特高压交直流电网机电-电磁暂态混合仿真特性分析

贺静波，张　星，许　涛，于　钊，陈绪江，江　涵

（1.国家电力调度控制中心，北京 100031；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

特高压交直流电网机电-电磁暂态混合仿真特性分析

贺静波1，张星2，许涛1，于钊1，陈绪江2，江涵2

（1.国家电力调度控制中心，北京 100031；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

为深入分析高压直流系统动态行为对交流系统的影响，同时兼顾交流系统的庞大规模和仿真速度要求，采用了中国电科院开发的机电-电磁混合仿真程序，对三华交流系统进行了机电暂态建模，对7回跨区直流系统进行了详细电磁暂态建模。计算表明，混合仿真能较好复现实际故障过程，较为准确地对含不对称故障、多回直流换相失败在内的故障形态进行模拟；交流系统扰动可能引起多回直流同时换相失败，对电网产生较大冲击，需要送、受端交流系统提供更强支撑。

机电-电磁暂态混合仿真；特高压交流；特高压直流；电力系统；换相失败

国家电网已经形成特大型交直流混联电网结构，其中华北、华中电网经特高压交流相连，同步电网规模超过4亿kW，两华电网与华东经7回直流（含复奉、锦苏、宾金3回特高压直流）相连，三华电网规模超过6亿kW［1-4］。交流系统与直流系统交互作用显著是特大型交直流混联电网的典型特征之一［5］，而仿真计算是分析电网特性、制定运行控制策略的基础。大规模交直流混联电网仿真计算的准确性决定了其控制策略的有效性。

在常规大电网仿真计算中，通常采用成熟的机电暂态仿真程序，如PSASP、BPA。但基于基波相量模型的机电暂态仿真无法模拟高压直流HVDC（high voltage direct current）输电、柔性交流输电系统FACTS（flexible AC transmission system）等电力电子装置的快速瞬变过程以及饱和元件、非线性元件引起的波形畸变。电磁暂态仿真可以很好地解决电力电子装置仿真准确性的问题，但是采用瞬时值计算的电磁暂态仿真规模一般不大，而等值化简会引入仿真误差［6-9］。随着电力系统规模的不断扩大和FACTS、HVDC设备在电网中的广泛应用，尤其是直流多馈入结构的出现，交直流交互作用逐渐成为影响电网安全稳定的关键因素［10-18］，电力系统仿真规模和仿真精度之间的矛盾日益显现。相互独立的机电暂态仿真和电磁暂态仿真均难以满足现代电力系统对仿真的要求，兼顾仿真规模和仿真精度的机电暂态-电磁暂态混合仿真技术得到了较快发展。

机电暂态-电磁暂态混合仿真是指在一次仿真过程中将需要详细模拟的局部电网采用电磁暂态算法进行计算，将其余电网采用机电暂态算法进行计算，两者之间通过混合仿真接口进行交互［9］。在一次仿真过程中，机电部分通常采用基波相量模型，仿真步长约10 ms；电磁暂态部分基于瞬时值模型，仿真步长根据电力电子元器件工作的频率，可取20～200 μs。

中国电科院从2002年开始研究机电-电磁混合仿真程序，目前已开发出实用的程序版本ADPSS和PSMODEL。本文应用ADPSS混合仿真程序开展了特高压电网多回直流换相失败故障的仿真分析。首先，检验了混合仿真程序对于交直流交互作用典型案例模拟的有效性。然后，在此基础上利用混合仿真程序，分析了华北-华中-华东混联电网（以下简称三华电网）运行特性。最后，对多回直流同时换相失败的机理和影响进行了研究总结。

1　三华电网机电-电磁暂态建模

1.1三华电网混合仿真模型

三华电网是典型的特高压交直流混联电网，其中华东电网作为跨区送电的大受端，多回直流集中落点长三角地区，形成典型的直流多馈入结构。2014年，随着宾金特高压直流的投产，7回直流注入华东电网，总容量达31 760 MW。

