張 睿，郝文波，胡遠(yuǎn)婷，劉 進(jìn)，張美倫

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

目前針對(duì)交直流相互影響仿真分析大多采用機(jī)電暫態(tài)仿真，雖然交流電網(wǎng)基本已采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建模，但是特高壓直流的建模仍較為簡(jiǎn)化。有部分研究采用了機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真，但大多只是將直流以電磁暫態(tài)建模，電網(wǎng)其余部分均以機(jī)電暫態(tài)建模[1]。由于機(jī)電暫態(tài)模型采用基波相量描述，電磁側(cè)非線性元件引起的波形畸變等諧波特性無(wú)法全部通過(guò)混合仿真接口傳遞至機(jī)電側(cè)，因此在一定程度上影響了計(jì)算的精度[2]。

為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)電網(wǎng)特性，展開(kāi)黑龍江電網(wǎng)全電磁仿真建模分析計(jì)算工作,對(duì)黑龍江電網(wǎng)500 kV交流系統(tǒng)N-1、N-2、直流換相失敗、直流雙極閉鎖等故障開(kāi)展計(jì)算分析，分別進(jìn)行機(jī)電仿真數(shù)據(jù)和全電磁仿真數(shù)據(jù)掃描，從暫態(tài)電壓穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定、電廠出力以及特高壓直流響應(yīng)特性等方面比較不同仿真工具下的差異。

1 交直流互聯(lián)大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)建模工具及模型

采用電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(ADPSS)，主要應(yīng)用軟件包括機(jī)電暫態(tài)計(jì)算程序(PSASP7.51)和電磁暫態(tài)計(jì)算程序(ETSDAC2.6)。該軟件涵蓋了適用于大電網(wǎng)運(yùn)行仿真分析的關(guān)鍵設(shè)備電磁暫態(tài)模型，包括發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器、交流線路、變壓器、直流輸電系統(tǒng)、電力電子設(shè)備、負(fù)荷等各種元件[3]。

1.1 機(jī)電暫態(tài)仿真

機(jī)電暫態(tài)仿真，主要用于分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即用來(lái)分析當(dāng)電力系統(tǒng)在某一正常運(yùn)行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的問(wèn)題。通過(guò)機(jī)電暫態(tài)仿真可以判別系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)頻率穩(wěn)定性[4]。

機(jī)電暫態(tài)仿真的主要功能包括：

1)復(fù)雜故障的模擬;

2)仿真中可考慮各種用戶自定義模型;

3)仿真中可接入Matlab數(shù)字模型;

4)自動(dòng)判穩(wěn)和終止仿真;

5)仿真結(jié)果的Prony分析;

6)大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算;

7)具備物理接口功能。

1.2 電磁暫態(tài)仿真

電磁暫態(tài)仿真，主要用于分析和計(jì)算故障或操作后可能出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流，以便根據(jù)所得到的暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)相關(guān)電力設(shè)備進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確定已有設(shè)備能否安全運(yùn)行，并研究相應(yīng)的限制和保護(hù)措施[5]。

電磁暫態(tài)仿真的主要功能包括：

1)包含豐富的電力系統(tǒng)元件模型，如發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、PT/CT、非線性元件、電力電子元件、直流元件、負(fù)荷元件等;

2)可模擬電力系統(tǒng)的各種暫態(tài)過(guò)程，包括操作暫態(tài)、諧振暫態(tài)、故障暫態(tài)等;

3)具有分網(wǎng)并行計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)或超實(shí)時(shí)仿真;

4)可通過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口接入物理模型或?qū)嶋H控制裝置，進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真研究或裝置試驗(yàn)。

在仿真過(guò)程中可接入繼電保護(hù)設(shè)備、安全自動(dòng)裝置、PSS裝置、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置、SVC控制裝置、HVDC控制裝置等，進(jìn)行裝置的檢驗(yàn)和試驗(yàn)研究。

