用于交直流系统交互影响分析的仿真方法

刘书铭，李琼林，余晓鹏，李晓萌（河南省电力公司电力科学研究院电网技术中心，郑州450000）

用于交直流系统交互影响分析的仿真方法

刘书铭，李琼林，余晓鹏，李晓萌
（河南省电力公司电力科学研究院电网技术中心，郑州450000）

对于远距离高压直流输电，两端变流器之间的相互影响可以忽略，但在背靠背联网工程中，由于没有直流线路，整流站和逆变站通常在同一个换流站内，整流侧和逆变侧之间的相互影响不能被忽视。该文以灵宝换流站为例，在现场实测数据验证建立的电磁暂态模型正确合理的基础上，将机电暂态仿真和电磁暂态仿真两种算法相结合，采用机电-电磁混合仿真方法研究了灵宝换流站送受端电网之间、直流系统与交流系统之间的相互影响，解决了单一算法难以实现对大规模交直流系统进行仿真的问题。研究所得结论，对换流站制定相应的防范对策，提高换流站的运行管理水平具有重要意义。

背靠背联网工程；交直流系统；短路故障；混合仿真

随着我国直流输电工程的广泛应用，有关换流站特性分析的研究相继展开，但主要集中于对单一换流器进行研究[1-6]。对换流站的运行特性、交直流系统之间交互影响以及换流站对当前电气环境的适应性等研究工作在国内尚未全面展开。对于远距离高压直流输电，两端变流器之间的相互影响可以忽略，但在背靠背联网工程中，由于没有直流线路，整流站和逆变站通常均放在同一个换流站内，整流侧和逆变侧之间的相互影响就不能忽视。目前，研究交直流电力系统交互影响的重要手段是采用数字仿真方法[7-10]。考虑到背靠背直流输电工程的复杂性，电磁暂态仿真工具在系统仿真时具有较好的精度，但由于算法复杂，难以实现对大规模交直流电力系统的仿真[11-13]。而机电暂态仿真采用准稳态方程来描述换流器，不能准确地描述故障后换流器的恢复过程。因此，将机电暂态仿真和电磁暂态仿真两种算法相结合，采用机电-电磁混合仿真，成为研究交直流混联系统的必然选择[14-17]。

灵宝直流输电工程是我国为数不多的实际长期稳定运行的背靠背联网工程，其西北电网侧与330 kV罗敷变相连，在华中电网侧与220 kV紫东变（I期）及500 kV陕州变（II期）相连，是一个连接3个交流电压等级的背靠背工程，运行环境十分特殊。本文以灵宝背靠背直流输电工程为研究对象，通过现场测试与数字仿真分析相结合的方法，研究了送受端电网之间、直流系统与交流系统之间的相互影响。对于掌握交直流联网的运行规律，提高背靠背直流输电工程的安全稳定运行以及分析管理水平等具有重要的意义。

1 交直流系统相互作用的数学模型

用于研究交直流系统相互作用机理的等值电路如图1所示。

图1交直流系统相互作用的简化模型Fig.1 Equivalent circuitof AC/DC system

图1 中Ud、Id为直流电压和电流；Uδ为换流站交流母线电压；Pd、Qd为直流侧有功功率和无功功率；Pac、Qac为交流侧有功功率和无功功率；XT为换流变压器漏抗；Bc为交流滤波器和无功补偿电容的等效导纳；|Z|θ为交流系统等效阻抗；τ为换流变压器分接头；E0为交流系统等效电动势为换流变压器阀侧额定电压；为换流变压器网侧额定电压。

交流系统采用戴维南等效电路，计算等效阻抗Z时，发电机用暂态电抗表示。对等效阻抗Z的另一种表达方式是用短路比的概念。短路比定义为换流站交流母线的短路容量Sac与额定直流功率PdN的比值，即

