基于pscademdc的800kv多馈入交直流系统仿真模型研究

基于pscademdc的800kv多馈入交直流系统仿真模型研究

0基于物理流器的大规模多馈入交直流系统动态特性仿真研究2005年，南方电网形成了“五交三直”模式。2009年至2010年，该规划采用800kv和5000mw高压直接向云南输送供水。届时,南方电网将形成更大容量和长距离交直流并列输电的电网格局,其规模和复杂程度在国内外都没有先例。因此,对其进行动态特性研究具有重要意义。常规的机电暂态程序通常情况可以对直流双极闭锁这样的严重故障进行充分的计算和研究,但还存在一定局限:由于其采用的直流模型的限制,当需要考虑交流不对称故障对高压直流(HVDC)换相过程的影响及与直流控制系统性能密切相关的交流扰动后直流系统恢复等问题时,机电暂态仿真就不能给出足够准确的结果。从国内外的研究看,以往在针对具体的多馈入系统中交直流相互作用以及仿真建模等方面进行过一些研究,但对考虑直流换流器详细模型的大规模多馈入交直流系统电磁暂态仿真建模及其动态特性研究,仍没有较成熟的研究方法和成功建模的实例。文献将稳定性研究中的HVDC模型分为简单模型、响应模型和详细模型3类,对直流仿真研究有重要的指导意义;文献利用NETOMAC软件建立了详细模型和简单模型,并对二者进行了对比;文献基于NETOMAC混合仿真功能提出利用交流系统机电暂态加直流网络电磁暂态仿真相结合的方法实现大规模多馈入交直流系统仿真;文献同样基于NETOMAC以南方电网为原型建立了直流详细模型;文献的研究中换流器采用了准稳态模型。本文以含特高压直流的多馈入交直流系统——规划中的2010年南方电网为研究对象,应用具有换流器详细模型的PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件,对其动态特性进行了研究。研究结论为南方电网系统规划和安全稳定措施的制定提供了理论依据。1多馈入直流输电系统多条直流输电线路落点于同一交流电力系统便形成了所谓的多馈入直流输电系统。以研究含特高压直流的多馈入系统动态特性相关问题为目的,本文认为仿真研究重点主要有以下几个方面:1交流系统不对称故障的多馈换流器模型以往研究中根据换流母线电压跌落一定幅值判断直流发生换相失败是不够准确的。应用直流换流器准稳态模型进行过类似研究,当交流系统不对称故障期间通常换流站交流母线的电压不再对称,具有一定局限。因此,采用详细换流器模型研究多馈入交直流系统中换相失败问题更为精确。重点研究换流站附近交流系统故障是否会导致换相失败、换相失败后能否恢复、恢复过程所需要的时间及直流最低输送功率是多少等问题。2运及系统稳定性交流系统严重故障是否会导致1条或几条直流线路停运及系统是否会继续保持稳定;由于直流内部故障导致直流单极或双极闭锁给交流系统带来的送端功角稳定问题、受端电压稳定问题以及对其他直流的影响。3逆变侧交流系统故障稳定性±800kV级特高压直流输电系统的额定输送容量比较大,特高压直流由于逆变侧交流系统故障致使换相失败时伴随的输送功率下降是否会引起系统中其他直流相继发生换相失败;特高压直流单极线路发生故障,直流再启动对多馈入系统中其他直流及送受端交流系统的稳定性影响等问题。2大规模多馈入交直流系统动态特性仿真及优化技术本文以PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件用于大规模多馈入交直流系统动态特性研究为出发点,解决了仿真建模及动态特性研究过程中系统等值、模型处理及仿真步骤等问题。2.1系统和模型处理1流的多馈入交直流系统动态等效PSCAD/EMTDCV4.0以上版本对仿真系统规模已无限制,但大规模电力系统电磁暂态仿真还受计算速度的制约。含特高压直流的多馈入交直流系统动态性能研究中,没有必要建立全部系统的详细模型。应根据研究的问题对原网络进行交流系统动态等值简化,例如动态等值未与直流相联的220kV交流系统。进行动态等值的目的是:在保持系统动态性能的前提下,针对研究所关注的问题简化系统网络,以便在电磁暂态仿真程序中进行计算分析。简化过程中确保线路潮流、保留发电机组的动态摇摆特性及各条直流工作状态与原网一致。2直流输电线路控制保护系统仿真模型仿真模型包含交流系统模型及直流系统模型。交流系统模型中,交流发电机采用含励磁系统及调速系统的模型,并根据需要搭建电力系统稳定器及继电保护控制逻辑,变压器采用含励磁特性的详细变压器模型,交流输电线路根据研究需要可选择PI型、贝杰龙模型或频率模型。直流仿真模型中,交、直流滤波器可自行搭建,换流器采用详细模型,通过设置可以与实际系统一样输出阀各项监测量,直流输电线路及控制保护系统可用PSCAD/EMTDC自带控制元件根据研究需要搭建,主要包括:直流基本的启、停控制及基本的保护系统,除此之外,可根据多馈入交直流系统动态特性研究的问题增加控制保护系统功能。