大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算的相關(guān)問題

1、大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算的相關(guān)問題徐政9蔡曄9劉國平(浙江大學電機系9浙江省杭州市31 27摘要2針對大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算中涉及到的幾個相關(guān)問題進行了討論O 指出用于大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算的最有效的工具是帶有用戶自定義功能的交直流電力系統(tǒng)數(shù)字仿真程序9傳統(tǒng)的動模試驗和最新出現(xiàn)的實時數(shù)字仿真器并不適合于對大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)進行系統(tǒng)研究O 通過考察直流輸電換流器準穩(wěn)態(tài)模型導出的條件9闡明了直流輸電換流器的準穩(wěn)態(tài)模型在交流系統(tǒng)不對稱故障期間是不適用的O 論證了影響逆變器換相失敗的因素有多個9重點研究了觸發(fā)越前角換流站交流母線電壓跌落9直流電流增大以及換流變壓器短路阻抗等因素對換相

2、失敗的影響O 通過實例論證了交流系統(tǒng)故障時直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性9必須在仿真過程中通過對直流輸電系統(tǒng)及其控制器的行為進行精確的仿真計算才能得出9憑經(jīng)驗事先估計直流輸電系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障時的響應(yīng)特性是不科學和不可靠的O關(guān)鍵詞2交直流系統(tǒng)S 仿真工具S 準穩(wěn)態(tài)模型S 換相失敗S 直流系統(tǒng)響應(yīng)中圖分類號2TM 721S TM 743收稿日期22 2- 4-15O國家重點基礎(chǔ)研究專項經(jīng)費資助項目(G 199S 2 311 S 國家自然科學基金資助項目(597 7 5 O 0引言西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)將是我國今后幾十年內(nèi)電網(wǎng)發(fā)展的兩個主要趨勢O 十五期間9華中和華東電網(wǎng)將由3條直流輸電線路聯(lián)接起來9南方

3、電網(wǎng)將形成2個交直流并列送電通道9同時通過一回直流輸電線路與華中電網(wǎng)相聯(lián)接S 到2 2 年前后9隨著金沙江水電的開發(fā)9可能還有6條直流輸電線路從溪洛渡和向家壩水電站向華東和華中送電O 我國將成為世界上直流輸電線路最多直流輸送容量最大的國家O 由此形成的大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)9其運行的復(fù)雜性和難度在國際上是少見的O 因此9研究大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的仿真技術(shù)具有特別重要的現(xiàn)實意義O本文將對大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算中涉及到的幾個問題進行一些初步的探討O1大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算的工具對于大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)9研究交直流系統(tǒng)之間的相互作用特性是非常重要的O 例如9確定交流系統(tǒng)中哪些故障可以引起多

4、個逆變站同時發(fā)生換相失敗換相失敗后能否恢復(fù)需要多長時間才能恢復(fù)直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)應(yīng)采取什么樣的控制措施才能最大限度地使系統(tǒng)保持穩(wěn)定9就是一個常見的問題O 發(fā)生換相失敗本身并不可怕9因為這對直流輸電系統(tǒng)來說是不可避免的9通常后果也不嚴重O 問題的關(guān)鍵是當多個逆變站發(fā)生換相失敗后9其恢復(fù)過程是否順利O 如果恢復(fù)過程不順利而發(fā)生連續(xù)換相失敗9有可能導致整個交直流系統(tǒng)失去穩(wěn)定O 上述問題與交直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和具體運行工況有關(guān)9通常必須采用大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)分析計算程序進行仿真計算才能確定9憑經(jīng)驗的估計是不可行的9試圖采用動模試驗的方法來確定也是不現(xiàn)實的9因為能夠合理模擬近1 條直流輸電線路加上多個大區(qū)

5、電網(wǎng)的動模實驗室9目前世界上恐怕沒有O 關(guān)于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序9目前國際上比較著名的有美國PTI 公司的PSS /E 西門子公司的NETOMAC ABB 公司的SIMPOW 和加拿大POwertech 公司的DSA POWERTOOLS 等9國內(nèi)應(yīng)用比較普遍的程序有中國電力科學研究院的BPA 和PSASP 程序O 上述程序能否用于大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真計算9筆者認為主要是看該程序有無用戶自定義功能O 若程序缺乏用戶自定義功能9即使程序本身帶有缺省的直流輸電系統(tǒng)功能模塊9也往往難以滿足大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的要求O 因為從總體上說9直流輸電的控制系統(tǒng)還沒有標準化9不同

