敗。

圖8 混合仿真下長陽鋪－宗元線路宗側(cè)三永故障時湘潭換流站最小關斷角

對比同樣交流線路三永故障下機電仿真與混合仿真對直流換相失敗分析的結(jié)果可知，對于交流線路三永故障是否導致直流換相失敗，機電－電磁混合仿真結(jié)果比機電仿真結(jié)果更為準確。

3.2 交流線路單永故障

故障設置:500 kV長陽鋪－宗元線路宗元側(cè)A相15:00發(fā)生單永故障，15:09宗元側(cè)A相斷路器跳開，15:10長陽鋪側(cè)A相斷路器跳開，16:00兩側(cè)A相斷路器重合，16:09宗元側(cè)三相斷路器跳開，16:10長陽鋪側(cè)三相斷路器跳開。

機電仿真下，500 kV長陽鋪－宗元線路宗元側(cè)單永故障時，湘潭換流站500 kV母線電壓波形如圖9所示。根據(jù)機電仿真下?lián)Q相失敗的判據(jù):換流母線電壓Uinv＜0.7 p.u.即認為直流發(fā)生換相失敗，則長陽鋪－宗元線路宗側(cè)單永故障不會導致酒湖特高壓直流發(fā)生換相失敗。

圖9 機電仿真下長陽鋪－宗元線路宗側(cè)單永故障時湘潭換流站500 kV母線電壓

機電—電磁混合仿真下，500 kV長陽鋪－宗元線路宗元側(cè)單永故障時，湘潭換流站換流器最小關斷角波形如圖10所示。根據(jù)電磁仿真下?lián)Q相失敗的判據(jù):逆變器關斷角γ＜7°即認為直流發(fā)生換相失敗，則長陽鋪－宗元線路宗側(cè)單永故障會導致酒湖特高壓直流發(fā)生兩次換相失敗。

圖10 混合仿真下長陽鋪－宗元線路宗側(cè)單永故障時湘潭換流站最小關斷角

對比同樣交流線路單永故障下機電仿真與混合仿真對直流換相失敗分析的結(jié)果可知，對于交流線路單永故障是否導致直流換相失敗，機電—電磁混合仿真結(jié)果也比機電仿真結(jié)果更為準確。

4 直流閉鎖故障對比分析

酒湖特高壓直流發(fā)生單極或雙極閉鎖故障，會給湖南電網(wǎng)造成較大的功率缺額，對湖南電網(wǎng)形成很大的沖擊，同時引發(fā)湖南乃至華中電網(wǎng)大范圍的潮流轉(zhuǎn)移，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。造成直流閉鎖的主要原因有換流器故障、直流線路故障、直流輔助設備故障以及嚴重的交流系統(tǒng)故障等。此外直流控制保護設備的故障也容易導致直流閉鎖。

當酒湖特高壓直流發(fā)生閉鎖故障后，其輸入湖南電網(wǎng)的功率將迅速下降到零，這部分功率缺額將導致湖南省內(nèi)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩升高，在調(diào)速器動作前，原動機的機械功率幾乎不變，電磁轉(zhuǎn)矩將大于機械轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子角速度下降，從而引起系統(tǒng)頻率下降。由于湖南電網(wǎng)僅通過3回500 kV線路(葛換－崗市1回，孱陵－常德北2回)與湖北相連。正常運行時，湖北通過3回鄂湘聯(lián)絡線向湖南送電，熱穩(wěn)極限約5 300 MW。酒湖特高壓直流閉鎖后，鄂湘聯(lián)絡線南送的潮流將大幅度增加，極有可能超過其熱穩(wěn)極限。

以2017年夏大酒湖特高壓直流輸送4 000 MW，鄂湘聯(lián)絡線功率置零的方式為例，圖11－13分別是直流雙極閉鎖時，湘潭電廠4號機功角、500 kV鶴嶺站母線電壓和500 kV葛換－崗市線路有功功率的機電—電磁混合仿真與機電仿真波形對比。

