交直流混合电网电磁暂态仿真模型构建与分析

摘要：交直流混合输电为电网运营在技术上的更新与管理上的模式带来新的挑战。文章分析交直流混合输电模式，对其电磁暂态仿真模型进行构建与分析，首先进行交流系统电磁暂态仿真模型分析，包括数据的转换与录入以及电磁暂态仿真模型的搭建，然后对直流系统电磁暂态仿真模型进行分析。

关键词：交直流混合电网；电磁暂态仿真；模型构建

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0107-04

1 概述

我国的能源需求在地理分布上并不均匀，因此建设特高压以及超高压的骨干网架，是电力系统发展的大趋势。当前，随着电力建设进程的发展，高压直流输电已经逐步被引入到跨区域的输电系统之中，交直流混合电网项目也逐步在全国各地上马动工。然而应该看到的是：这种输电的模式一方面能够为国家经济与电网企业带来明显的效益，另一方面也使得电网结构日趋复杂化，并为其在技术上的发展与管理上的模式带来了新的挑战。在交直流混合电网中，直流系统与交流系统最大的区别就在于其特殊的运行特性，例如基于直流的输电模式，其控制系统的响应时间普遍短于交流系统，直流输电往往能够在毫秒级别的时间之内完成响应，因此在交流系统的交织下，可以把直流输电模式看作一个典型的大负荷。正是由于直流输电具备与众不同的运行特点，并且能够传输相对较大的功率，因此在交直流混合电网中由于交流和直流的互相作用，便可能面临各类难以解决的技术难点。包括：如果处于直流输电网络范围之内的交流部分出现故障或者障碍时，便有可能导致直流输电系统中换流器无法实现正常换相。在换相的过程里，涉及到复杂度比较高的电气量变化，会在很大程度上影响其附近的继保设备，甚至使之误动。因此，如何提高大规模交直流电网的可靠性和经济性，是一个亟待解决的问题。本文以山东电网为例，分析其在纳入直流输电模式之后，一旦电网中的直流系统发生故障，有可能为交流带来何种影响。并以含国家电网公司达标投产的重点工程，也是全国第一条±660千伏电压等级的输电工程――宁东至山东±660千伏的交直流混合电网为例，对其电磁暂态仿真模型进行构建与分析，首先进行交流系统电磁暂态仿真模型分析，包括数据的转换与录入以及电磁暂态仿真模型的搭建，然后对直流系统电磁暂态仿真模型进行分析，包括直流系统基本概况的介绍以及各类设备参数的选择，最后在此基础上阐述了电网混合系统潮流、短路电流的调节的思路。本文的成果可以给交直流混合输电网络中的故障瞬态特征分析提供比较好的理论支持与实践借鉴。

2 交流系统电磁暂态仿真模型分析

对交直流混合电网进行仿真，首先应进行数据源格式的统一化，然后搭建电磁暂态仿真模型。本研究是基于PSCAD/EMTDC环境的，因此所有的数据均应能符合该环境之下的要求。本部分关注的是电网中一旦发生直流输电系统的障碍或者故障，以其瞬态特征为研究对象，评估当直流换相不成功的时候会为交流保护带来怎样的影响，为其构建仿真模型。所以，首先应该把基于PSASP的所有数据进行转换，使之成为基于PSCAD的数据，从而便于在电力系统仿真分析软件的环境中进行电磁暂态仿真模型的搭建。此类模型的搭建目前的研究成果和实践案例并不多，因此结合山东电网的特点以及交直流混合输电的具体方案，本文通过以下的思路进行电磁暂态仿真模型的构建：第一步：进行数据格式的转换，把基于电力系统分析综合程序的数据映射为基于电力仿真软件PSCAD的数据。第二步：结合电网的具体情况，以典型的电网方案为基准，构建交流仿真模型。在进行不同环境之下格式转换的时候，需要考虑的电器参数包括网内的电源、变压设备以及无功补偿设备等。第三步：对程序进行调试，使所构建的仿真模型开始运行，同时对于电网中潮流和短路电流分布进行调整，使数据转换前后的电气环境保持一致。

2.1 数据的转换与录入

2.1.1 变压设备的数据转换过程。在PSCAD环境中，涉及到变压器设备电磁暂态环境的数据，需要转换的有：变压器的容量、变压器工作频率、变压器绕组方式等等。采用的具体方法为：

（1）对于基于电力系统分析综合程序的变压设备所有绕组的短路电压参数，可以将其直接转换为基于PSCAD环境的中漏电抗。

（2）对于变压设备由磁滞损耗和涡流损耗组成铁耗与铜耗，应通过转换，将有名值映射到标幺值。举例来讲，电力系统分析综合程序中，若铁耗值为24725kW，便能够映射为PSCAD环境中的标幺值01003495p.u.。如果是将PSASP电力系统分析综合程序中的铜耗映射到基于PSCAD的环境，方法是首先将三组短路损耗进行求和并除二，获取其有名值，然后将此有名值映射为标幺值。