为了同时考虑等效阻抗Z和换流站交流滤波器及无功补偿电容器的作用，引入了有效短路比的概念。有效短路比定义为

式中，QcN为换流站交流母线电压U取额定值UN时，由交流滤波器和无功补偿电容器Bc所产生的无功功率。

2 灵宝换流站仿真建模

灵宝背靠背换流站的主要元件有换流阀、换流变压器、平波电抗器、谐波滤波器、无功功率补偿装置、直流控制系统等，其原理接线如图2所示。

本文通过对灵宝换流站现场调研，获取准确的实际数据和相关设备参数，建立各种理论分析模型和元件仿真模型，并在此基础上，在PSCAD/ EMTDC仿真软件中搭建了灵宝换流站的仿真模型。仿真采用的基本控制和灵宝换流站实际采用的控制方法一致，整流侧采用定电流控制方式，逆变侧采用定电流、定熄弧角控制方式。正常运行工况下，逆变侧的定电流控制不起作用，但是当实际直流电流值Id与整定电流值Iorder相差较大，逆变侧的定电流控制就会取代定熄弧角控制。

图2 灵宝换流站原理接线Fig.2 Princip le diagraMof Lingbao converter station

表1 I期直流场运行参数Tab.1 DC field operation parametersof stage I

表2 I期交流进线电气参数Tab.2 AC field incoMing line electricalparameters of Stage I

为验证仿真模型的正确有效性，本文将灵宝换流站额定值运行时的仿真结果和换流站主要电气量的实测数据进行了对比验证，从表1和表2可以看出，仿真结果与实际参数吻合地较好，从而证明本文所建立的灵宝换流站模型正确合理。

图3 整流侧故障仿真波形Fig.3 Rectifier fault simulation waveforms

3 灵宝换流站站内故障影响

灵宝换流站站内故障考虑了整流侧故障、逆变侧故障和交流侧故障3种情况。其整流侧故障点设置为在0.6 s时II期整流侧直流母线处发生瞬时接地短路，故障持续时间为0.2 s，仿真波形如图3所示。

由图3可以看出，整流侧直流母线发生对地短路故障，直接造成II期直流系统闭锁，II期直流电流和直流功率很快下降至零；330 kV侧（整流侧）电流增加，线电压降低，330 kV交流侧通过换流器形成交替发生的两相短路和三相短路；500 kV侧（逆变侧）电流很快下降到零，线电压不受影响。II期直流系统的闭锁造成500 kV侧吸收的有功功率很快降到零，无功功率明显增加，I期系统经过0.2 s后也停运。

对II期逆变侧直流母线发生接地短路的仿真结果表明，故障时将会引起II期直流系统闭锁，逆变侧直流电流和电压很快下降到零，整流侧直流电压在接近零附近振荡，整流侧直流电流在故障时刻瞬时增大后又很快减小，在额定电流一半处稳定。330 kV侧电流减小，发出的有功功率降低，发出的无功功率在故障时瞬间升高后比原来稳定时略降低；500 kV侧电流很快下降到零。II期直流系统的闭锁还会造成500 kV侧吸收的有功功率很快降到接近零的位置，吸收的无功功率明显升高。

对换流站交流侧发生不同形式的短路的仿真结果表明，故障时整流侧交流母线电压的幅值、相位、波形都发生了不同程度的变化。在故障期间，由于交流电压降低使直流输送功率降低，严重时可降为零。若故障引起整流侧交流母线电压的变化超出整流侧的可调范围时，直流系统由整流侧定电流控制方式转换为逆变侧定电流控制方式，或者转换为低压限流的控制方式，以避免直流系统的不稳定运行工况。交流电网的不对称故障和复合故障的电磁暂态过程，可能造成整流侧相应的触发角发生变化，或者引起直流系统暂时的不稳定。例如仿真换流站交流侧相间接地短路故障，将引起直流电流相对减小，直流电压降低严重（低于0.3p.u.），直流输送功率也几乎降至0，仿真波形如图4所示。

