特高壓交直流電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)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(diào)度控制中心，北京 100031；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

特高壓交直流電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)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(diào)度控制中心，北京 100031；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

為深入分析高壓直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為對(duì)交流系統(tǒng)的影響，同時(shí)兼顧交流系統(tǒng)的龐大規(guī)模和仿真速度要求，采用了中國電科院開發(fā)的機(jī)電-電磁混合仿真程序，對(duì)三華交流系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)電暫態(tài)建模，對(duì)7回跨區(qū)直流系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)電磁暫態(tài)建模。計(jì)算表明，混合仿真能較好復(fù)現(xiàn)實(shí)際故障過程，較為準(zhǔn)確地對(duì)含不對(duì)稱故障、多回直流換相失敗在內(nèi)的故障形態(tài)進(jìn)行模擬；交流系統(tǒng)擾動(dòng)可能引起多回直流同時(shí)換相失敗，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，需要送、受端交流系統(tǒng)提供更強(qiáng)支撐。

機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真；特高壓交流；特高壓直流；電力系統(tǒng)；換相失敗

國家電網(wǎng)已經(jīng)形成特大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中華北、華中電網(wǎng)經(jīng)特高壓交流相連，同步電網(wǎng)規(guī)模超過4億kW，兩華電網(wǎng)與華東經(jīng)7回直流（含復(fù)奉、錦蘇、賓金3回特高壓直流）相連，三華電網(wǎng)規(guī)模超過6億kW［1-4］。交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)交互作用顯著是特大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)的典型特征之一［5］，而仿真計(jì)算是分析電網(wǎng)特性、制定運(yùn)行控制策略的基礎(chǔ)。大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性決定了其控制策略的有效性。

在常規(guī)大電網(wǎng)仿真計(jì)算中，通常采用成熟的機(jī)電暫態(tài)仿真程序，如PSASP、BPA。但基于基波相量模型的機(jī)電暫態(tài)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(tǒng)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(tài)仿真可以很好地解決電力電子裝置仿真準(zhǔn)確性的問題，但是采用瞬時(shí)值計(jì)算的電磁暫態(tài)仿真規(guī)模一般不大，而等值化簡會(huì)引入仿真誤差［6-9］。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和FACTS、HVDC設(shè)備在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，尤其是直流多饋入結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，交直流交互作用逐漸成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素［10-18］，電力系統(tǒng)仿真規(guī)模和仿真精度之間的矛盾日益顯現(xiàn)。相互獨(dú)立的機(jī)電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真均難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)仿真的要求，兼顧仿真規(guī)模和仿真精度的機(jī)電暫態(tài)-電磁暫態(tài)混合仿真技術(shù)得到了較快發(fā)展。

機(jī)電暫態(tài)-電磁暫態(tài)混合仿真是指在一次仿真過程中將需要詳細(xì)模擬的局部電網(wǎng)采用電磁暫態(tài)算法進(jìn)行計(jì)算，將其余電網(wǎng)采用機(jī)電暫態(tài)算法進(jìn)行計(jì)算，兩者之間通過混合仿真接口進(jìn)行交互［9］。在一次仿真過程中，機(jī)電部分通常采用基波相量模型，仿真步長約10 ms；電磁暫態(tài)部分基于瞬時(shí)值模型，仿真步長根據(jù)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(jī)電-電磁混合仿真程序，目前已開發(fā)出實(shí)用的程序版本ADPSS和PSMODEL。本文應(yīng)用ADPSS混合仿真程序開展了特高壓電網(wǎng)多回直流換相失敗故障的仿真分析。首先，檢驗(yàn)了混合仿真程序?qū)τ诮恢绷鹘换プ饔玫湫桶咐M的有效性。然后，在此基礎(chǔ)上利用混合仿真程序，分析了華北-華中-華東混聯(lián)電網(wǎng)（以下簡稱三華電網(wǎng)）運(yùn)行特性。最后，對(duì)多回直流同時(shí)換相失敗的機(jī)理和影響進(jìn)行了研究總結(jié)。

