基于PSModel的江蘇電網(wǎng)機電-電磁混合仿真

金 夢， 李修金， 劉一丹， 張 祥， 孫 毅， 朱鑫要

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

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基于PSModel的江蘇電網(wǎng)機電-電磁混合仿真

金 夢1， 李修金1， 劉一丹1， 張 祥1， 孫 毅1， 朱鑫要2

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

江蘇電網(wǎng)直流輸電發(fā)展迅猛，未來將通過直流輸電受入大量功率。在電網(wǎng)運行過程中，交流電網(wǎng)故障將通過換流站母線對直流輸電運行產(chǎn)生影響，可能造成直流輸電發(fā)生換相失敗等，而目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析所采用的機電暫態(tài)仿真手段可能無法準確反映該動態(tài)過程。文中分別采用機電仿真軟件BPA和機電-電磁混合仿真軟件PSModel(power system model)2種仿真工具，對比仿真分析和研究了江蘇電網(wǎng)交流故障對直流輸電運行的影響，相關結論為電網(wǎng)運行分析工作提供建議和參考。

特高壓直流；換相失敗；機電仿真；機電-電磁混合仿真

0 引言

我國能源資源和經(jīng)濟發(fā)展嚴重不匹配，能源資源主要分布在西南和“三北”(東北、華北和西北)地區(qū)，負荷中心則主要位于東南沿海地區(qū)；為解決電力的遠距離輸送問題，大容量特高壓直流輸電在我國電網(wǎng)得到了長足的發(fā)展和應用[1-3]。江蘇電網(wǎng)為我國東部的負荷中心，截至2016年，已有±500 kV龍政超高壓直流、±800 kV錦蘇特高壓直流2條直流輸電落點，直流受電功率超過10 000 MW[4,5]。此外，±800 kV雁門關—淮安特高壓直流和±800 kV錫盟—泰州特高壓直流也均已進入全面建設階段，將于2017年建成投運，屆時江蘇電網(wǎng)直流受電功率將超過28 000 MW[6,7]。直流輸電的穩(wěn)定運行對江蘇電網(wǎng)具有十分重要的意義。

換相失敗是直流輸電(HVDC)逆變側常見的一種故障，其一般由交流電網(wǎng)短路故障造成[8-12]。受仿真工具和軟件限制，目前我國在大規(guī)模受端電網(wǎng)計算分析中，一般采用BPA和PSASP等機電暫態(tài)仿真手段來研究交流電網(wǎng)故障對直流輸電運行的影響。但直流輸電系統(tǒng)的機電暫態(tài)模型采用準穩(wěn)態(tài)建模方法，無法實現(xiàn)直流輸電控制系統(tǒng)的詳細建模；且直流輸電換相失敗等暫態(tài)過程響應速度快，機電暫態(tài)仿真無法準確模擬暫態(tài)期間直流輸電的運行響應情況[13-15]。本文基于PSModel(power system model)機電-電磁混合仿真軟件，直流輸電系統(tǒng)采用詳細的電磁暫態(tài)仿真模型，大規(guī)模交流受端電網(wǎng)采用機電暫態(tài)仿真模型，對比仿真分析了江蘇電網(wǎng)交流故障對直流輸電運行的影響，并對電網(wǎng)運行分析工作提出了相關的建議。

1 分析電網(wǎng)簡介

本文研究針對華東電網(wǎng)2016年運行數(shù)據(jù)開展。如圖1所示，2016年華東電網(wǎng)通過8回超/特高壓直流與華中電網(wǎng)和西北電網(wǎng)互聯(lián)，其中落點江蘇電網(wǎng)的有±500 kV龍政超高壓直流、±800 kV錦蘇特高壓直流2條直流輸電。

圖1 2016年華東電網(wǎng)多直流饋入情況示意圖Fig.1 Diagram of multi-infeed HVDC in East China Grid in 2016

至2016年7月，江蘇電網(wǎng)最大負荷已超過90 000 MW，為我國重要的負荷中心；淮滬特高壓交流北半環(huán)1000 kV淮南—南京—泰州建成投運，江蘇電網(wǎng)交直流混聯(lián)示意圖如圖2所示。龍政直流、錦蘇直流受電功率超過10 000 MW，且2座直流落點之間的電氣距離較近，近區(qū)電網(wǎng)故障可能同時影響上述兩座直流的正常運行，進而對江蘇電網(wǎng)的運行帶來重大影響。因此，準確分析和掌握電網(wǎng)故障對直流輸電的影響，是保障江蘇電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要手段之一。

圖2 2016年江蘇電網(wǎng)交直流混聯(lián)示意圖Fig.2 Diagram of AC/DC hybrid grid of Jiangsu Power Grid in 2016

