交直流混合電網電磁暫態仿真模型構建與分析

倪尚謙 班連庚 項祖濤

摘要：交直流混合輸電為電網運營在技術上的更新與管理上的模式帶來新的挑戰。文章分析交直流混合輸電模式，對其電磁暫態仿真模型進行構建與分析，首先進行交流系統電磁暫態仿真模型分析，包括數據的轉換與錄入以及電磁暫態仿真模型的搭建，然后對直流系統電磁暫態仿真模型進行分析。

關鍵詞：交直流混合電網；電磁暫態仿真；模型構建

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：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，因此建設特高壓以及超高壓的骨干網架，是電力系統發展的大趨勢。當前，隨著電力建設進程的發展，高壓直流輸電已經逐步被引入到跨區域的輸電系統之中，交直流混合電網項目也逐步在全國各地上馬動工。然而應該看到的是：這種輸電的模式一方面能夠為國家經濟與電網企業帶來明顯的效益，另一方面也使得電網結構日趨復雜化，并為其在技術上的發展與管理上的模式帶來了新的挑戰。在交直流混合電網中，直流系統與交流系統最大的區別就在于其特殊的運行特性，例如基于直流的輸電模式，其控制系統的響應時間普遍短于交流系統，直流輸電往往能夠在毫秒級別的時間之內完成響應，因此在交流系統的交織下，可以把直流輸電模式看作一個典型的大負荷。正是由于直流輸電具備與眾不同的運行特點，并且能夠傳輸相對較大的功率，因此在交直流混合電網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難點。包括：如果處于直流輸電網絡范圍之內的交流部分出現故障或者障礙時，便有可能導致直流輸電系統中換流器無法實現正常換相。在換相的過程里，涉及到復雜度比較高的電氣量變化，會在很大程度上影響其附近的繼保設備，甚至使之誤動。因此，如何提高大規模交直流電網的可靠性和經濟性，是一個亟待解決的問題。本文以山東電網為例，分析其在納入直流輸電模式之后，一旦電網中的直流系統發生故障，有可能為交流帶來何種影響。并以含國家電網公司達標投產的重點工程，也是全國第一條±660千伏電壓等級的輸電工程——寧東至山東±660千伏的交直流混合電網為例，對其電磁暫態仿真模型進行構建與分析，首先進行交流系統電磁暫態仿真模型分析，包括數據的轉換與錄入以及電磁暫態仿真模型的搭建，然后對直流系統電磁暫態仿真模型進行分析，包括直流系統基本概況的介紹以及各類設備參數的選擇，最后在此基礎上闡述了電網混合系統潮流、短路電流的調節的思路。本文的成果可以給交直流混合輸電網絡中的故障瞬態特征分析提供比較好的理論支持與實踐借鑒。

2 交流系統電磁暫態仿真模型分析

對交直流混合電網進行仿真，首先應進行數據源格式的統一化，然后搭建電磁暫態仿真模型。本研究是基于PSCAD/EMTDC環境的，因此所有的數據均應能符合該環境之下的要求。本部分關注的是電網中一旦發生直流輸電系統的障礙或者故障，以其瞬態特征為研究對象，評估當直流換相不成功的時候會為交流保護帶來怎樣的影響，為其構建仿真模型。所以，首先應該把基于PSASP的所有數據進行轉換，使之成為基于PSCAD的數據，從而便于在電力系統仿真分析軟件的環境中進行電磁暫態仿真模型的搭建。此類模型的搭建目前的研究成果和實踐案例并不多，因此結合山東電網的特點以及交直流混合輸電的具體方案，本文通過以下的思路進行電磁暫態仿真模型的構建：第一步：進行數據格式的轉換，把基于電力系統分析綜合程序的數據映射為基于電力仿真軟件PSCAD的數據。第二步：結合電網的具體情況，以典型的電網方案為基準，構建交流仿真模型。在進行不同環境之下格式轉換的時候，需要考慮的電器參數包括網內的電源、變壓設備以及無功補償設備等。第三步：對程序進行調試，使所構建的仿真模型開始運行，同時對于電網中潮流和短路電流分布進行調整，使數據轉換前后的電氣環境保持一致。

2.1 數據的轉換與錄入

2.1.1 變壓設備的數據轉換過程。在PSCAD環境中，涉及到變壓器設備電磁暫態環境的數據，需要轉換的有：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）對于基于電力系統分析綜合程序的變壓設備所有繞組的短路電壓參數，可以將其直接轉換為基于PSCAD環境的中漏電抗。