图1　三华电网示意Fig.1　Schematic of North-Central-East China power network

为仿真换相失败实际案例，本文建立了2013年三华电网模型，其中华中送华东6回直流。在此基础上，进一步建立了2014年三华电网混合仿真模型，含宾金直流在内的7回直流全部采用电磁暂态详细仿真，其中包括4回常规直流输电系统和3回特高压直流输电系统；三华交流电网采用机电暂态建模。

机电暂态模型共包含三相节点22 000多个、支路34 000余条、机组2 300多台；电磁暂态模型包含7回跨区直流输电线路，每回直流均参照实际系统进行建模，包含换流器、换流变压器、直流线路、平波电抗、交流/直流滤波器元件及直流输电控制系统等元件，7回直流电磁暂态模型共包含单相节点2 800多个、晶闸管元件480个、支路3 500多条。

1.2直流电磁暂态建模

7回直流电磁暂态建模过程中，直流一次系统参数主要根据直流成套设计书、直流电磁暂态厂家模型等参数源，采用的仿真模型如表1所示。

表1　直流电磁暂态模型Tab.1　HVDC electromagnetic transient modeling

直流二次系统基于经典的直流控制保护模型，针对具体运行工况和控保特性进行参数调整，其控制保护模型示意如图2所示。

图2　ADPSS直流控制保护模型示意Fig.2　Schematic of ADPSS HVDC control model

1.3三华电网混合仿真建模步骤

（1）三华电网机电暂态数据拼接。将华北-华中电网机电暂态数据与华东电网机电暂态数据进行拼接，构成三华电网基础数据，通过潮流计算和稳定计算验证了数据有效。

（2）7回直流电磁暂态建模。分别建立华中送华东的各回直流输电模型，暂用理想电源代替外部交流电网，调整各回直流模型使其稳态运行方式与潮流结果一致。

（3）划分三华机电暂态网络，将其分解为交流系统模型与直流系统模型两部分，定义两部分接口位置。通过机电-电磁暂态混合仿真接口技术［6-8］，将建立的7回直流电磁暂态模型与三华电网交流机电暂态模型相连，构成三华电网机电-电磁混合仿真算例。

2　多回直流同时换相失败案例校验及分析

2.1实际电网中的多回直流同时换相失败现象

近年来，在受端交流系统扰动下，邻近多回直流多次发生同时换相失败。

（1）2012年8月8日、9月3日，上海500 kV线路单永故障，引起复奉、宜华、林枫、葛南4回直流同时换相失败。

（2）2013年7月5日，上海500 kV线路单瞬故障，引起复奉、宜华、林枫、葛南4回直流同时换相失败。11月6日，线路单永故障再次引起多回直流同时换相失败。

2.2混合仿真复现多回直流同时换相失败

2013年11月6日12：31，华东电网上海地区500 kV泗余5152线C相故障，800 ms后重合不成功线路跳闸，造成复奉直流双极4换流器2次换相失败、林枫直流双极双换流器2次换相失败、葛南直流极II双换流器1次换相失败。

500 kV泗余5152线C相故障发生后，各回直流换相失败发生详细情况如表2所示。直流落点近区交流故障的发生，常伴随着逆变站换流母线电压的瞬时跌落，极易导致逆变站发生换相失败，表2表明换相失败发生的风险、严重程度与电压瞬时跌落程度相关。故障后南桥换流站交流母线电压跌落情况比较轻微，因此葛南直流只发生了一次换相失败。

本文基于ADPSS三华特高压交直流混联电网机电-电磁暂态混合仿真模型，仿真再现了上述多回直流换相失败案例。500 kV泗余5152线C相故障及重合闸过程在机电暂态中仿真，机电侧仿真步长为10 ms，电磁侧仿真步长为50 μs。

仿真结果表明，南桥站发生一次换相失败，关断角仿真波形与关断角录波曲线趋势基本一致，换相失败过程相同，波形对比如图3所示；枫泾、奉贤换流站发生2次换相失败，关断角仿真波形如图4所示；其他几回落点华东的直流未发生换相失败。