1.3 ADPSS直流系統(tǒng)模型

ADPSS直流控制系統(tǒng)建模采用經(jīng)典控制模型，整流側(cè)采用定電流控制、低電壓限電流控制，逆變側(cè)采用定電流控制、定關(guān)斷角控制、定電壓控制、低電壓限電流控制[6]。ADPSS直流控制系統(tǒng)中控制器采取定電流、定電壓、定熄弧角的偏差選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器之間的協(xié)調(diào)，其穩(wěn)態(tài)控制方式為整流側(cè)定電流、逆變側(cè)定熄弧角的控制方式。直流控制保護(hù)系統(tǒng)計(jì)算邏輯層次圖如圖1所示。

圖1 直流控制系統(tǒng)圖Fig.1 DC control system diagram

2 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架機(jī)電數(shù)據(jù)核查

機(jī)電數(shù)據(jù)與電磁數(shù)據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，目前PSASP平臺(tái)部分元件參數(shù)缺失，數(shù)據(jù)存在誤差，會(huì)對(duì)全電磁仿真結(jié)果產(chǎn)生較大影響，在機(jī)電模型轉(zhuǎn)電磁模型之前需要對(duì)機(jī)電數(shù)據(jù)進(jìn)行全面核查。

2.1 機(jī)電數(shù)據(jù)核查原則

考慮到部分元件參數(shù)對(duì)機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果影響不大但對(duì)電磁暫態(tài)仿真影響較大[7]，應(yīng)對(duì)“源-網(wǎng)-荷”等各類(lèi)參數(shù)按《機(jī)電數(shù)據(jù)核查規(guī)范》逐一核查，主要包括以下四類(lèi)。

1)發(fā)電機(jī)。同步機(jī)模型號(hào)、發(fā)電機(jī)阻抗、機(jī)組額定參數(shù)等。

2)變壓器。繞組接線方式、激磁電阻電抗、繞組電抗等。

3)線路。線路正序、零序參數(shù)。

4)負(fù)荷。負(fù)荷模型類(lèi)型、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例。

2.2 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架機(jī)電數(shù)據(jù)核查結(jié)果

2.2.1 變壓器核查結(jié)果

校核了黑龍江范圍內(nèi)三繞組變壓器繞組連接方式，按照“站內(nèi)有3臺(tái)變壓器的2臺(tái)變接地，有2臺(tái)變壓器1臺(tái)變接地”的原則，共24處做出修改，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三繞組變壓器核查結(jié)果Table 1 Three winding transformer investigation result

2.2.2 發(fā)電機(jī)核查結(jié)果

校核了黑龍江范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)參數(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)報(bào)告校核，共1處做出修改，修改結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 發(fā)電機(jī)核查結(jié)果Table 2 Generator verification results

2.2.3 線路

校核了黑龍江交流線路參數(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)報(bào)告校核，交流線路正序電阻和零序電阻R1、R0參數(shù)共199處做出修改。

校核了黑龍江交流線路參數(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)報(bào)告校核，交流線路正序電抗和零序電抗X1、X0參數(shù)共200處做出修改。

校核了黑龍江交流線路參數(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)報(bào)告校核，交流線路正序電納B1/2和零序電納B0/2參數(shù)共201處做出修改。

3 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架電磁暫態(tài)建模

東北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架，由東北各分區(qū)自行機(jī)電數(shù)據(jù)校核以及全電磁模型搭建，封裝進(jìn)子電路，進(jìn)行各省交流電網(wǎng)的拼接，并在交流大電網(wǎng)中加入直流模型，最終形成交直流互聯(lián)電網(wǎng)全電磁模型。

3.1 全電磁暫態(tài)建模原則

電磁暫態(tài)仿真的計(jì)算原件模型采用微分方程或偏微分方程描述，機(jī)電暫態(tài)仿真原件模型采用基波相量描述，機(jī)電模型可視作由電磁模型忽略部分電磁暫態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)化而來(lái)，其模型參數(shù)與電磁模型的大部分參數(shù)是一致的，而電磁模型有但機(jī)電模型無(wú)的參數(shù)可按默認(rèn)參數(shù)補(bǔ)齊，故而交流網(wǎng)的機(jī)電暫態(tài)數(shù)據(jù)與其電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)具有良好的互轉(zhuǎn)性[8]，見(jiàn)表3。