1　三華電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)建模

1.1三華電網(wǎng)混合仿真模型

三華電網(wǎng)是典型的特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)，其中華東電網(wǎng)作為跨區(qū)送電的大受端，多回直流集中落點(diǎn)長三角地區(qū)，形成典型的直流多饋入結(jié)構(gòu)。2014年，隨著賓金特高壓直流的投產(chǎn)，7回直流注入華東電網(wǎng)，總?cè)萘窟_(dá)31 760 MW。

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

為仿真換相失敗實(shí)際案例，本文建立了2013年三華電網(wǎng)模型，其中華中送華東6回直流。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了2014年三華電網(wǎng)混合仿真模型，含賓金直流在內(nèi)的7回直流全部采用電磁暫態(tài)詳細(xì)仿真，其中包括4回常規(guī)直流輸電系統(tǒng)和3回特高壓直流輸電系統(tǒng)；三華交流電網(wǎng)采用機(jī)電暫態(tài)建模。

機(jī)電暫態(tài)模型共包含三相節(jié)點(diǎn)22 000多個(gè)、支路34 000余條、機(jī)組2 300多臺(tái)；電磁暫態(tài)模型包含7回跨區(qū)直流輸電線路，每回直流均參照實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)等元件，7回直流電磁暫態(tài)模型共包含單相節(jié)點(diǎn)2 800多個(gè)、晶閘管元件480個(gè)、支路3 500多條。

1.2直流電磁暫態(tài)建模

7回直流電磁暫態(tài)建模過程中，直流一次系統(tǒng)參數(shù)主要根據(jù)直流成套設(shè)計(jì)書、直流電磁暫態(tài)廠家模型等參數(shù)源，采用的仿真模型如表1所示。

表1　直流電磁暫態(tài)模型Tab.1　HVDC electromagnetic transient modeling

直流二次系統(tǒng)基于經(jīng)典的直流控制保護(hù)模型，針對(duì)具體運(yùn)行工況和控保特性進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，其控制保護(hù)模型示意如圖2所示。

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

1.3三華電網(wǎng)混合仿真建模步驟

（1）三華電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)數(shù)據(jù)拼接。將華北-華中電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)數(shù)據(jù)與華東電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，構(gòu)成三華電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過潮流計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算驗(yàn)證了數(shù)據(jù)有效。

（2）7回直流電磁暫態(tài)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(wǎng)，調(diào)整各回直流模型使其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式與潮流結(jié)果一致。

（3）劃分三華機(jī)電暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)，將其分解為交流系統(tǒng)模型與直流系統(tǒng)模型兩部分，定義兩部分接口位置。通過機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真接口技術(shù)［6-8］，將建立的7回直流電磁暫態(tài)模型與三華電網(wǎng)交流機(jī)電暫態(tài)模型相連，構(gòu)成三華電網(wǎng)機(jī)電-電磁混合仿真算例。

2　多回直流同時(shí)換相失敗案例校驗(yàn)及分析

2.1實(shí)際電網(wǎng)中的多回直流同時(shí)換相失敗現(xiàn)象

近年來，在受端交流系統(tǒng)擾動(dòng)下，鄰近多回直流多次發(fā)生同時(shí)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(fù)奉、宜華、林楓、葛南4回直流同時(shí)換相失敗。

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

2.2混合仿真復(fù)現(xiàn)多回直流同時(shí)換相失敗

2013年11月6日12：31，華東電網(wǎng)上海地區(qū)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(fù)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(fā)生后，各回直流換相失敗發(fā)生詳細(xì)情況如表2所示。直流落點(diǎn)近區(qū)交流故障的發(fā)生，常伴隨著逆變站換流母線電壓的瞬時(shí)跌落，極易導(dǎo)致逆變站發(fā)生換相失敗，表2表明換相失敗發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)、嚴(yán)重程度與電壓瞬時(shí)跌落程度相關(guān)。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(fā)生了一次換相失敗。

本文基于ADPSS三華特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真模型，仿真再現(xiàn)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(jī)電暫態(tài)中仿真，機(jī)電側(cè)仿真步長為10 ms，電磁側(cè)仿真步長為50 μs。

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

表2　“11.6”各回直流換相失敗發(fā)生詳細(xì)情況Tab.2　Details of“11.6”commutation failure

圖3　南橋站關(guān)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(guān)斷角仿真波形Fig.4　Simulation of Gama waveforms of Fengjin and Fengxian station