图4 交流侧故障仿真波形Fig.4 AC fault simulation waveform

仿真结果还表明，II期500 kV侧故障对I期系统也产生了较大的扰动，由于篇幅所限，仿真波形图从略。

4 换流站与交流系统故障的交互影响

由于换流站的直流线路、换流器等对快速暂态过程较为敏感，宜采用步长较小的标准电磁暂态模型。而对于交流系统由于其节点众多，规模较大，可使用步长较大的相量模型进行机电暂态计算。本文利用中国电科院研发的电力系统全数字仿真平台ADPSS（advanced digital power systeMsimulator），采用机电-电磁混合仿真的方法对换流站和交流系统的交互影响进行研究。

电力系统全数字仿真平台ADPSS基于高性能机群的多节点结构，采用网络并行计算技术，对进程进行实时和同步控制，具备大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态混合仿真功能，并可进行外接物理装置的闭环试验。混合仿真时，每个仿真步长内将机电暂态网络等值为戴维南电路与电磁网络连接，将电磁暂态网络等值为诺顿电路与机电网络连接，机电、电磁程序可同时迭代求解。以灵宝换流站二期工程为例，其仿真模型如5所示。混合仿真接口的逆变侧节点为豫灵宝500，整流侧节点为陕东南郊330。

图5 ADPSS换流站模型Fig.5 Lingbao converter stationmodel in ADPSS

利用ADPSS换流站模型进行仿真，当换流站直流线中点接地故障发生时，交流母线电压及发电机功角变化曲线如图6所示，故障的持续时间为0.1 s。

图6 直流故障仿真曲线Fig.6 DC faultsimulation curves

从图6可以看出，由于故障中无功潮流注入机电网中，反而使机电网中节点电压略微升高，发电机功角在故障清除之后恢复，发电机能够保持稳定。若逆变侧母线发生相间故障，持续时间为0.1 s，交流母线电压及发电机功角变化曲线如图7所示。

从图7可以看出，由于故障使得机电网中节点电压降低明显，尤其是豫陕州500母线降至0.5 p.u左右，发电机功角在故障清除之后恢复，发电机能够保持稳定。

图7 逆变侧母线相间故障仿真曲线Fig.7 Inverter bus fault simulation curve

5 结语

本文通过详细的调研和收资，建立了灵宝换流站的电磁暂态模型，并利用现场实测数据验证了模型的正确合理性。在此基础上，采用机电-电磁混合仿真方法研究了灵宝换流站送受端电网之间、直流系统与交流系统之间的相互影响。本文所得的相关仿真结果，对于掌握交直流联网的运行规律，提高背靠背直流输电对区域电网的影响分析水平，对灵宝换流站制定相应的故障防范措施，提升换流站的运行管理水平等具有重要的参考价值。

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Method for AC-DC SysteMInteraction Simulation Analysis

LIUShuming，LIQionglin，YUXiaopeng，LIXiaomeng
（HAEPCElectric Power Research Institute，Zhengzhou 450000，China）

For long distance high voltage DC transmission，the interaction of converter between the transmission line ends can be neglected.Howeverdue to the back-to-back interconnection projectwithoutDC line，rectifierand inverter station are often located in the same converter station，themutual influence between the rectifier and the inverter side cannotbe ignored.This paperhighlights the case of Lingbao converter station，initially verifies that the electromagnetic transientmodel is correctviameasured data，then utilizesin a hybridmethod ofelectromechanicaland electromagnetic hybrid simulation to study the interaction between sending and receiving grid of Lingbao converter station aswellas the interaction between AC systeMand DC system.，and has solved the probleMthatsingle algorithMis difficult to implement large scale AC/DC systeMsimulation.The result of the research is helpful for converter station tomake correspondingprevention countermeasuresand toenhance theoperation andmanagement level.

back to back interconnection；ACand DCsystem；shortcircuit fault；hybrid simulation

TM74

A

1003-8930（2015）02-0092-06

刘书铭（1984—），男，硕士，工程师，从事电力系统谐波、电能质量方面的研究工作。Email：losuwing@126.com

2012-12-20；

2013-07-09

李琼林（1980—），男，博士，高级工程师，从事电能质量分析与控制、FACTS等方面的研究。Email：yingshanli-2001@163. com

余晓鹏（1974—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统分析及电能质量方面的研究工作。Email：yuxiaopeng@163.com