黑龍江電網(wǎng)全電磁暫態(tài)建模研究

張 睿，郝文波，胡遠婷，劉 進，張美倫

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

目前針對交直流相互影響仿真分析大多采用機電暫態(tài)仿真，雖然交流電網(wǎng)基本已采用實測數(shù)據(jù)建模，但是特高壓直流的建模仍較為簡化。有部分研究采用了機電-電磁暫態(tài)混合仿真，但大多只是將直流以電磁暫態(tài)建模，電網(wǎng)其余部分均以機電暫態(tài)建模[1]。由于機電暫態(tài)模型采用基波相量描述，電磁側(cè)非線性元件引起的波形畸變等諧波特性無法全部通過混合仿真接口傳遞至機電側(cè)，因此在一定程度上影響了計算的精度[2]。

為準確認識電網(wǎng)特性，展開黑龍江電網(wǎng)全電磁仿真建模分析計算工作,對黑龍江電網(wǎng)500 kV交流系統(tǒng)N-1、N-2、直流換相失敗、直流雙極閉鎖等故障開展計算分析，分別進行機電仿真數(shù)據(jù)和全電磁仿真數(shù)據(jù)掃描，從暫態(tài)電壓穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定、電廠出力以及特高壓直流響應(yīng)特性等方面比較不同仿真工具下的差異。

1 交直流互聯(lián)大電網(wǎng)全電磁暫態(tài)建模工具及模型

采用電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)(ADPSS)，主要應(yīng)用軟件包括機電暫態(tài)計算程序(PSASP7.51)和電磁暫態(tài)計算程序(ETSDAC2.6)。該軟件涵蓋了適用于大電網(wǎng)運行仿真分析的關(guān)鍵設(shè)備電磁暫態(tài)模型，包括發(fā)電機及其調(diào)節(jié)器、交流線路、變壓器、直流輸電系統(tǒng)、電力電子設(shè)備、負荷等各種元件[3]。

1.1 機電暫態(tài)仿真

機電暫態(tài)仿真，主要用于分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即用來分析當電力系統(tǒng)在某一正常運行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經(jīng)過一定的時間后回到原來的運行狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的問題。通過機電暫態(tài)仿真可以判別系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)頻率穩(wěn)定性[4]。

機電暫態(tài)仿真的主要功能包括：

1)復(fù)雜故障的模擬;

2)仿真中可考慮各種用戶自定義模型;

3)仿真中可接入Matlab數(shù)字模型;

4)自動判穩(wěn)和終止仿真;

5)仿真結(jié)果的Prony分析;

6)大規(guī)模電網(wǎng)實時計算;

7)具備物理接口功能。

1.2 電磁暫態(tài)仿真

電磁暫態(tài)仿真，主要用于分析和計算故障或操作后可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓和過電流，以便根據(jù)所得到的暫態(tài)過電壓和過電流對相關(guān)電力設(shè)備進行合理設(shè)計，確定已有設(shè)備能否安全運行，并研究相應(yīng)的限制和保護措施[5]。

電磁暫態(tài)仿真的主要功能包括：

1)包含豐富的電力系統(tǒng)元件模型，如發(fā)電機、變壓器、線路、PT/CT、非線性元件、電力電子元件、直流元件、負荷元件等;

2)可模擬電力系統(tǒng)的各種暫態(tài)過程，包括操作暫態(tài)、諧振暫態(tài)、故障暫態(tài)等;

3)具有分網(wǎng)并行計算功能，實現(xiàn)了一定規(guī)模電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實時或超實時仿真;

4)可通過A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口接入物理模型或?qū)嶋H控制裝置，進行電力系統(tǒng)的仿真研究或裝置試驗。