以上結(jié)果表明，混合仿真能較好復(fù)現(xiàn)故障過程，較為準(zhǔn)確地反映特高壓交直流交互作用過程，對(duì)含不對(duì)稱故障、換相失敗在內(nèi)的故障形態(tài)進(jìn)行模擬，適用于對(duì)直流仿真精度要求較高的大規(guī)模交直流混合電網(wǎng)分析和研究。

2.3混合仿真與機(jī)電暫態(tài)仿真對(duì)比

圖5和圖6對(duì)比了對(duì)稱和不對(duì)稱兩種不同類型的交流系統(tǒng)故障情況下，三華電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真模型和純機(jī)電暫態(tài)模型的仿真結(jié)果，三相故障等對(duì)稱故障下，混合仿真和機(jī)電暫態(tài)仿真中直流發(fā)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(duì)稱故障下，混合仿真和機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果相差較大。

從原理上來說，機(jī)電暫態(tài)程序中直流采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，基于基波相量方程分析直流動(dòng)態(tài)過程，因此對(duì)于不對(duì)稱故障的仿真準(zhǔn)確性相對(duì)較差。

圖5　對(duì)稱交流系統(tǒng)故障下混合仿真與機(jī)電暫態(tài)仿真對(duì)比Fig.5　Comparison of simulation results between hybrid simulation and electromechanical simulation transient under symmetrical AC disturbance

圖6　不對(duì)稱交流系統(tǒng)故障下混合仿真與機(jī)電暫態(tài)仿真對(duì)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(tǒng)的逆變站通過交流系統(tǒng)的耦合阻抗實(shí)現(xiàn)相互作用。耦合阻抗是由受端網(wǎng)絡(luò)決定的，與送、受端交流電源等值導(dǎo)納，受端交流系統(tǒng)輸電線路導(dǎo)納密切相關(guān)。一條直流換相失敗造成的無功功率波動(dòng)，會(huì)通過耦合阻抗導(dǎo)致其他直流站電壓波動(dòng)，增加其他直流發(fā)生換相失敗的概率。

在機(jī)電-電磁混合仿真計(jì)算環(huán)境中，在相同的交流故障設(shè)置下，針對(duì)林楓、葛南、復(fù)奉3條直流，采用電磁暫態(tài)及恒阻抗兩種模型，設(shè)置不同的仿真場景，對(duì)比分析仿真結(jié)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(huì)發(fā)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(jié)果表明3條直流換相失敗發(fā)生的主要原因在于交流系統(tǒng)，而非直流系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)外施加影響。

進(jìn)一步，在不同的線路設(shè)置相同的故障，針對(duì)林楓、葛南、復(fù)奉3條直流，對(duì)比分析仿真結(jié)果如表4。其中，汾三5902線，牌渡5903線，遠(yuǎn)衛(wèi)5136線電氣距離距直流線路較遠(yuǎn)。

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(jié)果可知，隨著故障點(diǎn)與3條直流的電氣距離的增加，換相失敗發(fā)生的概率減弱。

因此，直流系統(tǒng)落點(diǎn)于強(qiáng)受端交流系統(tǒng)，或增大直流落點(diǎn)間耦合電氣距離，能降低一個(gè)換流站換相失敗導(dǎo)致其他換流站同時(shí)或相繼發(fā)生換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

3　三華電網(wǎng)多回直流同時(shí)換相失敗仿真分析

2014年，華東電網(wǎng)接入7回直流，交直流交互作用進(jìn)一步突出。本文基于2014年三華電網(wǎng)混合仿真模型，進(jìn)一步分析混聯(lián)電網(wǎng)同時(shí)換相失敗的機(jī)理和影響。

換相失敗期間，直流電流增大，同時(shí)熄弧角增大；換相失敗恢復(fù)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(jìn)一步拉低交流母線電壓水平，對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使得鄰近直流的換相失敗更容易發(fā)生。計(jì)算表明，受端地區(qū)的交流系統(tǒng)發(fā)生故障，可能引發(fā)多回直流換相失敗，嚴(yán)重情況下甚至引發(fā)7回直流同時(shí)換相失敗，如圖7所示。

