特高壓交直流電網機電-電磁暫態混合仿真特性分析

賀靜波，張　星，許　濤，于　釗，陳緒江，江　涵

（1.國家電力調度控制中心，北京 100031；2.中國電力科學研究院，北京 100192）

特高壓交直流電網機電-電磁暫態混合仿真特性分析

賀靜波1，張星2，許濤1，于釗1，陳緒江2，江涵2

（1.國家電力調度控制中心，北京 100031；2.中國電力科學研究院，北京 100192）

為深入分析高壓直流系統動態行為對交流系統的影響，同時兼顧交流系統的龐大規模和仿真速度要求，采用了中國電科院開發的機電-電磁混合仿真程序，對三華交流系統進行了機電暫態建模，對7回跨區直流系統進行了詳細電磁暫態建模。計算表明，混合仿真能較好復現實際故障過程，較為準確地對含不對稱故障、多回直流換相失敗在內的故障形態進行模擬；交流系統擾動可能引起多回直流同時換相失敗，對電網產生較大沖擊，需要送、受端交流系統提供更強支撐。

機電-電磁暫態混合仿真；特高壓交流；特高壓直流；電力系統；換相失敗

國家電網已經形成特大型交直流混聯電網結構，其中華北、華中電網經特高壓交流相連，同步電網規模超過4億kW，兩華電網與華東經7回直流（含復奉、錦蘇、賓金3回特高壓直流）相連，三華電網規模超過6億kW［1-4］。交流系統與直流系統交互作用顯著是特大型交直流混聯電網的典型特征之一［5］，而仿真計算是分析電網特性、制定運行控制策略的基礎。大規模交直流混聯電網仿真計算的準確性決定了其控制策略的有效性。

在常規大電網仿真計算中，通常采用成熟的機電暫態仿真程序，如PSASP、BPA。但基于基波相量模型的機電暫態仿真無法模擬高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電、柔性交流輸電系統FACTS（flexible AC transmission system）等電力電子裝置的快速瞬變過程以及飽和元件、非線性元件引起的波形畸變。電磁暫態仿真可以很好地解決電力電子裝置仿真準確性的問題，但是采用瞬時值計算的電磁暫態仿真規模一般不大，而等值化簡會引入仿真誤差［6-9］。隨著電力系統規模的不斷擴大和FACTS、HVDC設備在電網中的廣泛應用，尤其是直流多饋入結構的出現，交直流交互作用逐漸成為影響電網安全穩定的關鍵因素［10-18］，電力系統仿真規模和仿真精度之間的矛盾日益顯現。相互獨立的機電暫態仿真和電磁暫態仿真均難以滿足現代電力系統對仿真的要求，兼顧仿真規模和仿真精度的機電暫態-電磁暫態混合仿真技術得到了較快發展。

機電暫態-電磁暫態混合仿真是指在一次仿真過程中將需要詳細模擬的局部電網采用電磁暫態算法進行計算，將其余電網采用機電暫態算法進行計算，兩者之間通過混合仿真接口進行交互［9］。在一次仿真過程中，機電部分通常采用基波相量模型，仿真步長約10 ms；電磁暫態部分基于瞬時值模型，仿真步長根據電力電子元器件工作的頻率，可取20～200 μs。

中國電科院從2002年開始研究機電-電磁混合仿真程序，目前已開發出實用的程序版本ADPSS和PSMODEL。本文應用ADPSS混合仿真程序開展了特高壓電網多回直流換相失敗故障的仿真分析。首先，檢驗了混合仿真程序對于交直流交互作用典型案例模擬的有效性。然后，在此基礎上利用混合仿真程序，分析了華北-華中-華東混聯電網（以下簡稱三華電網）運行特性。最后，對多回直流同時換相失敗的機理和影響進行了研究總結。

1　三華電網機電-電磁暫態建模

1.1三華電網混合仿真模型

三華電網是典型的特高壓交直流混聯電網，其中華東電網作為跨區送電的大受端，多回直流集中落點長三角地區，形成典型的直流多饋入結構。2014年，隨著賓金特高壓直流的投產，7回直流注入華東電網，總容量達31 760 MW。