在仿真過程中可接入繼電保護設(shè)備、安全自動裝置、PSS裝置、發(fā)電機勵磁裝置、SVC控制裝置、HVDC控制裝置等，進行裝置的檢驗和試驗研究。

1.3 ADPSS直流系統(tǒng)模型

ADPSS直流控制系統(tǒng)建模采用經(jīng)典控制模型，整流側(cè)采用定電流控制、低電壓限電流控制，逆變側(cè)采用定電流控制、定關(guān)斷角控制、定電壓控制、低電壓限電流控制[6]。ADPSS直流控制系統(tǒng)中控制器采取定電流、定電壓、定熄弧角的偏差選擇來實現(xiàn)控制器之間的協(xié)調(diào)，其穩(wěn)態(tài)控制方式為整流側(cè)定電流、逆變側(cè)定熄弧角的控制方式。直流控制保護系統(tǒng)計算邏輯層次圖如圖1所示。

圖1 直流控制系統(tǒng)圖Fig.1 DC control system diagram

2 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架機電數(shù)據(jù)核查

機電數(shù)據(jù)與電磁數(shù)據(jù)側(cè)重點不同，目前PSASP平臺部分元件參數(shù)缺失，數(shù)據(jù)存在誤差，會對全電磁仿真結(jié)果產(chǎn)生較大影響，在機電模型轉(zhuǎn)電磁模型之前需要對機電數(shù)據(jù)進行全面核查。

2.1 機電數(shù)據(jù)核查原則

考慮到部分元件參數(shù)對機電暫態(tài)仿真結(jié)果影響不大但對電磁暫態(tài)仿真影響較大[7]，應(yīng)對“源-網(wǎng)-荷”等各類參數(shù)按《機電數(shù)據(jù)核查規(guī)范》逐一核查，主要包括以下四類。

1)發(fā)電機。同步機模型號、發(fā)電機阻抗、機組額定參數(shù)等。

2)變壓器。繞組接線方式、激磁電阻電抗、繞組電抗等。

3)線路。線路正序、零序參數(shù)。

4)負荷。負荷模型類型、感應(yīng)電動機比例。

2.2 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架機電數(shù)據(jù)核查結(jié)果

2.2.1 變壓器核查結(jié)果

校核了黑龍江范圍內(nèi)三繞組變壓器繞組連接方式，按照“站內(nèi)有3臺變壓器的2臺變接地，有2臺變壓器1臺變接地”的原則，共24處做出修改，結(jié)果見表1。

表1 三繞組變壓器核查結(jié)果Table 1 Three winding transformer investigation result

2.2.2 發(fā)電機核查結(jié)果

校核了黑龍江范圍內(nèi)發(fā)電機參數(shù)，通過實測報告校核，共1處做出修改，修改結(jié)果見表2。

表2 發(fā)電機核查結(jié)果Table 2 Generator verification results

2.2.3 線路

校核了黑龍江交流線路參數(shù)，通過實測報告校核，交流線路正序電阻和零序電阻R1、R0參數(shù)共199處做出修改。

校核了黑龍江交流線路參數(shù)，通過實測報告校核，交流線路正序電抗和零序電抗X1、X0參數(shù)共200處做出修改。

校核了黑龍江交流線路參數(shù)，通過實測報告校核，交流線路正序電納B1/2和零序電納B0/2參數(shù)共201處做出修改。

3 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架電磁暫態(tài)建模

東北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架，由東北各分區(qū)自行機電數(shù)據(jù)校核以及全電磁模型搭建，封裝進子電路，進行各省交流電網(wǎng)的拼接，并在交流大電網(wǎng)中加入直流模型，最終形成交直流互聯(lián)電網(wǎng)全電磁模型。

3.1 全電磁暫態(tài)建模原則

電磁暫態(tài)仿真的計算原件模型采用微分方程或偏微分方程描述，機電暫態(tài)仿真原件模型采用基波相量描述，機電模型可視作由電磁模型忽略部分電磁暫態(tài)過程簡化而來，其模型參數(shù)與電磁模型的大部分參數(shù)是一致的，而電磁模型有但機電模型無的參數(shù)可按默認參數(shù)補齊，故而交流網(wǎng)的機電暫態(tài)數(shù)據(jù)與其電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)具有良好的互轉(zhuǎn)性[8]，見表3。