表3 機(jī)電-電磁元件模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換映射表Table 3 Mapping table of electromechanical-electromagnetic component model data conversion

3.2 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架電磁暫態(tài)模型校核

黑龍江電網(wǎng)骨干交流電網(wǎng)完成電磁模型轉(zhuǎn)化后與東北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架交流大電網(wǎng)拼接，含有直流的各分區(qū)根據(jù)直流建模方法將各省的電磁暫態(tài)直流模型搭建完成，然后跟交流大電網(wǎng)拼接成交直流大電網(wǎng)，進(jìn)一步與機(jī)電暫態(tài)潮流結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)態(tài)對(duì)比。圖2為東北交直流互聯(lián)電網(wǎng)中黑龍江省部分。

重點(diǎn)觀察電磁模型仿真結(jié)果中各直流近區(qū)母線電壓的幅值和相角、近區(qū)發(fā)電機(jī)功率、交直流交換功率以及直流電壓等數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整直流相關(guān)參數(shù)，使得前述各量較直流加入前變化不大，確保電磁機(jī)電潮流比對(duì)結(jié)果滿足要求。針對(duì)差異較大地區(qū)，需重新按照第一步數(shù)據(jù)核查原則校驗(yàn)核查設(shè)備模型參數(shù)，確保各省220 kV及以上母線電壓偏差小于0.01 p.u.，其余母線電壓偏差小于0.02 p.u.，發(fā)電機(jī)有功偏差小于10 MW，關(guān)鍵斷面有功偏差小于50 MW。

圖2 黑龍江交直流互聯(lián)電網(wǎng)Fig.2 Heilongjiang AC/DC interconnected power grid

4 東北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架交直流大電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)對(duì)比結(jié)果

電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為30 s，選取25～30 s內(nèi)電磁側(cè)與機(jī)電側(cè)的計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)發(fā)電機(jī)功率和母線電壓進(jìn)行對(duì)比。

4.1 發(fā)電機(jī)有功功率結(jié)果對(duì)比

要求電磁暫態(tài)計(jì)算結(jié)果與機(jī)電側(cè)相比，有功絕對(duì)誤差須小于10 MW。該次計(jì)算結(jié)果中有功絕對(duì)誤差最大的10臺(tái)發(fā)電機(jī)和無(wú)功絕對(duì)誤差最大的10臺(tái)發(fā)電機(jī)見(jiàn)表4，都滿足計(jì)算要求。

4.2 母線電壓結(jié)果對(duì)比

要求機(jī)電電磁暫態(tài)結(jié)果對(duì)比中，母線電壓誤差不大于1%。計(jì)算結(jié)果中選取母線電壓誤差最大的10條母線見(jiàn)表5。

如表4～6所示，東北交直流互聯(lián)電網(wǎng)全電磁模型的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與機(jī)電數(shù)據(jù)潮流結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，滿足精度要求。

表4 有功絕對(duì)誤差最大的10臺(tái)機(jī)組Table 4 Ten units with the largest absolute error of active power

表5 母線電壓誤差最大的10臺(tái)機(jī)組Table 5 Ten units with the largest error of bus voltage

表6 聯(lián)絡(luò)線對(duì)比結(jié)果Table 6 Tie line comparison results

5 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)模型與電磁暫態(tài)模型的分析對(duì)比，順利完成了黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架機(jī)電暫態(tài)模型到電磁暫態(tài)模型的轉(zhuǎn)化，并成功將黑換直流模型加入交流網(wǎng)中，最終實(shí)現(xiàn)東北電網(wǎng)交直流互聯(lián)大電網(wǎng)的全電磁暫態(tài)建模。

2)基于電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(ADPSS)對(duì)交直流互聯(lián)大電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)故障仿真計(jì)算，根據(jù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，依托電磁-機(jī)電數(shù)據(jù)對(duì)比程序，對(duì)母線、發(fā)電機(jī)、關(guān)鍵斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果滿足精度要求。