6、的直流輸電設(shè)備供應(yīng)商所采用的直流輸電控制系統(tǒng)是不同的9不同直流輸電工程中的直流系統(tǒng)控制器也不同9采用程序缺省的直流輸電系統(tǒng)功能模塊9通常不能合理地描述實際直流輸電系統(tǒng)的特性O(shè) 目前國內(nèi)有一種觀點認為購買足夠多的實時數(shù)字仿真器9就能夠模擬大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)9比如4第26卷第15期2 2年S 月 1 日VOLL 26NOL 15 A L 1 92 2南方電網(wǎng)O筆者認為采用眾多實時數(shù)字仿真器來進行大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)的系統(tǒng)研究一是沒有必要二是代價太大O實時數(shù)字仿真器是基于數(shù)學模型來模擬的在這一點上與數(shù)字仿真程序沒有任何區(qū)別所不同的是實時數(shù)字仿真器通常采用多處理器并行計算計算速度可以達到實時的要求而

7、數(shù)字仿真程序則采用串行計算計算速度較慢O但對于系統(tǒng)研究計算速度并不很重要實時與否無關(guān)緊要O因此在這一點上實時數(shù)字仿真器與數(shù)字仿真程序相比并不占優(yōu)勢O但在模擬系統(tǒng)的規(guī)模上目前的數(shù)字仿真程序已沒有任何限制大多數(shù)商業(yè)化的電力系統(tǒng)分析軟件模擬的系統(tǒng)規(guī)模在數(shù)萬節(jié)點以上而實時數(shù)字仿真器所能模擬的系統(tǒng)規(guī)模有限特別對節(jié)點個數(shù)有嚴格的限制因為增加節(jié)點最消耗仿真資源O因此要合理模擬一個大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)可能需要幾十甚至上百個實時數(shù)字仿真器其耗費的代價與數(shù)字仿真程序根本不可比O2直流輸電系統(tǒng)準穩(wěn)態(tài)模型的適用性分析目前國內(nèi)普遍使用的交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序如PSS/ENETOMA SIMPOWBPA PSAS

8、P等所采用的直流輸電系統(tǒng)模型都是平均值模型1即所謂的準穩(wěn)態(tài)模型O直流輸電系統(tǒng)的平均值模型在以下基本假設(shè)條件下導出:D換流器母線的三相交流電壓是對稱平衡的正弦波換流器本身的運行是完全對稱平衡的直流電流和直流電壓是平直的換流變壓器是無損的且激磁電流可以忽略O(shè)因此在實際計算時必須注意模型的適用性O(shè)通常在機電暫態(tài)仿真時都假定上述后3個基本假設(shè)條件成立但第1個基本假設(shè)條件不能假定它永遠成立因為交流系統(tǒng)不對稱故障期間通常換流站交流母線的電壓不再對稱O因此準穩(wěn)態(tài)模型在交流系統(tǒng)不對稱故障期間不適用O所以目前電力系統(tǒng)中普遍使用的機電暫態(tài)仿真程序?qū)恢绷飨到y(tǒng)不對稱故障期間的仿真計算是不嚴格和不精確的O3導致逆變器

9、換相失敗的因素分析在交直流系統(tǒng)仿真計算中準確模擬直流輸電系統(tǒng)的響應(yīng)特性是一個關(guān)鍵問題O如果仿真程序?qū)χ绷鬏旊娤到y(tǒng)的模擬比較粗略例如不能準確模擬直流輸電系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障時的響應(yīng)特性而采用比較粗略的辦法如換流站交流母線電壓跌落到某值時就認為發(fā)生換相失敗有可能導致錯誤的結(jié)果O因為導致?lián)Q相失敗的因素較多換相失敗之后的恢復(fù)過程就更為復(fù)雜單靠某幾個指標來判斷換流器的響應(yīng)特性是不可能的O當兩個橋臂之間換相結(jié)束后剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)如果未能恢復(fù)阻斷能力或者在反向電壓期間換相過程一直未能進行完畢這兩種情況在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導通的閥倒換相這稱之為換相失敗1O它使

10、得逆變器在一段時間內(nèi)發(fā)生直流反電壓降低直流電流增大O造成換相失敗的原因有:交流電壓下降直流電流增大交流系統(tǒng)不對稱故障引起的線電壓過零點相對移動觸發(fā)越前角B 過小或整定的關(guān)斷越前角7過小等O導致?lián)Q相失敗的各個因素之間的相互關(guān)系可以用下式表示:7=B-u1D 式中:7為關(guān)斷越前角簡稱為關(guān)斷角B為觸發(fā)越前角u為換相角O可見7直接決定于B和u O實際運行時通常7角的整定值總是要比晶閘管實際需要的關(guān)斷角7min大一些因為需要考慮串聯(lián)聯(lián)接的晶閘管之間的電壓分布不平衡器件特性的變化以及安全裕度等O通常7角的整定值為18 左右如果逆變器按定電壓運行7角的整定值可以更大一些例如22 O正常運行時7角整定值取大一