圖1　三華電網示意Fig.1　Schematic of North-Central-East China power network

為仿真換相失敗實際案例，本文建立了2013年三華電網模型，其中華中送華東6回直流。在此基礎上，進一步建立了2014年三華電網混合仿真模型，含賓金直流在內的7回直流全部采用電磁暫態詳細仿真，其中包括4回常規直流輸電系統和3回特高壓直流輸電系統；三華交流電網采用機電暫態建模。

機電暫態模型共包含三相節點22 000多個、支路34 000余條、機組2 300多臺；電磁暫態模型包含7回跨區直流輸電線路，每回直流均參照實際系統進行建模，包含換流器、換流變壓器、直流線路、平波電抗、交流/直流濾波器元件及直流輸電控制系統等元件，7回直流電磁暫態模型共包含單相節點2 800多個、晶閘管元件480個、支路3 500多條。

1.2直流電磁暫態建模

7回直流電磁暫態建模過程中，直流一次系統參數主要根據直流成套設計書、直流電磁暫態廠家模型等參數源，采用的仿真模型如表1所示。

表1　直流電磁暫態模型Tab.1　HVDC electromagnetic transient modeling

直流二次系統基于經典的直流控制保護模型，針對具體運行工況和控保特性進行參數調整，其控制保護模型示意如圖2所示。

圖2　ADPSS直流控制保護模型示意Fig.2　Schematic of ADPSS HVDC control model

1.3三華電網混合仿真建模步驟

（1）三華電網機電暫態數據拼接。將華北-華中電網機電暫態數據與華東電網機電暫態數據進行拼接，構成三華電網基礎數據，通過潮流計算和穩定計算驗證了數據有效。

（2）7回直流電磁暫態建模。分別建立華中送華東的各回直流輸電模型，暫用理想電源代替外部交流電網，調整各回直流模型使其穩態運行方式與潮流結果一致。

（3）劃分三華機電暫態網絡，將其分解為交流系統模型與直流系統模型兩部分，定義兩部分接口位置。通過機電-電磁暫態混合仿真接口技術［6-8］，將建立的7回直流電磁暫態模型與三華電網交流機電暫態模型相連，構成三華電網機電-電磁混合仿真算例。

2　多回直流同時換相失敗案例校驗及分析

2.1實際電網中的多回直流同時換相失敗現象

近年來，在受端交流系統擾動下，鄰近多回直流多次發生同時換相失敗。

（1）2012年8月8日、9月3日，上海500 kV線路單永故障，引起復奉、宜華、林楓、葛南4回直流同時換相失敗。

（2）2013年7月5日，上海500 kV線路單瞬故障，引起復奉、宜華、林楓、葛南4回直流同時換相失敗。11月6日，線路單永故障再次引起多回直流同時換相失敗。

2.2混合仿真復現多回直流同時換相失敗

2013年11月6日12：31，華東電網上海地區500 kV泗余5152線C相故障，800 ms后重合不成功線路跳閘，造成復奉直流雙極4換流器2次換相失敗、林楓直流雙極雙換流器2次換相失敗、葛南直流極II雙換流器1次換相失敗。

500 kV泗余5152線C相故障發生后，各回直流換相失敗發生詳細情況如表2所示。直流落點近區交流故障的發生，常伴隨著逆變站換流母線電壓的瞬時跌落，極易導致逆變站發生換相失敗，表2表明換相失敗發生的風險、嚴重程度與電壓瞬時跌落程度相關。故障后南橋換流站交流母線電壓跌落情況比較輕微，因此葛南直流只發生了一次換相失敗。

本文基于ADPSS三華特高壓交直流混聯電網機電-電磁暫態混合仿真模型，仿真再現了上述多回直流換相失敗案例。500 kV泗余5152線C相故障及重合閘過程在機電暫態中仿真，機電側仿真步長為10 ms，電磁側仿真步長為50 μs。

仿真結果表明，南橋站發生一次換相失敗，關斷角仿真波形與關斷角錄波曲線趨勢基本一致，換相失敗過程相同，波形對比如圖3所示；楓涇、奉賢換流站發生2次換相失敗，關斷角仿真波形如圖4所示；其他幾回落點華東的直流未發生換相失敗。