圖11 直流雙極閉鎖時湘潭電廠4號機功角的混合仿真與機電仿真波形對比

圖12 直流雙極閉鎖時500 kV鶴嶺站母線電壓的混合仿真與機電仿真波形對比

圖13 直流雙極閉鎖時葛換－崗市線路有功功率的混合仿真與機電仿真波形對比

從上述波形圖可知，直流雙極閉鎖后湖南電網(wǎng)機組功角曲線、500 kV變電站母線電壓和線路有功功率的暫態(tài)變化過程，機電－電磁混合仿真結(jié)果與機電仿真結(jié)果基本一致。在故障前的穩(wěn)態(tài)過程中機電－電磁混合仿真波形相比機電仿真略有波動，這是由于混合仿真中電磁部分的酒湖特高壓直流采用從穩(wěn)態(tài)潮流啟動，在兩側(cè)換流母線上均需要無窮大電源進行鉗位，待直流達到穩(wěn)態(tài)后再將無窮大電源切除，最終達到預設的穩(wěn)態(tài)水平，這個過程需要較長的時間。

5 直流線路故障對比分析

酒湖特高壓直流工程直流線路長達2 400 km。根據(jù)以往直流的運行經(jīng)驗，直流線路因為雷擊、鳥害、樹竹等原因發(fā)生瞬時性接地故障的幾率較高，給直流的安全穩(wěn)定運行帶來一定的隱患。為提高直流運行的可靠性，通常直流控制保護設計時會考慮設置直流線路故障再啟動功能:在直流某極線路瞬時故障清除后，再經(jīng)過一段去游離時間，直流故障極能夠再次啟動恢復正常輸送功率。若瞬時性故障持續(xù)時間較長或者去游離時間后線路絕緣尚未恢復，還可以使直流具備多次再啟動的功能，但需要根據(jù)直流線路故障對電網(wǎng)的沖擊大小來決定采用何種再啟動方案。常見的再啟動方案包括1次全壓再啟動、2次全壓再啟動、1次全壓1次降壓再啟動、2次全壓1次降壓再啟動。

2017年夏大方式，酒湖特高壓直流輸送4 000 MW，再啟動方案選擇1次全壓再啟動時，機電仿真下的酒湖特高壓直流極Ⅰ線路發(fā)生瞬時故障時直流電壓波形如圖14所示。機電—電磁混合仿真下的酒湖特高壓直流極Ⅰ線路發(fā)生瞬時故障時直流電壓波形如圖15所示。兩者的變化趨勢基本一致。

圖14 機電仿真下酒湖直流極Ⅰ線路故障時直流電壓波形

圖15 混合仿真下酒湖直流極Ⅰ線路故障時直流電壓波形

6 結(jié)論

1)機電－電磁混合仿真的交直流穩(wěn)態(tài)潮流與機電暫態(tài)仿真結(jié)果基本一致。

2)交流線路故障對直流換相失敗的影響分析宜采用機電－電磁混合仿真，無論是線路三永故障還是單永故障，其仿真結(jié)果均比機電仿真結(jié)果更為準確。

3)湖南電網(wǎng)500 kV交流線路發(fā)生三永或單永故障正常切除故障線路，均不會導致酒湖特高壓直流閉鎖。

4)直流閉鎖故障和直流線路故障對電網(wǎng)的影響分析均可以采用機電－電磁混合仿真或機電仿真，兩者的仿真結(jié)果基本一致。

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Com parative Analysis of Electromechanical-Electromagnetic Hybrid Simulation and Electromechanical Simulation at Hunan Power Grid Using ADPSS

CHEN Yuehui1，GUO Hu2，ZHANG Bin2，CHEN Daojun2，XIANG Meng2，LIChenkun2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A hybrid simulation system is built by using the advanced digital power system simulator(ADPSS)，in which the UHVDC project from Jiuquan is connected to Hunan power grid.The comparative analysis of hybrid simulation and electromechanical simulation on steady state of AC/DC systems，DC commutation failure，DC block faultand DC line faultare presented in detail.Based on the different simulation results，the application scenarios of hybrid simulation and electromechanical simulation are proposed.

advanced digital power system simulator(ADPSS)；hybrid simulation；electromechanical simulation；UHVDC

TM743

B

1008-0198(2017)03-0001-06

陳躍輝(1965)，男，教授級高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃與安全穩(wěn)定運行，電能質(zhì)量管理等工作。

咼虎(1983)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行分析與仿真工作。

張斌(1965)，女，碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃與運行安全分析，電能質(zhì)量管理等工作。

陳道君(1986)，男，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定計算分析方面的生產(chǎn)和科研工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.001

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目(5216A5150003)

2016-09-02