11、些對避免故障時的換相失敗是絕對有利的不利的方面是增加了正常運行時的無功消耗以及對換流設(shè)備的額定值提出了更高的要求O晶閘管實際需要的關(guān)斷角7min通常在6 9 之間O實際運行時觸發(fā)越前角B由直流輸電的控制器決定它與觸發(fā)滯后角O的關(guān)系為:B=180 -O事實上直流輸電換流器的所有控制最終都要落實到對O或B的控制O換相角u決定于多個因素其計算式為:u=B-arccos21d Xcos B2D式中:B為觸發(fā)越前角1d為直流電流X為換相電抗當假設(shè)換流器交流母線裝有完善的濾波裝置而使交流電壓不畸變時X即為折算到閥側(cè)的換流變壓器短路阻抗為換流變壓器交流系統(tǒng)側(cè)電壓直接折算到閥側(cè)的電壓不包括換流變壓器中的壓降O

12、根據(jù)式2Du決定于4個變量其中:B1d是系統(tǒng)運行時的狀態(tài)量在運行時是可變的X是裝置的特征參數(shù)在系統(tǒng)運行時可以認為是固定的但在系統(tǒng)規(guī)劃階段X是可以選擇的因此在系統(tǒng)規(guī)劃階段可以認為X也是可變的O下面分別考察上述4個變量對換相角u和關(guān)斷越前角7的影響O為了使計算更有實際意義計算條件與規(guī)劃中的溪洛渡右廠送金華直流輸電線路基本一致O亦即:直流系統(tǒng)額定電壓為#600k 輸送額定功率3500MW O對應(yīng)于一個6脈動換流橋計算的原始條件為:逆變站換流變壓器額定容量S為5.電力大系統(tǒng)災(zāi)變防治和經(jīng)濟運行重大課題專欄.徐政等大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計算的相關(guān)問題 1009MVA;逆變站換流變壓器的額定變比為525k

13、V/245kV;逆變站換流變壓器短路阻抗M k為15%;初始運行點逆變側(cè)的直流電壓為550kV;初始運行點逆變側(cè)的直流電流為2.917kA;初始運行點逆變站交流母線電壓為505kV該電壓折算到換流變壓器閥側(cè)電壓UV相當于0.96C標幺值O 由上述原始條件可以計算出:運行點的觸發(fā)越前角B0為38.2 ;運行點的換相角u為18.7 ;運行點的關(guān)斷越前角7為19.5 O3.1I d保持恒定時Y和J隨U V和B變化的關(guān)系圖1為保持1d 為初始值時7和u隨UV和B變化的關(guān)系曲線O ,1982徐政(1962 ,男,教授,博士生導師,主要研究領(lǐng)域為直流輸電與柔性交流輸電 電力諧波與電能質(zhì)量 電力市場及其技術(shù)

14、支持系統(tǒng)O E -mail ,xufeng hzcnc .com蔡曄(1978 ,男,碩士研究生,主要研究方向為直流輸電與柔性交流輸電O劉國平(1978 ,男,碩士研究生,主要研究方向為直流輸電與柔性交流輸電OSOME P R O BL EMS IN T HE S I M UL A TI O N OF L A RG E -SCA L E AC /DC PO W E R S Y S T EMSXZheng ,Caz ye ,LzGObzng (Zhejiang uniVersity .angzhou 310027.China JA b stract :S ome pro b lems in th

15、e simulation of large -scale A C /DC power systems are d iscusse d .I t can b e justifie d that the most effectiVe tool for large -scale A C /DC systems analysis is the d igital simulation software with the functions of users d efi-nition .Both the conVentional d ynamic mo d eling d eVice an d the n

16、ewly real -time d igital simulator are not suita b le for the analy-sis of large -scale A C /DC systems .By stu d ying the presupposition of the g uasi -stea d y state mo d el of the VDC conVerter .the g uasi -stea d y state mo d el of the VDC conVerter is proVen to b e inVali d when asymmetrical fa

17、ults occur in the A C system .I t is also d emonstrate d that there are seVeral factors causing VDC conVerter commutation failure .the most important factors inclu d e the a d Vance firing angle .the Voltage d rop of the conVerter A C b us .the d irect current increment an d the short circuit impe d ance of the conVerter transformer .A n example further proVes that the d ynamic response of the VDC system un d er A C system faults can only b e calculate d in the process of the simulation an d can not b e d etermine d in a d Vance .This project is supp