次同步振荡研究中一种高压直流输电系统等效模型的提出

孙梦雅，张翼凡，蔺玉璞

（山东省建筑设计研究院有限公司）

1 引言

高压直流输电（HighⅤoltage Direct Current transmission，HⅤDC）是将交流电整流为直流电传输，到达受端，再逆变为负荷可用交流电，以减少损耗、提高传输功率、提高经济性的一种输电方式。由于直流输电适合大容量远距离传输，且具有非同步联网和分段分期建设的优点，使得高压直流输电（HⅤDC）在我国电网全国联网、西电东送实施过程中占据不可缺少的地位[1-3]。然而，在带来巨大经济效益与便利的同时，高压直流输电技术也给输电系统的安全稳定带来新挑战。比如，目前备受关注的次同步振荡（SSO）问题。次同步振荡的振荡频率低于工频50Hz，一旦发生会造成严重经济损失。由于特高压交-直流混合输电系统电压等级高，一旦发生次同步振荡，影响范围会更广，严重时不仅对相关地区的电网造成影响，还可能发生连锁反应，甚至导致整个系统的失稳，后果不堪设想。为了研究高压直流输电对次同步振荡的影响，首先须建立可靠的HⅤDC模型。

2 高压直流输电(HVDC)仿真模型建立

用MATLAB/Simulink模块根据高压直流输电系统原理，建立高压直流输电系统仿真模型，如图1所示。

图1 高压直流输电系统仿真模型

图2为当此直流输电系统传输的有功功率为1000 MW时，有功交流电流、直流电压、直流电流以及整流侧触发角的波形图，其中有功功率基准值取1000MW，交流电流的基准值取5800A，直流电压基准值取800kⅤ，直流电流基准值取12.5kA。

由图2可知，当此高压直流输电系统传输1000MW有功功率，即有功标幺值为1时，系统交流部分电流值也在1左右，直流电压与直流电流的标幺值也在1左右，整流侧触发角约为9°。

图2 直流系统传输有功功率为1 000 MW时各波形图

由以上分析可知，该仿真模型能可靠运行。

3 高压直流输电系统简化等效模型

上节中建立的高压直流输电系统仿真模型是依据高压直流输电原理，由晶闸管组成的桥式整流或者逆变电路详细仿真模型，此模型仿真结果虽然比较准确，但该模型建立较为复杂，并且直流侧与交流侧存在直接电路耦合，当整个输电系统比较庞大时，仿真速度会非常慢。因此，为简化此输电模型，需建立一种等效高压直流输电系统仿真模型。

等效高压直流输电模型主要是用交流电流源与直流电压源代替详细模型中用晶闸管搭建的换流器（见图3）。对于整流器：将整流器的交流侧等效为三个星接的电流源Ira，Irb，Irc；直流侧等效为一个电压源Udr。主要有三个步骤。

图3 等效高压直流输电系统仿真模型

①需要测量以下量作为已知输入量：整流桥的输入电压Ura，Urb，Urc；整流桥的触发角α；直流电流Id。

②整流桥的输入电压Ura，Urb，Urc通过dq变换得到Urd，Urq。由公式Ur=和公式Udr=1.35Urcosα-可得直流侧等效的电压源电压Udr，其中Xr1为换流电抗。

逆变器同理，只需将第②步中计算直流电压的公式改为Udi=1.35Uicosβ+即可，其中β为逆变器触发角。

图4中两信号分别为高压直流输电系统等效前，详细仿真模型所得到仿真结果与等效后高压直流输电系统模型所得仿真结果。5个图线纵坐标从上到下依次为直流电压ud、直流电流id、有功P、无功Q和触发角α。蓝色实线代表等效前模型各仿真结果，红色虚线代表等效后模型各仿真结果，在0.3s时设置阶跃信号，由图中结果分析可知，阶跃前后，此等效模型运行结果与实际模型运行结果均保持一致。因此，此等效模型正确可行。

图4 等效前后高压直流输电系统仿真结果

4 结语

由于高压直流输电在我国输电网中占据越来越多的比重，一旦其发生次同步振荡事故，将会造成严重经济损失，为了能详细准确地分析高压直流输电对次同步振荡地影响，本文首先根据HⅤDC运行原理建立了详细仿真模型并验证了其运行可靠性。最后，为了适用于复杂系统次同步振荡研究，提出一种等效高压直流输电系统仿真模型，并给出其等效具体方法，通过分析可知该等效仿真模型仿真效果不仅与实际采用整流桥和逆变桥仿真模型的仿真效果一样，而且大大提高了仿真速度，减少了谐波地影响。该模型的提出不仅适用于含有高压直流输电系统次同步振荡问题分析，而且对今后含有高压直流输电复杂系统地仿真带来方便，并具有一定指导意义。