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

2.1.2 輸電線路的數據轉換過程：

（1）確定輸電線路模型。由于本研究主要針對的是輸電線路在動態方面的屬性，所以確定以分布參數的模型來描述輸電線路。由于是研究電磁暫態下的屬性，因此經過綜合比較，Phase模型適用于頻率變化范圍較大的環境，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。在基于PSCAD的分析模式下，我國大部分地區的超高壓及以上電網均為水平排列方式；在Phase環境里涉及到的輸電線路數據包括：輸電桿塔的高度、電力線路以及接地線，這些數據均應進行轉換。對輸電數據進行格式轉換的方法是：第一步：對輸電線路的物理參數進行確定，并對所有數據進行合理的修正，保證電力系統分析綜合程序中所獲取的輸電線路參數和基于PSCAD環境的參數保持一致。第二步：對于接地線涉及的土壤電阻率，則首先選定其缺省值，然后結合具體情況作出必要的調整。在做好以上步驟之后，PSCAD支持通過物理參數獲取所對應的電氣參數。

2.1.3 無功補償數據轉換過程。在對混合電網的無功補償進行數據轉換時，必須了解的數據包括無功補償裝置的一些主要參數，例如電容值以及電抗值等等。所以必須把電力系統仿真分析軟件之下的此類參數的標幺值進行轉換，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償裝置電容、電抗數據轉換的接線方式。具體思路為：根據阻抗值計算式以及阻抗基準計算式，最終經過推導，得到無功補償的電容值計算式為：

電抗值計算式為：

2.2 電磁暫態仿真模型的搭建

2.2.1 確定電源的主接線。對于電網內的大型發電廠而言，其接線方式均選用了安全性相對較高的單元接線。考慮到該地區電網之內的發電廠絕大部分的單機容量超過了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。結合（原）水利電力部西北電力設計院《電力工程電氣設計手冊電氣一次部分》的規定，根據電網的變電站實際情況進行接線方式的設置，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 確定無功補償接線方式。在電網建設的工程實踐中，以星形接線作為電力電容器組接線方式的最優選擇。所以，本研究中，對無功補償裝置選擇了單星形方式。

2.2.4 低電壓電網的等值。為使研究結論更加明晰，主要將電網里500kV中的直流系統落點以及和直流關系較大的交流納入等值計算，而其他低等級交流適當簡化。對于和直流關系較大的交流，則精確地納入其網架結構、重要負荷等內容。簡化的前提是不對電網的重要電氣特性造成較大的影響，簡化之后的結果能夠進一步降低仿真的工作量，并在很大程度上增強仿真效率。本研究結合文獻中成熟的等值法，把電壓級別較低的電網等值為一個獨立負荷，如下圖2所示：

等值之后，一方面能夠降低電網的復雜度，另一方面還能突出網絡動態特性。

2.2.5 電網結構的確定。在電網網架的確定中，首先將全部500kV等級的變電站以及主力電廠納入，通過等值處理，把220kV電網等值為電壓源，從而構建出暫態仿真模型所需的電網網架結構。

3 直流系統電磁暫態仿真模型分析

3.1 系統概況

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。系統中的主要部件，包括變壓器、直流線路等全部為詳細暫態模型。

3.2 系統參數的確定

3.2.1 換流變壓器參數。系統以單相雙繞組作為兩側換流變壓器，兩側分別有十二臺主變壓器。結合工程實踐中直流輸電系統換流站主回路中換流變壓器短路阻抗的參數選擇原則及方法，將阻抗百分比定位于18%。

3.2.2 平波電抗器參數。結合電網建設工程實踐中的高壓直流經驗，對于平波電抗器參數的計算并無公式可循，需要經過一個逐步逼近最佳值的過程值。本研究所關注的是遠距離高壓直流輸電，結合相關文獻以及工程經驗，一般將平波電抗器參數工頻電抗標幺值設置在0.2～0.7的區間之中。本研究取280mH。

3.2.3 直流線路參數的確定。由于存在電暈的約束，本文所研究電壓等級的直流線路為避免電暈，必須選擇6分裂導線；為了電磁環境達標以及可聽噪聲符合相關行業和環保標準，本文所研究電壓等級的直流線路導線截面應高于500mm2，綜合考慮所有因素之后，導線參數選擇6×500mm2。