2.1.2 输电线路的数据转换过程：

（1）确定输电线路模型。由于本研究主要针对的是输电线路在动态方面的属性，所以确定以分布参数的模型来描述输电线路。由于是研究电磁暂态下的属性，因此经过综合比较，Phase模型适用于频率变化范围较大的环境，因此本研究以Phase模型作为线路模型的描述与仿真方式。

（2）确定输电线路参数。在基于PSCAD的分析模式下，我国大部分地区的超高压及以上电网均为水平排列方式；在Phase环境里涉及到的输电线路数据包括：输电杆塔的高度、电力线路以及接地线，这些数据均应进行转换。对输电数据进行格式转换的方法是：第一步：对输电线路的物理参数进行确定，并对所有数据进行合理的修正，保证电力系统分析综合程序中所获取的输电线路参数和基于PSCAD环境的参数保持一致。第二步：对于接地线涉及的土壤电阻率，则首先选定其缺省值，然后结合具体情况作出必要的调整。在做好以上步骤之后，PSCAD支持通过物理参数获取所对应的电气参数。

2.1.3 无功补偿数据转换过程。在对混合电网的无功补偿进行数据转换时，必须了解的数据包括无功补偿装置的一些主要参数，例如电容值以及电抗值等等。所以必须把电力系统仿真分析软件之下的此类参数的标幺值进行转换，使之成为电容值以及电抗值。一般情况下，高压输电采用的接线方法均为星形接线。因此本研究也将星形接线方式作为无功补偿装置电容、电抗数据转换的接线方式。具体思路为：根据阻抗值计算式以及阻抗基准计算式，最终经过推导，得到无功补偿的电容值计算式为：

电抗值计算式为：

2.2 电磁暂态仿真模型的搭建

2.2.1 确定电源的主接线。对于电网内的大型发电厂而言，其接线方式均选用了安全性相对较高的单元接线。考虑到该地区电网之内的发电厂绝大部分的单机容量超过了300MW，因此其电源的主接线全部是单元接线。

2.2.2 确定变电站的主接线。结合（原）水利电力部西北电力设计院《电力工程电气设计手册电气一次部分》的规定，根据电网的变电站实际情况进行接线方式的设置，500kV变电站和220kV变电站接线方式有所不同，前者采取的是规定中的第三类接线方式，后者则为第一类接线方式。如图1所示：

2.2.3 确定无功补偿接线方式。在电网建设的工程实践中，以星形接线作为电力电容器组接线方式的最优选择。所以，本研究中，对无功补偿装置选择了单星形方式。

2.2.4 低电压电网的等值。为使研究结论更加明晰，主要将电网里500kV中的直流系统落点以及和直流关系较大的交流纳入等值计算，而其他低等级交流适当简化。对于和直流关系较大的交流，则精确地纳入其网架结构、重要负荷等内容。简化的前提是不对电网的重要电气特性造成较大的影响，简化之后的结果能够进一步降低仿真的工作量，并在很大程度上增强仿真效率。本研究结合文献中成熟的等值法，把电压级别较低的电网等值为一个独立负荷，如下图2所示：

等值之后，一方面能够降低电网的复杂度，另一方面还能突出网络动态特性。

2.2.5 电网结构的确定。在电网网架的确定中，首先将全部500kV等级的变电站以及主力电厂纳入，通过等值处理，把220kV电网等值为电压源，从而构建出暂态仿真模型所需的电网网架结构。

3 直流系统电磁暂态仿真模型分析

3.1 系统概况

在基于PSCAD的软件下，下图3所示为本研究所涉及的直流输电系统。系统中的主要部件，包括变压器、直流线路等全部为详细暂态模型。

3.2 系统参数的确定

3.2.1 换流变压器参数。系统以单相双绕组作为两侧换流变压器，两侧分别有十二台主变压器。结合工程实践中直流输电系统换流站主回路中换流变压器短路阻抗的参数选择原则及方法，将阻抗百分比定位于18%。

3.2.2 平波电抗器参数。结合电网建设工程实践中的高压直流经验，对于平波电抗器参数的计算并无公式可循，需要经过一个逐步逼近最佳值的过程值。本研究所关注的是远距离高压直流输电，结合相关文献以及工程经验，一般将平波电抗器参数工频电抗标幺值设置在0.2～0.7的区间之中。本研究取280mH。

3.2.3 直流线路参数的确定。由于存在电晕的约束，本文所研究电压等级的直流线路为避免电晕，必须选择6分裂导线；为了电磁环境达标以及可听噪声符合相关行业和环保标准，本文所研究电压等级的直流线路导线截面应高于500mm2，综合考虑所有因素之后，导线参数选择6×500mm2。

