基于ADPSS的大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)的機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真研究

劉 宸，王小林，馮艷秋，畢正軍，李春亮

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021；3.國網(wǎng)白城供電公司，吉林 白城 137000）

截至2014年底，吉林省風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到398.2×104kW，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度、暫態(tài)穩(wěn)定性、供電可靠性和電能質(zhì)量等產(chǎn)生了較大沖擊和影響。本文應(yīng)用全數(shù)字實(shí)時仿真裝置（ADPSS）實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)的機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真，將需要詳細(xì)研究的風(fēng)電場采用電磁暫態(tài)建模，風(fēng)電接入的交流大電網(wǎng)則使用機(jī)電暫態(tài)仿真，利用數(shù)據(jù)交互接口開展混合仿真。此種計(jì)算不僅可準(zhǔn)確地模擬出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的快速暫態(tài)過程，且能夠兼顧仿真系統(tǒng)規(guī)模與速度。

1 全數(shù)字實(shí)時仿真裝置概述

電力系統(tǒng)ADPSS是基于高性能微機(jī)機(jī)群的電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真系統(tǒng)。ADPSS仿真系統(tǒng)利用進(jìn)程實(shí)時同步控制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電網(wǎng)的大規(guī)模機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)的實(shí)時仿真，并且利用接口裝置對外接物理裝置進(jìn)行試驗(yàn)［1］。

電力系統(tǒng)機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真的基本原理如圖1所示，對交流主網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真，采用有效值進(jìn)行計(jì)算，典型積分步長為10ms；對風(fēng)電場等具有快速動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分則進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，采用三相瞬時值進(jìn)行計(jì)算，典型積分步長為50μs。兩側(cè)網(wǎng)絡(luò)通過接口母線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一側(cè)進(jìn)行仿真時，對側(cè)網(wǎng)絡(luò)用適當(dāng)形式的等值電路表示，并在每一機(jī)電步長時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。機(jī)電側(cè)向電磁側(cè)提供電壓激勵U，而電磁側(cè)向機(jī)電側(cè)傳遞接口處的注入功率S。在這種混合仿真模式下，既保證了分析暫態(tài)特性所需的仿真精度，又兼顧了仿真速度和仿真規(guī)模［2］。

2 吉林省混合仿真模型的建立

圖1 機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真的基本原理

吉林省電網(wǎng)接入了大量風(fēng)電場，風(fēng)力發(fā)電機(jī)對于吉林電網(wǎng)暫態(tài)特性的影響不可忽略。應(yīng)用機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真，可以很好地對風(fēng)機(jī)中的變流器、Crowbar電路等控制系統(tǒng)元件進(jìn)行暫態(tài)仿真。本文中以吉林省大崗子風(fēng)場為例，對吉林電網(wǎng)進(jìn)行了機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真，研究風(fēng)電場的暫態(tài)特性。

機(jī)電暫態(tài)模型主要參照現(xiàn)有PSASP 程序建模原則，發(fā)電機(jī)采用ADPSS內(nèi)提供考慮E″q、E″d、E′q電勢變化的5階模型，線路與變壓器采用集中參數(shù)模型［3］。電磁暫態(tài)模型采用Dommel理論中對輸電線路的描述，利用各相電壓電流的波動方程及Clarke變換進(jìn)行線路的矩陣計(jì)算。

建模中首先建立吉林省電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)模型，并在混合仿真的網(wǎng)絡(luò)劃分中將吉林省電網(wǎng)作為機(jī)電主網(wǎng)部分［4－5］。機(jī)電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)吉林省2014年的網(wǎng)架建立，機(jī)電暫態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)潮流采用冬季典型大方式。選擇接入大安變的大崗子風(fēng)電場搭建電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)，劃分為電磁子網(wǎng)，大安變母線作為機(jī)電吉林主網(wǎng)和風(fēng)電電磁子網(wǎng)的接口母線，混合仿真模型簡圖見圖2。