应用PSCAD/EMTDC进行大规模多馈入交直流系统动态特性研究时,使用分页的方法能够方便大规模电网的建模;由于电磁暂态软件运行步长在微秒级,其仿真所需时间较长,使用snapshot可节省反复建立系统稳态的时间;PSCAD/EMTDC还具有丰富的控制模块和自定义功能,便于根据研究需要对直流控制保护系统进行专门设置;区别于其他仿真软件中换流器的准稳态模型,PSCAD/EMTDC拥有换流器详细模型,详细模型可以与实际系统一样输出阀各监测量,通过监测关断角γ,就可以准确研究直流换相失败情况,克服了以往准稳态模型在交流非对称故障研究中的局限性。2.2pscad/emtcd仿真建模仿真步骤如下:①按照研究需要对系统进行动态等值;②根据等值后的网络数据进行PSCAD/EMTDC仿真建模;③对比并调整PSCAD/EMTDC仿真模型与等值网稳态运行工况一致性,包括系统潮流、直流运行状态等;④设置各种扰动研究系统动态特性等相关问题。3/emtcd仿真研究以研究受端系统为重点,对原网进行动态等值,基于等值网数据在PSCAD/EMTDC上建立仿真研究模型。其中综合负荷模型比例、继电保护和自动装置动作时间按照原网各省(区)实际整定值整定;交流发电机包含励磁、调速系统及电力系统稳定器(PSS),其中保留发电机组各项参数按实际整定。3.1生换相失败的时间在交流系统三相永久故障、单相重合闸不成功、三相故障单相开关拒动3种故障中,三相故障单相开关拒动对系统的影响最严重,逆变站附近发生此种故障一般都会导致5回直流同时发生换相失败,换相失败的时间根据直流与故障点的远近以及换流母线电压跌落情况而不同,在30ms～320ms之间。从整流侧和逆变侧故障对直流系统的影响来看,逆变侧的交流系统故障给各直流系统带来的扰动比整流侧大,但在整流侧区域交流联络线发生交流严重故障时会导致系统失稳。交流故障期间各条直流换相失败持续时间见表1。图1为特高压直流送端系统兴仁—兴义500kV交流线路故障各直流换流母线电压有效值U,其中天生桥、北郊换流母线电压有效值的基准值为220kV,其余换流母线基准值为500kV。3.2直流开关关闭,导致系统失稳,交流系统难以稳定只有云广±800kV特高压直流双极闭锁系统才会失去稳定,部分交流线路有功潮流见图2。由于云广特高压直流输送容量大,双极闭锁时金安桥及小湾电厂的功率不能及时送出,从而产生较大的加速功率,导致发电机失步,引起系统失稳。这时需要采取故障后切机等安全稳定措施保持系统稳定。其他4回直流闭锁均会对交直流系统产生影响,影响较大的是交流系统,但这4回直流双极闭锁引起的交流电压的扰动均不会导致其余直流发生换相失败。任一回直流闭锁情况下其他直流输送最低功率见表2。3.3直流全压再启动直流线路故障恢复时序中第1次、第2次和第3次去游离时间分别取150ms,200ms和250ms。从计算结果看,直流线路故障和故障后再启动恢复过程对于其他直流的运行无明显影响,不会引起其他直流功率发生较大变化;特高压直流线路故障再启动对交流系统会有一定程度的影响,随着故障时间和重启动次数的增加,对交流系统的扰动也增加,但是不会破坏交流系统的稳定。相比之下,直流采用功率控制模式,故障期间故障极功率可以部分转移至健全极,则故障期间的直流功率损失较小,对于系统的影响也比较小。图3、图4给出了云广特高压直流线路故障(直流为电流控制模式)3次全压再启动成功时的曲线图,其中云广特高压直流功率基准值为5000MW,电压基准值为800kV,电流基准值为3125A;贵广二、贵广及三广直流功率基准值为3000MW,天广直流功率基准值为1800MW;直流总的有功定义为各条直流极线上有功之和,直流总的无功定义为各条直流两侧交流系统流入换流母线无功之和。4直流控制优化方法动态等值是系统电磁暂态仿真建模的重要基础环节。动态等值过程中必然会损失一定的系统动态性能,目前关于如何衡量原网与等值网系统二者动态性能的差别还没有适用的标准,应对此进行更深入的研究。含特高压直流的多馈入交直流系统动态特性除了与交流系统网络结构、系统运行工况有关外,与直流控制保护系统的性能也有很大关系。以往研究表明:多条直流协调控制能改善其系统动态特性。文献通过修改故障恢复期间整流侧直流功率给定值并将逆变侧改为定交流电压控制,提高了系统动态特性。文献选用交流联络线功率偏差和发电机功角偏差等为目标函数进行优化。对测试系统的仿真证明是有效的。对于含特高压直流的多馈入交直流系统,目前尚无实时的能通过系统故障情况对目标函数优化、得到各条直流的功率协调策略、从而进行协调控制以提高系统动态性能的研究实例。5在电网运行过程中,对含云广400kv特高压直流线路进行动态特性仿真,对于目前云本文以含特高压直流的多馈入交直流系统——2010年南方电网为研究对象,提出了仿真研究的重点,解决了电磁暂态仿真时系统等值