本文研究中機電-電磁混合仿真基于PSModel軟件開展，落點華東的8回超/特高壓直流均采用詳細的電磁暫態(tài)模型，交流電網(wǎng)采用機電暫態(tài)模型。

2 換相失敗及PSModel原理

2.1 直流輸電換相失敗

直流輸電通過換流站交流母線與電網(wǎng)互聯(lián)，電網(wǎng)故障對直流輸電的影響主要表現(xiàn)為電網(wǎng)短路等故障將會造成換流站母線電壓降低或波形畸變，進而導致直流發(fā)生換相失敗。對于直流輸電逆變站而言，其電壓波形示意如圖3所示。圖3中α為觸發(fā)角，β為觸發(fā)超前角，μ為換相角，γ為熄弧角。

圖3 HVDC逆變站電壓波形示意圖Fig.3 Diagram of the voltage in HVDC inverter station

在換相過程中，晶閘管完成電流換相后還需承受一段時間(對應于熄弧角γ)的反向電壓以恢復關斷能力，若熄弧角γ過小不足以使晶閘管恢復關斷能力，則在其承受正向電壓后便立即恢復導通，造成換相失敗[16,17]。直流輸電逆變側換相角μ的表達式為[17]：

(1)

式(1)中:UL為交流系統(tǒng)線電壓;Id為直流電流，Lc為等值換相電抗;ω為系統(tǒng)工頻角頻率。

同時，圖3中各角度滿足如下關系式:

(2)

將式(2)帶入式(1)，可得：

(3)

由式(2)和式(3)可知，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障造成逆變站交流母線線電壓UL下降后，將導致?lián)Q相角μ增大、熄弧角γ減小；同時，直流電流Id增大也會造成換相角增大。若熄弧角γ減小至小于晶閘管恢復關斷能力所需的最小值時，便會造成直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。

2.2PSModel軟件

PSModel電磁暫態(tài)仿真軟件是由中國電力科學研究院研制開發(fā)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)及電力電子數(shù)字仿真軟件[18]。PSModel軟件可以進行電力系統(tǒng)時域方面的電磁暫態(tài)仿真，主要用于交直流系統(tǒng)的混合仿真。

PSModel軟件進行交直流系統(tǒng)機電-電磁混合仿真的算法原理如圖4 所示。其利用系統(tǒng)的潮流結果、機電參數(shù)和直流輸電部分電磁參數(shù)作為輸入，通過混合仿真接口來實現(xiàn)機電暫態(tài)仿真與電磁暫態(tài)仿真的交互，并最終輸出機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的仿真結果。

圖4 PSModel軟件算法原理圖Fig.4 Diagram of the PSModel software algorithm

3 江蘇電網(wǎng)交流故障對HVDC運行影響

錦蘇直流和龍政直流近區(qū)江蘇電網(wǎng)500kV網(wǎng)架接線示意圖如圖5所示。下面分別采用機電仿真軟件BPA、機電-電磁混合仿真軟件PSModel仿真分析電網(wǎng)故障對上述兩回直流輸電的影響。仿真故障設置為惠泉—梅里一回線路在0.1s時發(fā)生三相短路故障，0.2s時故障線路跳閘隔離故障。

圖5 直流近區(qū)江蘇電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架接線示意圖Fig.5 Diagram of 500 kV grid nearby the HVDC

蘇州和政平換流站熄弧角仿真波形如圖6所示。機電-電磁混合仿真和機電仿真結果顯示，故障期間2條直流逆變站熄弧角均下跌至0，直流輸電發(fā)生換相失??；然而，機電-電磁混合仿真結果還發(fā)現(xiàn)，錦蘇直流在故障切除約0.1s后(約0.3s時)再次發(fā)生換相失敗，龍政直流在故障切除約 0.01s后(約0.21s時)再次發(fā)生換相失敗；而機電仿真則無法反映錦蘇直流和龍政直流在故障后發(fā)生的第2次換相失敗問題，分析結論較為樂觀。

圖6 惠泉—梅里三永N -1故障后換流站熄弧角Fig.6 Extinction angles of the converter station after three-phase permanent failure of Huiquan-Meili 1 line