圖2 機(jī)電－電磁混合仿真模型簡圖

3 風(fēng)電場暫態(tài)特性仿真與分析

大崗子風(fēng)電場的電氣主接線如圖3所示，在電磁網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置故障，故障設(shè)置在崗大線的大安變側(cè)、50%處和大崗子風(fēng)場220kV 母線側(cè)，故障設(shè)置為三相金屬性短路接地［6］，故障時間設(shè)置為625 ms。仿真中分別對主網(wǎng)提供的短路電流和風(fēng)場提供的短路電流分別進(jìn)行了錄波，結(jié)果采用標(biāo)幺值表示，如圖4至圖6 所示。仿真中設(shè)定的基準(zhǔn)容量為120 MVA，三種故障情況下的短路電流如表1所示。由仿真結(jié)果可知，在崗大線上發(fā)生三相短路接地故障時，主網(wǎng)與風(fēng)場均提供短路電流，并且主網(wǎng)提供的短路電流更大；同時短路電流的大小也隨著短路點(diǎn)位置的改變而變化，當(dāng)短路點(diǎn)遠(yuǎn)離主網(wǎng)時，主網(wǎng)側(cè)提供的短路電流減小，風(fēng)場側(cè)短路電流增大。

圖3 大崗子風(fēng)電場主接線

圖4 崗大線大安變側(cè)三相短路接地故障電流

表1 大崗子風(fēng)電場送出線短路電流 kA

圖5 崗大線50%處三相短路接地故障電流

圖6 崗大線大崗子風(fēng)場220 kV母線側(cè)三相短路接地故障電流

結(jié)合風(fēng)電場的實(shí)際情況進(jìn)行分析，風(fēng)電場送出線路采用光纖差動保護(hù)，光纖差動保護(hù)的差動電流和制動電流的表達(dá)式為：

式中：IM為送出線路的風(fēng)電場側(cè)電流，IN為系統(tǒng)側(cè)電流。

由于風(fēng)場與主網(wǎng)側(cè)均提供短路電流，在線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，風(fēng)電場提供的短路電流能夠增大差動電流Id并減小制動電流Ires，對提高縱聯(lián)差動保護(hù)的靈敏度起正面作用。在線路發(fā)生區(qū)外故障時，風(fēng)電場提供的短路電流能夠提高制動電流Ires，減小差動電流Id，有利于防止差動保護(hù)誤動。

因此，在風(fēng)電場的送出現(xiàn)發(fā)生短路接地故障時，故障產(chǎn)生的短路電流對送出線配置的縱聯(lián)差動保護(hù)的影響是正面的，有利于提高保護(hù)動作的可靠性和靈敏度。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用ADPSS搭建了吉林電網(wǎng)機(jī)電－電磁暫態(tài)模型，以大崗子風(fēng)電場為例進(jìn)行了機(jī)電暫態(tài)－電磁暫態(tài)混合仿真，研究了風(fēng)電接入電網(wǎng)對暫態(tài)特性帶來的影響。仿真結(jié)果表明，故障產(chǎn)生的短路電流對崗大線配置的縱聯(lián)差動保護(hù)的影響是正面的，有利于提高保護(hù)動作的可靠性和靈敏度。吉林電網(wǎng)機(jī)電－電磁暫態(tài)混合仿真可以對較大規(guī)模電網(wǎng)中局部電網(wǎng)的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行有效分析，今后還將開展繼電保護(hù)及安全自動裝置閉環(huán)仿真測試、靜止無功補(bǔ)償器（SVG）、特高壓輸電的建模仿真等研究工作，為吉林電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

［1］ 岳程燕，田芳.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)－機(jī)電暫態(tài)混合仿真接口原理［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（1）：23－27.

［2］ 石訪.電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)數(shù)寧混合仿真［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（12）：42－46.

［3］ 華文.含風(fēng)力發(fā)電的電力系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵問題研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［4］ 趙宏偉.風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)特性及其對繼電保護(hù)的影響研究［D］.北京：華北電力大學(xué).2007.

［5］ 李鋒，陸一川.大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響［J］.中國電力，2006，39（11）：80－84.

［6］ 張侃君，夏勇軍.基于ADPSS的湖北電網(wǎng)數(shù)字仿真系統(tǒng)［J］.湖北電力，2011，35（4）：42－44，70.