多回直流同時(shí)換相失敗，直流大額功率瞬時(shí)中斷，將對(duì)送、受端交流系統(tǒng)造成巨大能量沖擊。以送華東7回直流而言，多回直流同時(shí)換相失敗產(chǎn)生的有功功率沖擊幅值最高可達(dá)31 760 MW，從功率跌落到90%恢復(fù)的持續(xù)時(shí)間約300～400 ms。暫態(tài)沖擊能量巨大，期間潮流大幅波動(dòng)，可能超出線路承載能力，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。仿真中出現(xiàn)了交直流各斷面同時(shí)負(fù)載較重時(shí)，電網(wǎng)一些薄弱斷面在多回直流同時(shí)換相失敗沖擊期間失穩(wěn)的現(xiàn)象。

雖然交流擾動(dòng)發(fā)生在受端，但直流功率變化同時(shí)作用于送受端，使得送受端系統(tǒng)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，受端交流系統(tǒng)常規(guī)擾動(dòng)可能經(jīng)多回直流換相失敗傳導(dǎo)，引起送端交流系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖7　多回直流同時(shí)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(tǒng)常規(guī)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(jié)束后直流功率隨即恢復(fù)，無法通過安控切機(jī)、切負(fù)荷等措施進(jìn)行防御，只能依靠交流系統(tǒng)本身的承載能力抵御故障沖擊。而多回直流換相失敗產(chǎn)生的沖擊巨大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響甚至超過了部分N-2故障，成為運(yùn)行的制約因素之一。多饋入直流受端結(jié)構(gòu)和多回直流換相失敗擾動(dòng)形態(tài)的出現(xiàn)，客觀上要求送、受端交流系統(tǒng)提高穩(wěn)定水平，提升無措施下的抗擾動(dòng)能力。

4　結(jié)語

本文建立了三華電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真模型，數(shù)據(jù)覆蓋三華220 kV及以上電網(wǎng)，其中華中送華東全部直流采用了電磁暫態(tài)詳細(xì)模型。在該模型的基礎(chǔ)上，仿真復(fù)現(xiàn)了實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的多回直流同時(shí)換相失敗故障，檢驗(yàn)了混合仿真技術(shù)對(duì)于分析交直流交互作用的有效性。分析表明，機(jī)電-電磁混合仿真技術(shù)能夠?qū)χ绷鬏旊娂捌淇刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)詳細(xì)建模，同時(shí)避免傳統(tǒng)電磁暫態(tài)分析中的系統(tǒng)等值問題，在提高系統(tǒng)分析的準(zhǔn)確度的同時(shí)，保證了仿真的效率和實(shí)用性。

基于三華電網(wǎng)混合仿真數(shù)據(jù)，本文進(jìn)一步分析了多回直流同時(shí)換相失敗的機(jī)理和影響，計(jì)算表明，多回直流同時(shí)換相失敗對(duì)兩側(cè)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，可能引起電網(wǎng)連鎖故障，且故障可以由受端電網(wǎng)常規(guī)的單瞬、單永故障引發(fā)，屬于電網(wǎng)第一道防線防御內(nèi)容，加強(qiáng)兩側(cè)交流電網(wǎng)網(wǎng)架強(qiáng)度是根本措施。

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［13］王春明，劉兵（Wang Chunming，Liu Bing）.區(qū)域互聯(lián)多回直流換相失敗對(duì)送端系統(tǒng)的影響（Affects of commutation failure in multi-circuit HVDC transmission system interconnecting regional power grids on AC power system at sending end）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2013，37（4）：1052-1057.

［14］邵瑤，湯涌，郭小江，等（Shao Yao，Tang Yong，Guo Xiaojiang，et al）.2015年特高壓規(guī)劃電網(wǎng)華北和華東地區(qū)多饋入直流輸電系統(tǒng)的換相失敗分析（Analysis on commutation failures in multi-infeed HVDC transmission systems in North China and East China power grids planned for UHV power grids in 2015）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2011，35（10）：9-15.

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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(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。Email：he-jingbo@sgcc.com.cn

張星（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。Email：zhangxing@epri.sgcc.com.cn

許濤（1976—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。Email：xu-tao@sgcc.com.cn