基于PSCAD軟件±500kV直流輸電系統(tǒng)操作過(guò)電壓仿真研究

黃譯丹+++邱雪梅

摘 要：以某直流輸電系統(tǒng)工程為例，根據(jù)其參數(shù)利用電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC建立仿真模型，模型主要包括等值交流系統(tǒng)、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(shè)備。運(yùn)用模型對(duì)幾種典型故障進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：此模型能夠準(zhǔn)確的模擬出直流輸電系統(tǒng)，并為其輸電工程的絕緣、故障分析以及過(guò)電壓仿真提供了先決條件與依據(jù)，具有很大的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：直流輸電工程；PSCAD；過(guò)電壓

1 概述

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展，電力系統(tǒng)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可分割的一部分，其規(guī)模發(fā)展越來(lái)越大，對(duì)其安全要求也越來(lái)越高。隨著科研人員的潛心研究，電壓等級(jí)越來(lái)越高、輸送容量越來(lái)越大的直流工程在我國(guó)建成，等級(jí)越高則換流站設(shè)備的過(guò)電壓水平就越高，從而導(dǎo)致事故出現(xiàn)幾率增大，設(shè)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(wǎng)運(yùn)行[1-3]。如何讓所建的直流工程安全運(yùn)行是電網(wǎng)工作人員需要解決的重要問(wèn)題，因而研究直流過(guò)電壓有著至關(guān)重要的意義。

本文通過(guò)該模型對(duì)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(cè)繞組接地和直流極線中點(diǎn)接線故障等進(jìn)行仿真研究，為高壓直流工程提供依據(jù)，為后續(xù)高壓直流工程絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tǒng)分析軟件。在本仿真中主要運(yùn)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(kù)選擇簡(jiǎn)單又方便。除此之外，PSCAD還具有一項(xiàng)高級(jí)的功能即可以自行創(chuàng)建所需的元件，然后可以將所建元件封裝成為一個(gè)新元件，或者采用Fortran或C語(yǔ)言編寫(xiě)創(chuàng)建一個(gè)新元件。只要熟練運(yùn)用各種元件模型庫(kù)，就能搭建所需要的模型。

PSCAD/EMTDC的建模步驟為：

（1）新建一個(gè)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(duì)其中的元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)置等；（3）保存模型參數(shù)，進(jìn)行編譯；（4）運(yùn)行并調(diào)試模型；（5）分析輸出數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型。

3 模型介紹

直流輸電系統(tǒng)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(tǒng)為雙極對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)模型仿真計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，換流站母線A相電壓降低，這將使換相角增大，出現(xiàn)短時(shí)振蕩現(xiàn)象。另外，會(huì)引起線電壓過(guò)零點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)，使某些閥的關(guān)斷越前角減小，故障后逆變側(cè)γ角降為0°，小于最小關(guān)斷越前角，此時(shí)發(fā)生換相失敗故障。通過(guò)仿真可以清楚地發(fā)現(xiàn)極Ⅰ上出現(xiàn)電壓振蕩，在故障清除后快速恢復(fù)到額定運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)換流變閥側(cè)A相發(fā)生金屬性接地故障后，經(jīng)過(guò)仿真研究得到，不論是在換流站整流側(cè)還是在換流站逆變側(cè)，直流系統(tǒng)的中性端與接地點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)未發(fā)生故障的兩相構(gòu)成短路回路。以A相作為故障相，當(dāng)發(fā)生Y/Y換流變閥側(cè)單相接地短路故障時(shí)，直流場(chǎng)內(nèi)需要釋放直流濾波器和直流極線上的能量，會(huì)引起過(guò)電壓現(xiàn)象。

當(dāng)直流線路中點(diǎn)極Ⅰ發(fā)生對(duì)地短路故障時(shí)，極Ⅰ與極Ⅱ的中點(diǎn)極線對(duì)地電壓波形如圖2所示。仿真計(jì)算得到，由于線路的耦合與感應(yīng)作用，健全極即極Ⅱ上的電壓波形出現(xiàn)明顯的振蕩過(guò)程，并且出現(xiàn)了明顯的過(guò)電壓且極Ⅱ產(chǎn)生過(guò)電壓高達(dá)的708kV。若過(guò)電壓超過(guò)線路的耐受電壓時(shí)，會(huì)損毀導(dǎo)線，造成嚴(yán)重的事故。

5 結(jié)論

運(yùn)用PSCAD對(duì)500kV超高壓直流輸電工程建模，并驗(yàn)證其正確性。雙極運(yùn)行時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生以上三種典型故障時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的振蕩，出現(xiàn)過(guò)電壓，但在故障及時(shí)清除后，系統(tǒng)能快速恢復(fù)到額定運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)雙極運(yùn)行方式下，各種故障情況下的過(guò)電壓均在設(shè)備允許范圍內(nèi)，符合工程的絕緣水平，為以后的高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]梁旭明，張平，常勇.高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（4）：1-9.

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

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

[4]謝海濱，屠幼萍，楊鵬程，等.±500kV直流輸電系統(tǒng)雙極運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部過(guò)電壓研究[J].寧夏電力，2009（1）：1-5.