表2　“11.6”各回直流换相失败发生详细情况Tab.2　Details of“11.6”commutation failure

图3　南桥站关断角仿真波形Fig.3　Simulation of Gama waveforms of Nanqiao station

图4　枫泾、奉贤换流站关断角仿真波形Fig.4　Simulation of Gama waveforms of Fengjin and Fengxian station

以上结果表明，混合仿真能较好复现故障过程，较为准确地反映特高压交直流交互作用过程，对含不对称故障、换相失败在内的故障形态进行模拟，适用于对直流仿真精度要求较高的大规模交直流混合电网分析和研究。

2.3混合仿真与机电暂态仿真对比

图5和图6对比了对称和不对称两种不同类型的交流系统故障情况下，三华电网机电-电磁暂态混合仿真模型和纯机电暂态模型的仿真结果，三相故障等对称故障下，混合仿真和机电暂态仿真中直流发生换相失败的情况相同，曲线趋势基本一致；单相故障等不对称故障下，混合仿真和机电暂态仿真结果相差较大。

从原理上来说，机电暂态程序中直流采用准稳态模型，基于基波相量方程分析直流动态过程，因此对于不对称故障的仿真准确性相对较差。

图5　对称交流系统故障下混合仿真与机电暂态仿真对比Fig.5　Comparison of simulation results between hybrid simulation and electromechanical simulation transient under symmetrical AC disturbance

图6　不对称交流系统故障下混合仿真与机电暂态仿真对比Fig.6　Comparison of simulation results between hybrid simulation and electromechanical transient simulation under asymmetrical AC disturbance

2.4多回直流换相失败分析

案例中多回直流输电系统的逆变站通过交流系统的耦合阻抗实现相互作用。耦合阻抗是由受端网络决定的，与送、受端交流电源等值导纳，受端交流系统输电线路导纳密切相关。一条直流换相失败造成的无功功率波动，会通过耦合阻抗导致其他直流站电压波动，增加其他直流发生换相失败的概率。

在机电-电磁混合仿真计算环境中，在相同的交流故障设置下，针对林枫、葛南、复奉3条直流，采用电磁暂态及恒阻抗两种模型，设置不同的仿真场景，对比分析仿真结果如表3所示。其中恒阻抗模型下，模型原理决定了直流不会发生换相失败。

表3　多回直流换相失败多场景仿真1Tab.3　Simulation results（No.1）of multi-HVDC commutation failure in multi-scenarios

仿真结果表明3条直流换相失败发生的主要原因在于交流系统，而非直流系统内部对外施加影响。

进一步，在不同的线路设置相同的故障，针对林枫、葛南、复奉3条直流，对比分析仿真结果如表4。其中，汾三5902线，牌渡5903线，远卫5136线电气距离距直流线路较远。

表4　多回直流换相失败多场景仿真2Tab.4　Simulation results（No.2）of multi-HVDC commutation failure in multi-scenarios

由仿真结果可知，随着故障点与3条直流的电气距离的增加，换相失败发生的概率减弱。

因此，直流系统落点于强受端交流系统，或增大直流落点间耦合电气距离，能降低一个换流站换相失败导致其他换流站同时或相继发生换相失败的风险。

3　三华电网多回直流同时换相失败仿真分析

2014年，华东电网接入7回直流，交直流交互作用进一步突出。本文基于2014年三华电网混合仿真模型，进一步分析混联电网同时换相失败的机理和影响。

换相失败期间，直流电流增大，同时熄弧角增大；换相失败恢复过程中，由于直流电流和熄弧角已增大到高于正常水平，换流过程的无功损耗大幅增加；无功损耗的增加又进一步拉低交流母线电压水平，对交流系统产生影响，使得邻近直流的换相失败更容易发生。计算表明，受端地区的交流系统发生故障，可能引发多回直流换相失败，严重情况下甚至引发7回直流同时换相失败，如图7所示。

