黑龍江電網全電磁暫態建模研究

張 睿，郝文波，胡遠婷，劉 進，張美倫

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

目前針對交直流相互影響仿真分析大多采用機電暫態仿真，雖然交流電網基本已采用實測數據建模，但是特高壓直流的建模仍較為簡化。有部分研究采用了機電-電磁暫態混合仿真，但大多只是將直流以電磁暫態建模，電網其余部分均以機電暫態建模[1]。由于機電暫態模型采用基波相量描述，電磁側非線性元件引起的波形畸變等諧波特性無法全部通過混合仿真接口傳遞至機電側，因此在一定程度上影響了計算的精度[2]。

為準確認識電網特性，展開黑龍江電網全電磁仿真建模分析計算工作,對黑龍江電網500 kV交流系統N-1、N-2、直流換相失敗、直流雙極閉鎖等故障開展計算分析，分別進行機電仿真數據和全電磁仿真數據掃描，從暫態電壓穩定性、功角穩定、電廠出力以及特高壓直流響應特性等方面比較不同仿真工具下的差異。

1 交直流互聯大電網全電磁暫態建模工具及模型

采用電力系統全數字實時仿真系統(ADPSS)，主要應用軟件包括機電暫態計算程序(PSASP7.51)和電磁暫態計算程序(ETSDAC2.6)。該軟件涵蓋了適用于大電網運行仿真分析的關鍵設備電磁暫態模型，包括發電機及其調節器、交流線路、變壓器、直流輸電系統、電力電子設備、負荷等各種元件[3]。

1.1 機電暫態仿真

機電暫態仿真，主要用于分析電力系統的穩定性，即用來分析當電力系統在某一正常運行狀態下受到某種干擾后，能否經過一定的時間后回到原來的運行狀態或過渡到一個新的穩定運行狀態的問題。通過機電暫態仿真可以判別系統的暫態功角穩定性、暫態電壓穩定性和暫態頻率穩定性[4]。

機電暫態仿真的主要功能包括：

1)復雜故障的模擬;

2)仿真中可考慮各種用戶自定義模型;

3)仿真中可接入Matlab數字模型;

4)自動判穩和終止仿真;

5)仿真結果的Prony分析;

6)大規模電網實時計算;

7)具備物理接口功能。

1.2 電磁暫態仿真

電磁暫態仿真，主要用于分析和計算故障或操作后可能出現的暫態過電壓和過電流，以便根據所得到的暫態過電壓和過電流對相關電力設備進行合理設計，確定已有設備能否安全運行，并研究相應的限制和保護措施[5]。

電磁暫態仿真的主要功能包括：

1)包含豐富的電力系統元件模型，如發電機、變壓器、線路、PT/CT、非線性元件、電力電子元件、直流元件、負荷元件等;

2)可模擬電力系統的各種暫態過程，包括操作暫態、諧振暫態、故障暫態等;

3)具有分網并行計算功能，實現了一定規模電磁暫態網絡的實時或超實時仿真;

4)可通過A/D和D/A轉換接口接入物理模型或實際控制裝置，進行電力系統的仿真研究或裝置試驗。

在仿真過程中可接入繼電保護設備、安全自動裝置、PSS裝置、發電機勵磁裝置、SVC控制裝置、HVDC控制裝置等，進行裝置的檢驗和試驗研究。

1.3 ADPSS直流系統模型

ADPSS直流控制系統建模采用經典控制模型，整流側采用定電流控制、低電壓限電流控制，逆變側采用定電流控制、定關斷角控制、定電壓控制、低電壓限電流控制[6]。ADPSS直流控制系統中控制器采取定電流、定電壓、定熄弧角的偏差選擇來實現控制器之間的協調，其穩態控制方式為整流側定電流、逆變側定熄弧角的控制方式。直流控制保護系統計算邏輯層次圖如圖1所示。

圖1 直流控制系統圖Fig.1 DC control system diagram

2 黑龍江電網骨干網架機電數據核查

機電數據與電磁數據側重點不同，目前PSASP平臺部分元件參數缺失，數據存在誤差，會對全電磁仿真結果產生較大影響，在機電模型轉電磁模型之前需要對機電數據進行全面核查。