3.2.4 控制系統參數的確定。本研究在確定控制系統參數時，結合我國目前比較成熟的高壓直流輸電系統，其在控制系統的配置方面，一般由3個層次組成，分別是：極控制層、換流器層以及單獨控制層。其中，極控制層的功能是分析并轉譯由電力調度部門傳輸來的直流功率相關指令，對這些指令進行必要的分析之后，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行分析和譯碼，使之成為觸發角指令的格式，并進一步傳送至所有的閥組控制部件；單獨控制層的功能是控制換流器的分接頭以及無功補償等等。只有來自高層的指令能夠被下面的層次準確譯碼并執行，電網才能協調準確地安全運行，為了實現此目標，就應該注意到這些場次在響應時間上存在著很大區別，隨著層次變高，其在響應時間方面也會變長。舉例來講，對于處于較高層次的極控制層而言，其功率階躍響應的時間量級往往是0.1秒，而處于較低層次的換流器層的響應時間一般在4毫秒以內。

（1）極控制層參數分析。在本研究的建模過程中，極控制層所需的電流指令是系統預先給定的，因此在這種情況下不必對電網調度部門的功率進行數值模擬。因此在本研究中不必對這一層的參數進行分析。

（2）換流器層參數的確定。在本研究所設計的輸電系統里，換流器控制一方面屬于斷網的基礎控制功能，另一方面也是技術的核心，其控制過程是將觸發脈沖作為指令，實現對電網傳輸功率的配置。

（3）單獨控制層參數的確定。單獨控制層的主要功能是對變壓器分接頭以及無功補償等進行控制。其中，對分接頭進行控制，具體內容是對分接頭的位置進行自動調整，從而精確地將逆變器的關斷角控制在安全范圍以內，在實現此功能時，應和換流器本身的控制過程進行配合，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。前者的優勢在于可以讓換流器在許多類別的運行條件中能夠擁有比較理想的功率因數。如果電網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，則分接頭調節的空間變得比較大；而其不足之處在于分接頭的動作過多，因此電網的檢修次數也增多，耗費了人力物力。此外，目前比較成熟的換流器，其開關依舊為機械原理，對其進行調節的耗時往往多于5秒鐘，可見其響應時間并不理想。通常只將角度模式作為電網的備用調節方法。綜上所述，考慮到單獨控制層缺點是響應時間不理想，因此在進行建模的時候并不納入此種功能。

4 混合系統潮流的調節

結合以上的分析，本研究給出交直流混合輸電系統潮流調節的步驟：

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

（2）然后，基于PSCAD的環境，以第（1）步里完全一樣的交直流混合電網運行方式，不斷對電源出力進行調節，并調節等值負荷，目的是使電力仿真軟件的支持環境下與PSCAD環境下潮流達到一致。

在PSCAD環境中設置負荷模型時，關鍵的步驟是選定一些參數，包括dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ等，并將其取值區間設定為[-5，5]。具體到本研究，將PSCAD環境中dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ均設置為0，含義是恒功率負荷。同時，對于有功無功的功率均應集合具體的潮流進行適當的調節，從而使潮流分布能夠保持一致。

5 混合系統短路電流的調節

在電力仿真軟件的支持環境下以及在PSCAD中潮流分布大體相同的條件下，對交直流混合電網的短路電流進行調節。具體的過程為：

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

（2）進入PSCAD的環境，并設置單位故障與電力仿真軟件相同，通過對次暫態電抗的值進行漸進性的調整，使電力仿真軟件的支持環境下與PSCAD環境下短路電流分布達到一致。兩種方式之下的短路電流實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。

6 結語

本研究在電力仿真軟件的支持環境下，研究交直流混合輸電系統的電磁暫態仿真模型，以寧東至山東±660千伏的交直流混合電網為例，在PSCAD環境下搭建了含直流饋入的電網仿真模型。在仿真模型里對電網所涉及的各類主要設備進行了模擬，包括火力發電廠、變壓設備、電力線路等；然后對電網涉及到的電源、電氣接線以及無功補償等設計了其接線。在電力系統仿真分析軟件的支持下，進行電網混合系統潮流、短路電流的調節。本文的成果有助于提升對于交直流系統的特性分析水平，具有比較好的理論價值與實踐意義。

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