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(xué)研究院，湖南長沙40007)

基于ADPSS的機(jī)電—電磁混合與機(jī)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(xué)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(jī)電—電磁混合仿真系統(tǒng)，對比分析機(jī)電—電磁混合與機(jī)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(jī)電仿真分別適用的場景。

全數(shù)字實(shí)時仿真裝置(ADPSS)；混合仿真；機(jī)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(yù)計(jì)將于2017年初投產(chǎn)運(yùn)行。酒湖特高壓直流的投運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)。因此，詳細(xì)研究酒湖特高壓直流對湖南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響對指導(dǎo)酒湖特高壓直流的調(diào)試運(yùn)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(jī)電暫態(tài)仿真軟件，其直流采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，對直流換相的電磁暫態(tài)過程無法做到準(zhǔn)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(jìn)行精確仿真，但無法對大規(guī)模電網(wǎng)進(jìn)行快速有效地模擬。中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的全數(shù)字實(shí)時仿真裝置(ADPSS)采用機(jī)電—電磁混合仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模交流電網(wǎng)機(jī)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(zhǔn)確地模擬直流系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(zhǔn)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(jī)電—電磁混合仿真模型，對比分析機(jī)電—電磁混合仿真(ADPSS)與機(jī)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(jī)電—電磁混合仿真與機(jī)電仿真的不同之處在于可以將需要詳細(xì)模擬電磁變化過程的元件進(jìn)行電磁暫態(tài)建模，然后選擇合適的機(jī)電—電磁暫態(tài)接口，與其它機(jī)電暫態(tài)模型形成完整的機(jī)電—電磁混合仿真模型。由于電磁暫態(tài)仿真模型達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)態(tài)需要一定的過渡時間，因此基于ADPSS的機(jī)電—電磁混合仿真仍是以機(jī)電仿真的潮流為初始化條件，通過機(jī)電—電磁暫態(tài)接口交互數(shù)據(jù)，待電磁暫態(tài)子網(wǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后即可進(jìn)行混合仿真計(jì)算〔6〕。

1)在機(jī)電暫態(tài)程序中建立研究對象的機(jī)電暫態(tài)仿真工程；

2)對機(jī)電暫態(tài)仿真工程進(jìn)行潮流計(jì)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(jī)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(yīng)的電磁暫態(tài)仿真工程，添加機(jī)電－電磁暫態(tài)接口，并按潮流計(jì)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(jī)電—電磁混合仿真計(jì)算。

綜合考慮接口的復(fù)雜程度和計(jì)算的準(zhǔn)確性，選擇受端湘潭換流站500 kV換流母線為機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)電—電磁混合仿真模型示意圖

1.1 機(jī)電暫態(tài)子網(wǎng)建模

計(jì)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(yùn)行方式數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合新設(shè)備投產(chǎn)計(jì)劃，搭建220 kV及以上電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，110 kV及以下網(wǎng)絡(luò)等效為負(fù)荷掛在變壓器的110 kV側(cè)。發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型采用Eq′，Ed″，Eq″變化的5階模型，并計(jì)及自動勵磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的影響。負(fù)荷模型采用感應(yīng)電動機(jī)和恒定阻抗組合的模型，恒定阻抗比例為35%，感應(yīng)電動機(jī)比例為65%。感應(yīng)電動機(jī)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?yàn)榛締卧獦?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(shè)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(jì)16小組，總?cè)萘繛? 540Mvar。湘潭換流站裝設(shè)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(jì)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(fù)荷方式，酒湖特高壓直流輸送4 000MW為例，比較機(jī)電－電磁混合仿真與機(jī)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(jī)電－電磁混合仿真與機(jī)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(jī)電仿真中直流采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，忽略其換相過程，因此機(jī)電仿真的直流穩(wěn)態(tài)電壓保持不變的；而機(jī)電—電磁混合仿真中直流采用電磁暫態(tài)模型，詳細(xì)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(jī)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(jī)電—電磁混合仿真與機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)逆變器中剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)，如果未能恢復(fù)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(yù)定退出導(dǎo)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?fù)Q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(guān)斷時間(從電流過零到恢復(fù)正向阻斷能力)約為400～500μs，按一個周期360°對應(yīng)20ms計(jì)算，對應(yīng)的電角度在7.2°～9.0°，即對應(yīng)直流的最小關(guān)斷角γmin。當(dāng)直流關(guān)斷角γ＜γmin＝7°時，通常認(rèn)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(shí)際較為吻合的判據(jù)。由于在機(jī)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(guān)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(dāng)Uinv＜0.7 p.u.時認(rèn)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(shí)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(shè)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(jī)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(jī)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(rèn)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(dǎo)致酒湖特高壓直流發(fā)生換相失敗。

圖7 機(jī)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(jī)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(guān)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(guān)斷角γ＜7°即認(rèn)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(dǎo)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(guān)斷角

對比同樣交流線路三永故障下機(jī)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(dǎo)致直流換相失敗，機(jī)電－電磁混合仿真結(jié)果比機(jī)電仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.2 交流線路單永故障

故障設(shè)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(jī)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(jī)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(rèn)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(dǎo)致酒湖特高壓直流發(fā)生換相失敗。

圖9 機(jī)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(jī)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(guān)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(guān)斷角γ＜7°即認(rèn)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(dǎo)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(guān)斷角

對比同樣交流線路單永故障下機(jī)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(dǎo)致直流換相失敗，機(jī)電—電磁混合仿真結(jié)果也比機(jī)電仿真結(jié)果更為準(zhǔn)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(yùn)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(shè)備故障以及嚴(yán)重的交流系統(tǒng)故障等。此外直流控制保護(hù)設(shè)備的故障也容易導(dǎo)致直流閉鎖。

當(dāng)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(dǎo)致湖南省內(nèi)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩升高，在調(diào)速器動作前，原動機(jī)的機(jī)械功率幾乎不變，電磁轉(zhuǎn)矩將大于機(jī)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(yùn)行時，湖北通過3回鄂湘聯(lián)絡(luò)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(luò)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(luò)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(jī)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(jī)電—電磁混合仿真與機(jī)電仿真波形對比。

圖11 直流雙極閉鎖時湘潭電廠4號機(jī)功角的混合仿真與機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)電－電磁混合仿真結(jié)果與機(jī)電仿真結(jié)果基本一致。在故障前的穩(wěn)態(tài)過程中機(jī)電－電磁混合仿真波形相比機(jī)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(jìn)行鉗位，待直流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后再將無窮大電源切除，最終達(dá)到預(yù)設(shè)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(dá)2 400 km。根據(jù)以往直流的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，直流線路因?yàn)槔讚簟ⅧB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(yùn)行帶來一定的隱患。為提高直流運(yùn)行的可靠性，通常直流控制保護(hù)設(shè)計(jì)時會考慮設(shè)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(fù)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(fù)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)電－電磁混合仿真的交直流穩(wěn)態(tài)潮流與機(jī)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(jī)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(jī)電仿真結(jié)果更為準(zhǔn)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(dǎo)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(jī)電－電磁混合仿真或機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(xiàng)目(5216A5150003)

2016-09-02