表3 機電-電磁元件模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換映射表Table 3 Mapping table of electromechanical-electromagnetic component model data conversion

3.2 黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架電磁暫態(tài)模型校核

黑龍江電網(wǎng)骨干交流電網(wǎng)完成電磁模型轉(zhuǎn)化后與東北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架交流大電網(wǎng)拼接，含有直流的各分區(qū)根據(jù)直流建模方法將各省的電磁暫態(tài)直流模型搭建完成，然后跟交流大電網(wǎng)拼接成交直流大電網(wǎng)，進一步與機電暫態(tài)潮流結(jié)果進行穩(wěn)態(tài)對比。圖2為東北交直流互聯(lián)電網(wǎng)中黑龍江省部分。

重點觀察電磁模型仿真結(jié)果中各直流近區(qū)母線電壓的幅值和相角、近區(qū)發(fā)電機功率、交直流交換功率以及直流電壓等數(shù)據(jù)，通過調(diào)整直流相關(guān)參數(shù)，使得前述各量較直流加入前變化不大，確保電磁機電潮流比對結(jié)果滿足要求。針對差異較大地區(qū)，需重新按照第一步數(shù)據(jù)核查原則校驗核查設(shè)備模型參數(shù)，確保各省220 kV及以上母線電壓偏差小于0.01 p.u.，其余母線電壓偏差小于0.02 p.u.，發(fā)電機有功偏差小于10 MW，關(guān)鍵斷面有功偏差小于50 MW。

圖2 黑龍江交直流互聯(lián)電網(wǎng)Fig.2 Heilongjiang AC/DC interconnected power grid

4 東北電網(wǎng)骨干網(wǎng)架交直流大電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)對比結(jié)果

電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)仿真時長設(shè)置為30 s，選取25～30 s內(nèi)電磁側(cè)與機電側(cè)的計算結(jié)果，分別對發(fā)電機功率和母線電壓進行對比。

4.1 發(fā)電機有功功率結(jié)果對比

要求電磁暫態(tài)計算結(jié)果與機電側(cè)相比，有功絕對誤差須小于10 MW。該次計算結(jié)果中有功絕對誤差最大的10臺發(fā)電機和無功絕對誤差最大的10臺發(fā)電機見表4，都滿足計算要求。

4.2 母線電壓結(jié)果對比

要求機電電磁暫態(tài)結(jié)果對比中，母線電壓誤差不大于1%。計算結(jié)果中選取母線電壓誤差最大的10條母線見表5。

如表4～6所示，東北交直流互聯(lián)電網(wǎng)全電磁模型的穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果與機電數(shù)據(jù)潮流結(jié)果進行比對，滿足精度要求。

表4 有功絕對誤差最大的10臺機組Table 4 Ten units with the largest absolute error of active power

表5 母線電壓誤差最大的10臺機組Table 5 Ten units with the largest error of bus voltage

表6 聯(lián)絡(luò)線對比結(jié)果Table 6 Tie line comparison results

5 結(jié) 語

1)通過對電力系統(tǒng)機電暫態(tài)模型與電磁暫態(tài)模型的分析對比，順利完成了黑龍江電網(wǎng)骨干網(wǎng)架機電暫態(tài)模型到電磁暫態(tài)模型的轉(zhuǎn)化，并成功將黑換直流模型加入交流網(wǎng)中，最終實現(xiàn)東北電網(wǎng)交直流互聯(lián)大電網(wǎng)的全電磁暫態(tài)建模。

2)基于電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)(ADPSS)對交直流互聯(lián)大電網(wǎng)進行無故障仿真計算，根據(jù)穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果，依托電磁-機電數(shù)據(jù)對比程序，對母線、發(fā)電機、關(guān)鍵斷面數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果滿足精度要求。