基于ADPSS的大规模风电接入系统的机电－电磁暂态混合仿真研究

刘 宸，王小林，冯艳秋，毕正军，李春亮

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2.国网吉林省电力有限公司，长春 130021；3.国网白城供电公司，吉林 白城 137000）

截至2014年底，吉林省风电装机容量已经达到398.2×104kW，大规模风电并网运行对电网运行调度、暂态稳定性、供电可靠性和电能质量等产生了较大冲击和影响。本文应用全数字实时仿真装置（ADPSS）实现了大规模风电接入系统的机电－电磁暂态混合仿真，将需要详细研究的风电场采用电磁暂态建模，风电接入的交流大电网则使用机电暂态仿真，利用数据交互接口开展混合仿真。此种计算不仅可准确地模拟出风力发电机的快速暂态过程，且能够兼顾仿真系统规模与速度。

1 全数字实时仿真装置概述

电力系统ADPSS是基于高性能微机机群的电力系统全数字仿真系统。ADPSS仿真系统利用进程实时同步控制，实现了复杂电网的大规模机电暂态、电磁暂态的实时仿真，并且利用接口装置对外接物理装置进行试验［1］。

电力系统机电－电磁暂态混合仿真的基本原理如图1所示，对交流主网络部分进行机电暂态仿真，采用有效值进行计算，典型积分步长为10ms；对风电场等具有快速动态响应系统的网络部分则进行电磁暂态仿真，采用三相瞬时值进行计算，典型积分步长为50μs。两侧网络通过接口母线进行数据交换，一侧进行仿真时，对侧网络用适当形式的等值电路表示，并在每一机电步长时刻进行数据交换。机电侧向电磁侧提供电压激励U，而电磁侧向机电侧传递接口处的注入功率S。在这种混合仿真模式下，既保证了分析暂态特性所需的仿真精度，又兼顾了仿真速度和仿真规模［2］。

2 吉林省混合仿真模型的建立

图1 机电暂态和电磁暂态混合仿真的基本原理

吉林省电网接入了大量风电场，风力发电机对于吉林电网暂态特性的影响不可忽略。应用机电－电磁暂态混合仿真，可以很好地对风机中的变流器、Crowbar电路等控制系统元件进行暂态仿真。本文中以吉林省大岗子风场为例，对吉林电网进行了机电－电磁暂态混合仿真，研究风电场的暂态特性。

机电暂态模型主要参照现有PSASP 程序建模原则，发电机采用ADPSS内提供考虑E″q、E″d、E′q电势变化的5阶模型，线路与变压器采用集中参数模型［3］。电磁暂态模型采用Dommel理论中对输电线路的描述，利用各相电压电流的波动方程及Clarke变换进行线路的矩阵计算。

建模中首先建立吉林省电网机电暂态模型，并在混合仿真的网络划分中将吉林省电网作为机电主网部分［4－5］。机电暂态网络根据吉林省2014年的网架建立，机电暂态计算的基础潮流采用冬季典型大方式。选择接入大安变的大岗子风电场搭建电磁暂态网络，划分为电磁子网，大安变母线作为机电吉林主网和风电电磁子网的接口母线，混合仿真模型简图见图2。

图2 机电－电磁混合仿真模型简图

3 风电场暂态特性仿真与分析

大岗子风电场的电气主接线如图3所示，在电磁网络中设置故障，故障设置在岗大线的大安变侧、50%处和大岗子风场220kV 母线侧，故障设置为三相金属性短路接地［6］，故障时间设置为625 ms。仿真中分别对主网提供的短路电流和风场提供的短路电流分别进行了录波，结果采用标幺值表示，如图4至图6 所示。仿真中设定的基准容量为120 MVA，三种故障情况下的短路电流如表1所示。由仿真结果可知，在岗大线上发生三相短路接地故障时，主网与风场均提供短路电流，并且主网提供的短路电流更大；同时短路电流的大小也随着短路点位置的改变而变化，当短路点远离主网时，主网侧提供的短路电流减小，风场侧短路电流增大。

图3 大岗子风电场主接线

图4 岗大线大安变侧三相短路接地故障电流

表1 大岗子风电场送出线短路电流 kA

图5 岗大线50%处三相短路接地故障电流

图6 岗大线大岗子风场220 kV母线侧三相短路接地故障电流

结合风电场的实际情况进行分析，风电场送出线路采用光纤差动保护，光纤差动保护的差动电流和制动电流的表达式为：

式中：IM为送出线路的风电场侧电流，IN为系统侧电流。

由于风场与主网侧均提供短路电流，在线路发生区内故障时，风电场提供的短路电流能够增大差动电流Id并减小制动电流Ires，对提高纵联差动保护的灵敏度起正面作用。在线路发生区外故障时，风电场提供的短路电流能够提高制动电流Ires，减小差动电流Id，有利于防止差动保护误动。

因此，在风电场的送出现发生短路接地故障时，故障产生的短路电流对送出线配置的纵联差动保护的影响是正面的，有利于提高保护动作的可靠性和灵敏度。

4 结束语

本文应用ADPSS搭建了吉林电网机电－电磁暂态模型，以大岗子风电场为例进行了机电暂态－电磁暂态混合仿真，研究了风电接入电网对暂态特性带来的影响。仿真结果表明，故障产生的短路电流对岗大线配置的纵联差动保护的影响是正面的，有利于提高保护动作的可靠性和灵敏度。吉林电网机电－电磁暂态混合仿真可以对较大规模电网中局部电网的电磁暂态过程进行有效分析，今后还将开展继电保护及安全自动装置闭环仿真测试、静止无功补偿器（SVG）、特高压输电的建模仿真等研究工作，为吉林电网的稳定运行提供强有力的技术支持。

［1］ 岳程燕，田芳.电力系统电磁暂态－机电暂态混合仿真接口原理［J］.电网技术，2006，30（1）：23－27.

［2］ 石访.电力系统机电暂态和电磁暂态数宁混合仿真［J］.电网与清洁能源，2009，25（12）：42－46.

［3］ 华文.含风力发电的电力系统规划关键问题研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［4］ 赵宏伟.风力发电机暂态特性及其对继电保护的影响研究［D］.北京：华北电力大学.2007.

［5］ 李锋，陆一川.大规模风力发电对电力系统的影响［J］.中国电力，2006，39（11）：80－84.

［6］ 张侃君，夏勇军.基于ADPSS的湖北电网数字仿真系统［J］.湖北电力，2011，35（4）：42－44，70.