3.2.4 控制系统参数的确定。本研究在确定控制系统参数时，结合我国目前比较成熟的高压直流输电系统，其在控制系统的配置方面，一般由3个层次组成，分别是：极控制层、换流器层以及单独控制层。其中，极控制层的功能是分析并转译由电力调度部门传输来的直流功率相关指令，对这些指令进行必要的分析之后，向换流器控制层传输指令；换流器层的主要功能是将来自极控制层的指令进行分析和译码，使之成为触发角指令的格式，并进一步传送至所有的阀组控制部件；单独控制层的功能是控制换流器的分接头以及无功补偿等等。只有来自高层的指令能够被下面的层次准确译码并执行，电网才能协调准确地安全运行，为了实现此目标，就应该注意到这些场次在响应时间上存在着很大区别，随着层次变高，其在响应时间方面也会变长。举例来讲，对于处于较高层次的极控制层而言，其功率阶跃响应的时间量级往往是0.1秒，而处于较低层次的换流器层的响应时间一般在4毫秒以内。

（1）极控制层参数分析。在本研究的建模过程中，极控制层所需的电流指令是系统预先给定的，因此在这种情况下不必对电网调度部门的功率进行数值模拟。因此在本研究中不必对这一层的参数进行分析。

（2）换流器层参数的确定。在本研究所设计的输电系统里，换流器控制一方面属于断网的基础控制功能，另一方面也是技术的核心，其控制过程是将触发脉冲作为指令，实现对电网传输功率的配置。

（3）单独控制层参数的确定。单独控制层的主要功能是对变压器分接头以及无功补偿等进行控制。其中，对分接头进行控制，具体内容是对分接头的位置进行自动调整，从而精确地将逆变器的关断角控制在安全范围以内，在实现此功能时，应和换流器本身的控制过程进行配合，具体来看，变压器的分接头通常有两种控制模式，分为角度模式与电压模式。前者的优势在于可以让换流器在许多类别的运行条件中能够拥有比较理想的功率因数。如果电网输送的直流功率相同，则被换流器所消纳的无功一般并不多，则分接头调节的空间变得比较大；而其不足之处在于分接头的动作过多，因此电网的检修次数也增多，耗费了人力物力。此外，目前比较成熟的换流器，其开关依旧为机械原理，对其进行调节的耗时往往多于5秒钟，可见其响应时间并不理想。通常只将角度模式作为电网的备用调节方法。综上所述，考虑到单独控制层缺点是响应时间不理想，因此在进行建模的时候并不纳入此种功能。

4 混合系统潮流的调节

结合以上的分析，本研究给出交直流混合输电系统潮流调节的步骤：

（1）遵循事先拟定的交直流电网运行模式，在电力仿真软件的支持环境下获取这种运行方式的具体潮流情况。

（2）然后，基于PSCAD的环境，以第（1）步里完全一样的交直流混合电网运行方式，不断对电源出力进行调节，并调节等值负荷，目的是使电力仿真软件的支持环境下与PSCAD环境下潮流达到一致。

在PSCAD环境中设置负荷模型时，关键的步骤是选定一些参数，包括dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ等，并将其取值区间设定为[-5，5]。具体到本研究，将PSCAD环境中dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ均设置为0，含义是恒功率负荷。同时，对于有功无功的功率均应集合具体的潮流进行适当的调节，从而使潮流分布能够保持一致。

5 混合系统短路电流的调节

在电力仿真软件的支持环境下以及在PSCAD中潮流分布大体相同的条件下，对交直流混合电网的短路电流进行调节。具体的过程为：

（1）在电力仿真软件的支持下，为混合电网设定特定运行模式，并基于这种模式来获取三相短路故障的时候全网的短路电流实际分布情况。

（2）进入PSCAD的环境，并设置单位故障与电力仿真软件相同，通过对次暂态电抗的值进行渐进性的调整，使电力仿真软件的支持环境下与PSCAD环境下短路电流分布达到一致。两种方式之下的短路电流实际分布及误差比较如下表1所示，可见误差在工程误差允许的范围内。

6 结语

本研究在电力仿真软件的支持环境下，研究交直流混合输电系统的电磁暂态仿真模型，以宁东至山东±660千伏的交直流混合电网为例，在PSCAD环境下搭建了含直流馈入的电网仿真模型。在仿真模型里对电网所涉及的各类主要设备进行了模拟，包括火力发电厂、变压设备、电力线路等；然后对电网涉及到的电源、电气接线以及无功补偿等设计了其接线。在电力系统仿真分析软件的支持下，进行电网混合系统潮流、短路电流的调节。本文的成果有助于提升对于交直流系统的特性分析水平，具有比较好的理论价值与实践意义。

参考文献

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