表2　“11.6”各回直流換相失敗發生詳細情況Tab.2　Details of“11.6”commutation failure

圖3　南橋站關斷角仿真波形Fig.3　Simulation of Gama waveforms of Nanqiao station

圖4　楓涇、奉賢換流站關斷角仿真波形Fig.4　Simulation of Gama waveforms of Fengjin and Fengxian station

以上結果表明，混合仿真能較好復現故障過程，較為準確地反映特高壓交直流交互作用過程，對含不對稱故障、換相失敗在內的故障形態進行模擬，適用于對直流仿真精度要求較高的大規模交直流混合電網分析和研究。

2.3混合仿真與機電暫態仿真對比

圖5和圖6對比了對稱和不對稱兩種不同類型的交流系統故障情況下，三華電網機電-電磁暫態混合仿真模型和純機電暫態模型的仿真結果，三相故障等對稱故障下，混合仿真和機電暫態仿真中直流發生換相失敗的情況相同，曲線趨勢基本一致；單相故障等不對稱故障下，混合仿真和機電暫態仿真結果相差較大。

從原理上來說，機電暫態程序中直流采用準穩態模型，基于基波相量方程分析直流動態過程，因此對于不對稱故障的仿真準確性相對較差。

圖5　對稱交流系統故障下混合仿真與機電暫態仿真對比Fig.5　Comparison of simulation results between hybrid simulation and electromechanical simulation transient under symmetrical AC disturbance

圖6　不對稱交流系統故障下混合仿真與機電暫態仿真對比Fig.6　Comparison of simulation results between hybrid simulation and electromechanical transient simulation under asymmetrical AC disturbance

2.4多回直流換相失敗分析

案例中多回直流輸電系統的逆變站通過交流系統的耦合阻抗實現相互作用。耦合阻抗是由受端網絡決定的，與送、受端交流電源等值導納，受端交流系統輸電線路導納密切相關。一條直流換相失敗造成的無功功率波動，會通過耦合阻抗導致其他直流站電壓波動，增加其他直流發生換相失敗的概率。

在機電-電磁混合仿真計算環境中，在相同的交流故障設置下，針對林楓、葛南、復奉3條直流，采用電磁暫態及恒阻抗兩種模型，設置不同的仿真場景，對比分析仿真結果如表3所示。其中恒阻抗模型下，模型原理決定了直流不會發生換相失敗。

表3　多回直流換相失敗多場景仿真1Tab.3　Simulation results（No.1）of multi-HVDC commutation failure in multi-scenarios

仿真結果表明3條直流換相失敗發生的主要原因在于交流系統，而非直流系統內部對外施加影響。

進一步，在不同的線路設置相同的故障，針對林楓、葛南、復奉3條直流，對比分析仿真結果如表4。其中，汾三5902線，牌渡5903線，遠衛5136線電氣距離距直流線路較遠。

表4　多回直流換相失敗多場景仿真2Tab.4　Simulation results（No.2）of multi-HVDC commutation failure in multi-scenarios

由仿真結果可知，隨著故障點與3條直流的電氣距離的增加，換相失敗發生的概率減弱。

因此，直流系統落點于強受端交流系統，或增大直流落點間耦合電氣距離，能降低一個換流站換相失敗導致其他換流站同時或相繼發生換相失敗的風險。

3　三華電網多回直流同時換相失敗仿真分析

2014年，華東電網接入7回直流，交直流交互作用進一步突出。本文基于2014年三華電網混合仿真模型，進一步分析混聯電網同時換相失敗的機理和影響。

換相失敗期間，直流電流增大，同時熄弧角增大；換相失敗恢復過程中，由于直流電流和熄弧角已增大到高于正常水平，換流過程的無功損耗大幅增加；無功損耗的增加又進一步拉低交流母線電壓水平，對交流系統產生影響，使得鄰近直流的換相失敗更容易發生。計算表明，受端地區的交流系統發生故障，可能引發多回直流換相失敗，嚴重情況下甚至引發7回直流同時換相失敗，如圖7所示。