多回直流同时换相失败，直流大额功率瞬时中断，将对送、受端交流系统造成巨大能量冲击。以送华东7回直流而言，多回直流同时换相失败产生的有功功率冲击幅值最高可达31 760 MW，从功率跌落到90%恢复的持续时间约300～400 ms。暂态冲击能量巨大，期间潮流大幅波动，可能超出线路承载能力，导致系统失稳。仿真中出现了交直流各断面同时负载较重时，电网一些薄弱断面在多回直流同时换相失败冲击期间失稳的现象。

虽然交流扰动发生在受端，但直流功率变化同时作用于送受端，使得送受端系统产生关联，受端交流系统常规扰动可能经多回直流换相失败传导，引起送端交流系统失稳。

图7　多回直流同时换相失败仿真有功功率曲线Fig.7　Simulation curves of active power of multi-HVDC commutation failure

由于多回直流换相失败是交流系统常规单瞬、单永等故障引起的交直流交互作用正常特性，且换相失败结束后直流功率随即恢复，无法通过安控切机、切负荷等措施进行防御，只能依靠交流系统本身的承载能力抵御故障冲击。而多回直流换相失败产生的冲击巨大，对系统稳定的影响甚至超过了部分N-2故障，成为运行的制约因素之一。多馈入直流受端结构和多回直流换相失败扰动形态的出现，客观上要求送、受端交流系统提高稳定水平，提升无措施下的抗扰动能力。

4　结语

本文建立了三华电网机电-电磁暂态混合仿真模型，数据覆盖三华220 kV及以上电网，其中华中送华东全部直流采用了电磁暂态详细模型。在该模型的基础上，仿真复现了实际系统中发生的多回直流同时换相失败故障，检验了混合仿真技术对于分析交直流交互作用的有效性。分析表明，机电-电磁混合仿真技术能够对直流输电及其控制保护系统进行电磁暂态详细建模，同时避免传统电磁暂态分析中的系统等值问题，在提高系统分析的准确度的同时，保证了仿真的效率和实用性。

基于三华电网混合仿真数据，本文进一步分析了多回直流同时换相失败的机理和影响，计算表明，多回直流同时换相失败对两侧电网产生较大冲击，可能引起电网连锁故障，且故障可以由受端电网常规的单瞬、单永故障引发，属于电网第一道防线防御内容，加强两侧交流电网网架强度是根本措施。

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Electromechanical-electromagnetic Transient Hybrid Simulation on Characteristic Analysis of UHVAC-UHVDC Grid

HE Jingbo1，ZHANG Xing2，XU Tao1，YU Zhao1，CHEN Xujiang2，JIANG Han2
（1.National Power Dispatching and Control Center，Beijing 100031，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

To analyze the influence of ultra-high voltage direct current（HVDC）on the AC system，and meet the demands of simulation scale and the speed of such a large-scale system，electromechanical-electromagnetic hybrid simulation program developed by China Electric Power Research Institute（CEPRI）is adopted in this paper，where 7 cross-regional HVDC links are modeled using electromagnetic transient simulation，and the whole AC system of three regions（North，Central and East China）using electromechanical transient simulation.Simulation results show that the hybrid simulation can reflect the AC-DC interaction process with a better accuracy，and simulate contingencies such as unbalanced fault and multi-HVDC commutation failure；a fault in AC system may cause a simultaneous commutation failure among multiple HVDC links，therefore，it is necessary to strengthen the AC system at both the sending and receiving ends.

electromechanical-electromagnetic transient hybrid simulation；ultra-high voltage alternating current（UHVAC）；ultra-high voltage direct current（UHVDC）；power system；commutation failure

TM712

A

1003-8930（2016）10-0105-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.10.018

2015-06-11；

2016-01-18

贺静波（1983—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定分析与控制。Email：he-jingbo@sgcc.com.cn

张星（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定分析与控制。Email：zhangxing@epri.sgcc.com.cn

许涛（1976—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统稳定分析与控制。Email：xu-tao@sgcc.com.cn