為進一步分析錦蘇直流和龍政直流發(fā)生換相失敗的原因，給出錦蘇直流和龍政直流的直流電流仿真波形如圖7所示,蘇州換流站和政平換流站500kV交流母線電壓仿真波形如圖8所示?？梢?，故障發(fā)生后換流站交流電壓降低而直流電流增大，從而造成直流發(fā)生換相失??；此外，圖7的機電-電磁混合仿真結果還表明，故障恢復期間，0.3s時錦蘇直流的直流電流迅速上升，0.21s時龍政直流的直流電流迅速上升，從而造成換相角增大，進而導致錦蘇直流和龍政直流再次發(fā)生換相失敗，而機電仿真則無法反映該直流電流突增現(xiàn)象。圖8的仿真結果還表明，在故障期間和故障切除后系統(tǒng)恢復期間，政平站交流母線電壓的機電仿真結果與機電-電磁混合仿真結果較為接近，而蘇州站交流母線電壓的機電仿真結果與機電-電磁混合仿真結果存在較大差異。

圖7 惠泉—梅里三永N -1故障后直流輸電系統(tǒng)直流電流Fig.7 DC currents of HVDCs after three-phase permanent failure of Huiquan-Meili 1 line

故障發(fā)生前后，錦蘇直流和龍政直流逆變側單極功率仿真波形如圖9所示。可見，換相失敗期間直流輸電將無法向電網(wǎng)輸送功率，從而給電網(wǎng)帶來較大的瞬時功率沖擊。

圖8 惠泉—梅里三永N -1故障后換流站交流母線電壓Fig.8 AC voltages of the converter station after three- phase permanent failure of Huiquan-Meili 1 line

圖9 惠泉—梅里三永N -1故障后直流單極功率Fig.9 Unipolar powers of HVDCs after three-phase permanent failure of Huiquan-Meili 1 line

上述仿真和分析結果表明，較之于機電-電磁混合仿真，機電仿真在研究電網(wǎng)故障對直流輸電運行的影響時，難以準確反映直流輸電在故障恢復期間的暫態(tài)過程，仿真結論偏樂觀。

此外，圖6—9中1s之后機電仿真和機電-電磁混合仿真曲線基本重合，即表明2種仿真手段均可有效仿真得到系統(tǒng)故障后的穩(wěn)態(tài)運行情況。

4 結語

采用PSModel機電-電磁混合仿真工具分析了江蘇電網(wǎng)故障對錦蘇直流和龍政直流運行的影響，混合仿真研究中直流輸電均采用詳細的電磁暫態(tài)模型，并對比分析了機電仿真和機電-電磁混合仿真的分析結論。分析結果表明，較之于機電-電磁混合仿真，機電仿真手段難以準確反映交流電網(wǎng)故障期間和故障恢復期間直流輸電系統(tǒng)的響應情況，仿真結論可能偏樂觀。建議在后續(xù)的電網(wǎng)分析工作中推廣機電-電磁混合仿真的使用，提高電網(wǎng)特性分析的準確程度。

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金 夢

金 夢(1989 —)，女，湖北仙桃人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、特高壓直流輸電運維檢修工作；

李修金(1972 —)，男，江蘇邳州人,高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護、變電站二次輔助系統(tǒng)的檢測、維護和研究等工作；

劉一丹(1971 —)，男，遼寧大連人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護運檢技術研究工作;

張 祥(1988 —)，男，江蘇張家港人，工程師，從事直流輸電運維檢修工作；

孫 毅(1988 —)，男，江蘇泰州人，工程師，從事電力系統(tǒng)分析與控制分析工作;

朱鑫要(1987 —)，男，河南尉氏人，工程師，從事FACTS建模、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制等研究工作。

(編輯 徐林菊)

Electromechanical-electromagnetic Hybrid Simulation ofJiangsu Power Grid Using PSModel

JIN Meng1, LI Xiujin1, LIU Yidan1, ZHANG Xiang1, SUN Yi1, ZHU Xinyao2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing 211102, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

With the rapid development of HVDC (high voltage direct current) in Jiangsu Power Grid, large amount of electric power would be integrated through HVDC in the future. It is found that fault of the AC power grid would affect the operation of HVDC through the bus voltage of the converter station, which may lead to commutation failure. However, electromechanical simulations, which are used for power system stability analysis nowadays, may not be able to accurately reflect the dynamic process. In this paper, by using BPA and PSModel, electromechanical simulations as well as electromechanical and electromagnetic hybrid simulations are performed to study the impact of Jiangsu Power Grid fault on the operation of HVDC, and the conclusions are supposed to be helpful for power system analysis.

ultra-high voltage direct current (UHVDC); commutation failure; electromechanical simulation; electromechanical and electromagnetic hybrid simulation

2016-12-31；

2017-02-21

國家自然科學基金資助項目(51607092)；國家電網(wǎng)公司科技項目(考慮寬頻特性交互影響的交直流混聯(lián)電網(wǎng)仿真技術研究)

TM721

A

2096-3203(2017)03-0007-06