2.1 機電數據核查原則

考慮到部分元件參數對機電暫態仿真結果影響不大但對電磁暫態仿真影響較大[7]，應對“源-網-荷”等各類參數按《機電數據核查規范》逐一核查，主要包括以下四類。

1)發電機。同步機模型號、發電機阻抗、機組額定參數等。

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。

4)負荷。負荷模型類型、感應電動機比例。

2.2 黑龍江電網骨干網架機電數據核查結果

2.2.1 變壓器核查結果

校核了黑龍江范圍內三繞組變壓器繞組連接方式，按照“站內有3臺變壓器的2臺變接地，有2臺變壓器1臺變接地”的原則，共24處做出修改，結果見表1。

表1 三繞組變壓器核查結果Table 1 Three winding transformer investigation result

2.2.2 發電機核查結果

校核了黑龍江范圍內發電機參數，通過實測報告校核，共1處做出修改，修改結果見表2。

表2 發電機核查結果Table 2 Generator verification results

2.2.3 線路

校核了黑龍江交流線路參數，通過實測報告校核，交流線路正序電阻和零序電阻R1、R0參數共199處做出修改。

校核了黑龍江交流線路參數，通過實測報告校核，交流線路正序電抗和零序電抗X1、X0參數共200處做出修改。

校核了黑龍江交流線路參數，通過實測報告校核，交流線路正序電納B1/2和零序電納B0/2參數共201處做出修改。

3 黑龍江電網骨干網架電磁暫態建模

東北電網骨干網架，由東北各分區自行機電數據校核以及全電磁模型搭建，封裝進子電路，進行各省交流電網的拼接，并在交流大電網中加入直流模型，最終形成交直流互聯電網全電磁模型。

3.1 全電磁暫態建模原則

電磁暫態仿真的計算原件模型采用微分方程或偏微分方程描述，機電暫態仿真原件模型采用基波相量描述，機電模型可視作由電磁模型忽略部分電磁暫態過程簡化而來，其模型參數與電磁模型的大部分參數是一致的，而電磁模型有但機電模型無的參數可按默認參數補齊，故而交流網的機電暫態數據與其電磁暫態數據具有良好的互轉性[8]，見表3。

表3 機電-電磁元件模型數據轉換映射表Table 3 Mapping table of electromechanical-electromagnetic component model data conversion

3.2 黑龍江電網骨干網架電磁暫態模型校核

黑龍江電網骨干交流電網完成電磁模型轉化后與東北電網骨干網架交流大電網拼接，含有直流的各分區根據直流建模方法將各省的電磁暫態直流模型搭建完成，然后跟交流大電網拼接成交直流大電網，進一步與機電暫態潮流結果進行穩態對比。圖2為東北交直流互聯電網中黑龍江省部分。

重點觀察電磁模型仿真結果中各直流近區母線電壓的幅值和相角、近區發電機功率、交直流交換功率以及直流電壓等數據，通過調整直流相關參數，使得前述各量較直流加入前變化不大，確保電磁機電潮流比對結果滿足要求。針對差異較大地區，需重新按照第一步數據核查原則校驗核查設備模型參數，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.，發電機有功偏差小于10 MW，關鍵斷面有功偏差小于50 MW。

圖2 黑龍江交直流互聯電網Fig.2 Heilongjiang AC/DC interconnected power grid

4 東北電網骨干網架交直流大電網穩態對比結果

電磁暫態與機電暫態仿真時長設置為30 s，選取25～30 s內電磁側與機電側的計算結果，分別對發電機功率和母線電壓進行對比。

4.1 發電機有功功率結果對比

要求電磁暫態計算結果與機電側相比，有功絕對誤差須小于10 MW。該次計算結果中有功絕對誤差最大的10臺發電機和無功絕對誤差最大的10臺發電機見表4，都滿足計算要求。

4.2 母線電壓結果對比

要求機電電磁暫態結果對比中，母線電壓誤差不大于1%。計算結果中選取母線電壓誤差最大的10條母線見表5。

如表4～6所示，東北交直流互聯電網全電磁模型的穩態計算結果與機電數據潮流結果進行比對，滿足精度要求。

表4 有功絕對誤差最大的10臺機組Table 4 Ten units with the largest absolute error of active power

表5 母線電壓誤差最大的10臺機組Table 5 Ten units with the largest error of bus voltage

表6 聯絡線對比結果Table 6 Tie line comparison results

5 結 語

1)通過對電力系統機電暫態模型與電磁暫態模型的分析對比，順利完成了黑龍江電網骨干網架機電暫態模型到電磁暫態模型的轉化，并成功將黑換直流模型加入交流網中，最終實現東北電網交直流互聯大電網的全電磁暫態建模。

2)基于電力系統全數字實時仿真系統(ADPSS)對交直流互聯大電網進行無故障仿真計算，根據穩態計算結果，依托電磁-機電數據對比程序，對母線、發電機、關鍵斷面數據進行比對，結果滿足精度要求。