多回直流同時換相失敗，直流大額功率瞬時中斷，將對送、受端交流系統造成巨大能量沖擊。以送華東7回直流而言，多回直流同時換相失敗產生的有功功率沖擊幅值最高可達31 760 MW，從功率跌落到90%恢復的持續時間約300～400 ms。暫態沖擊能量巨大，期間潮流大幅波動，可能超出線路承載能力，導致系統失穩。仿真中出現了交直流各斷面同時負載較重時，電網一些薄弱斷面在多回直流同時換相失敗沖擊期間失穩的現象。

雖然交流擾動發生在受端，但直流功率變化同時作用于送受端，使得送受端系統產生關聯，受端交流系統常規擾動可能經多回直流換相失敗傳導，引起送端交流系統失穩。

圖7　多回直流同時換相失敗仿真有功功率曲線Fig.7　Simulation curves of active power of multi-HVDC commutation failure

由于多回直流換相失敗是交流系統常規單瞬、單永等故障引起的交直流交互作用正常特性，且換相失敗結束后直流功率隨即恢復，無法通過安控切機、切負荷等措施進行防御，只能依靠交流系統本身的承載能力抵御故障沖擊。而多回直流換相失敗產生的沖擊巨大，對系統穩定的影響甚至超過了部分N-2故障，成為運行的制約因素之一。多饋入直流受端結構和多回直流換相失敗擾動形態的出現，客觀上要求送、受端交流系統提高穩定水平，提升無措施下的抗擾動能力。

4　結語

本文建立了三華電網機電-電磁暫態混合仿真模型，數據覆蓋三華220 kV及以上電網，其中華中送華東全部直流采用了電磁暫態詳細模型。在該模型的基礎上，仿真復現了實際系統中發生的多回直流同時換相失敗故障，檢驗了混合仿真技術對于分析交直流交互作用的有效性。分析表明，機電-電磁混合仿真技術能夠對直流輸電及其控制保護系統進行電磁暫態詳細建模，同時避免傳統電磁暫態分析中的系統等值問題，在提高系統分析的準確度的同時，保證了仿真的效率和實用性。

基于三華電網混合仿真數據，本文進一步分析了多回直流同時換相失敗的機理和影響，計算表明，多回直流同時換相失敗對兩側電網產生較大沖擊，可能引起電網連鎖故障，且故障可以由受端電網常規的單瞬、單永故障引發，屬于電網第一道防線防御內容，加強兩側交流電網網架強度是根本措施。

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Electromechanical-electromagnetic Transient Hybrid Simulation on Characteristic Analysis of UHVAC-UHVDC Grid

HE Jingbo1，ZHANG Xing2，XU Tao1，YU Zhao1，CHEN Xujiang2，JIANG Han2
（1.National Power Dispatching and Control Center，Beijing 100031，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

To analyze the influence of ultra-high voltage direct current（HVDC）on the AC system，and meet the demands of simulation scale and the speed of such a large-scale system，electromechanical-electromagnetic hybrid simulation program developed by China Electric Power Research Institute（CEPRI）is adopted in this paper，where 7 cross-regional HVDC links are modeled using electromagnetic transient simulation，and the whole AC system of three regions（North，Central and East China）using electromechanical transient simulation.Simulation results show that the hybrid simulation can reflect the AC-DC interaction process with a better accuracy，and simulate contingencies such as unbalanced fault and multi-HVDC commutation failure；a fault in AC system may cause a simultaneous commutation failure among multiple HVDC links，therefore，it is necessary to strengthen the AC system at both the sending and receiving ends.

electromechanical-electromagnetic transient hybrid simulation；ultra-high voltage alternating current（UHVAC）；ultra-high voltage direct current（UHVDC）；power system；commutation failure

TM712

A

1003-8930（2016）10-0105-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.10.018

2015-06-11；

2016-01-18

賀靜波（1983—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統穩定分析與控制。Email：he-jingbo@sgcc.com.cn

張星（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統穩定分析與控制。Email：zhangxing@epri.sgcc.com.cn

許濤（1976—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統穩定分析與控制。Email：xu-tao@sgcc.com.cn