基于PSCAD軟件±500kV直流輸電系統操作過電壓仿真研究

黃譯丹+++邱雪梅

摘 要：以某直流輸電系統工程為例，根據其參數利用電磁暫態軟件PSCAD/EMTDC建立仿真模型，模型主要包括等值交流系統、換流變壓器、交直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路及接地極等各電氣設備。運用模型對幾種典型故障進行仿真，結果表明：此模型能夠準確的模擬出直流輸電系統，并為其輸電工程的絕緣、故障分析以及過電壓仿真提供了先決條件與依據，具有很大的實踐意義。

關鍵詞：直流輸電工程；PSCAD；過電壓

1 概述

隨著我國國民經濟的飛躍發展，電力系統作為國民經濟發展不可分割的一部分，其規模發展越來越大，對其安全要求也越來越高。隨著科研人員的潛心研究，電壓等級越來越高、輸送容量越來越大的直流工程在我國建成，等級越高則換流站設備的過電壓水平就越高，從而導致事故出現幾率增大，設備更容易損壞甚至也更加容易造成停電事故，以致于威脅電網運行[1-3]。如何讓所建的直流工程安全運行是電網工作人員需要解決的重要問題，因而研究直流過電壓有著至關重要的意義。

本文通過該模型對高壓直流的典型故障如交流母線單相接地、換流站Y/Y換流變壓器閥側繞組接地和直流極線中點接線故障等進行仿真研究，為高壓直流工程提供依據，為后續高壓直流工程絕緣優化設計提供參考。

2 PSCAD/EMTDC仿真軟件介紹

程序PSCAD/EMTDC是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統分析軟件。在本仿真中主要運用的元件有：交流電源、電阻、電感、變壓器、換流閥、輸電線路等，這些元件直接從元件庫選擇簡單又方便。除此之外，PSCAD還具有一項高級的功能即可以自行創建所需的元件，然后可以將所建元件封裝成為一個新元件，或者采用Fortran或C語言編寫創建一個新元件。只要熟練運用各種元件模型庫，就能搭建所需要的模型。

PSCAD/EMTDC的建模步驟為：

（1）新建一個工程文件，將具體的仿真模型搭建在該工程文件中；（2）搭建完整的仿真所需電氣主接線圖，對其中的元件進行參數設置和對仿真環境進行設置等；（3）保存模型參數，進行編譯；（4）運行并調試模型；（5）分析輸出數據，驗證模型。

3 模型介紹

直流輸電系統主要由換流站和直流輸電線路組成，其中換流站又包括整流站和逆變站。該直流輸電系統為雙極對稱結構，主要的模塊包括換流變壓器、換流器、交直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路和接地極等[4]。其主電路的結構圖如圖1所示。

4 仿真結果及分析

根據模型仿真計算結果可得，當交流系統發生單相接地故障時，換流站母線A相電壓降低，這將使換相角增大，出現短時振蕩現象。另外，會引起線電壓過零點相對移動，使某些閥的關斷越前角減小，故障后逆變側γ角降為0°，小于最小關斷越前角，此時發生換相失敗故障。通過仿真可以清楚地發現極Ⅰ上出現電壓振蕩，在故障清除后快速恢復到額定運行狀態。

當換流變閥側A相發生金屬性接地故障后，經過仿真研究得到，不論是在換流站整流側還是在換流站逆變側，直流系統的中性端與接地點之間經過未發生故障的兩相構成短路回路。以A相作為故障相，當發生Y/Y換流變閥側單相接地短路故障時，直流場內需要釋放直流濾波器和直流極線上的能量，會引起過電壓現象。

當直流線路中點極Ⅰ發生對地短路故障時，極Ⅰ與極Ⅱ的中點極線對地電壓波形如圖2所示。仿真計算得到，由于線路的耦合與感應作用，健全極即極Ⅱ上的電壓波形出現明顯的振蕩過程，并且出現了明顯的過電壓且極Ⅱ產生過電壓高達的708kV。若過電壓超過線路的耐受電壓時，會損毀導線，造成嚴重的事故。

5 結論

運用PSCAD對500kV超高壓直流輸電工程建模，并驗證其正確性。雙極運行時，當系統發生以上三種典型故障時，均會產生短時間的振蕩，出現過電壓，但在故障及時清除后，系統能快速恢復到額定運行狀態。同時雙極運行方式下，各種故障情況下的過電壓均在設備允許范圍內，符合工程的絕緣水平，為以后的高壓直流輸電工程設計提供依據。

參考文獻

[1]梁旭明，張平，常勇.高壓直流輸電技術現狀及發展前景[J].電網技術，2012，36（4）：1-9.

[2]曾南超.高壓直流輸電在我國電網發展中的作用[J].高電壓技術，2004，30（11）：11-12.

[3]趙畹君.高壓直流輸電工程技術（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2011.

[4]謝海濱，屠幼萍，楊鵬程，等.±500kV直流輸電系統雙極運行時的內部過電壓研究[J].寧夏電力，2009（1）：1-5.