CN102708225B - 一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提出了一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，应用于PSCAD/EMTDC的交直流大电网电磁暂态仿真模型的分片调试方法，目的是减少大规模交直流系统电磁暂态模型的调试时间，利用较少的时间使模型的初始稳定状态达到目标稳定状态，并保证模型中发电机释放以后系统能继续保持稳定运行而不产生数值振荡，为后续电磁暂态过程故障仿真提供保证。同时，采用分片调试的方法可以达到协同工作的目的，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，属于电力系统电磁暂态仿真技术领域。
背景技术
机电暂态仿真从原理上采取了简化(忽略了发电机定子绕组和电网中的电磁暂态过程，只考虑交流系统中基波分量电压、电流和功率以及发电机转子绕组中非周期性分量的变化；在不对称故障或非全相运行期间，略去发电机定子回路基波负序分量电压、电流对电磁转矩的影响)，并且直流模型采用的是准稳态模型，因此，在研究交直流相互影响、多直流落点系统的动态特性时就体现出一定的局限性。
电磁暂态仿真能精确模拟电力系统中各种元件的暂态特性，特别是可以精确模拟含有HVDC和FACTS等电力电子装置的开关特性，能精确分析交直流电网中的各种机电和电磁暂态现象。因此大规模交直流电网电磁暂态仿真建模技术，成为学术研究和工程应用研究的热点。
在建立南方电网电磁暂态仿真模型过程中发现，由于电磁暂态仿真原理上是建立在离散化微分方程、小步长、递推计算的基础之上，大规模交直流电网电磁暂态仿真存在一个非常突出的技术问题，即电磁暂态仿真初始稳定状态的建立和调试问题。
电磁暂态仿真首先要对所有元件初始化，使得全网元件初值平衡并进入稳定的初始状态，然后再施加故障，模拟其后的暂态过程。如果在建模过程中有参数录入错误、网络接线错误、初值不平衡等问题，电磁暂态仿真不收敛，预期的初始稳定状态无法建立。由于网络规模大、仿真运行速度非常慢，查找和排除这些问题耗时费力、效率低下，有时甚至无法找到错误。因此本发明提出一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法。
目前，国内外常用的电磁暂态仿真程序有EMTP(Electro-Magnetic Transient Program)、加拿大Manitoba直流研究中心的PSCAD/EMTDC、中国电科院的EMTPE和德国西门子公司的NETOMAC等，其中加拿大Manitoba直流研究中心PSCAD/EMTDC由于友好的工作界面和准确的仿真结果以及强大的模型自定义功能得到电力行业的认可和广泛应用。
发明内容
本发明提出了一种应用于PSCAD/EMTDC的交直流大电网电磁暂态仿真模型的分片调试方法，目的是减少大规模交直流系统电磁暂态模型的调试时间，利用较少的时间使模型的初始稳定状态达到目标稳定状态，并保证模型中发电机释放以后系统能继续保持稳定运行而不产生数值振荡，为后续电磁暂态过程故障仿真提供保证。同时，采用分片调试的方法可以达到协同工作的目的，提高工作效率。
本发明的实现与PSCAD/EMTDC的初始化过程密切相关，PSCAD/EMTDC经过以下步骤后达到初始稳态：
(1)根据设定的发电机节点的电压幅值和相角，各发电机先以理想电压源的模式启动从而达到稳定状态；
(2)模型达到稳定状态后释放发电机的励磁和调速器，完成从理想电压源到发电机的转变。
本发明的技术方案为：
一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，包括以下步骤：
1)分别将目标电网中的交流部分、直流部分进行分区，得到多个交流分区与多个直流分区；
2)采用机电暂态仿真计算得到目标电网的初始稳定状态，将该初始稳定状态作为目标稳定状态，同时计算出目标电网中每台发电机的端电压和相角；
3)各个交流分区、直流分区均作为独立电网，对各个独立电网建模；
4)对各分区间的边界电网进行处理；
5)对各个交流分区调试，使每个交流分区稳定状态与目标稳定状态相一致；对各个直流分区调试，在各个直流分区的送端和受端加理想电压源模拟送端和受端的交流系统，并分别设置理想电压源的电压幅值和相角；
6)全网合并，将各个交流分区、直流分区合并到一个大电网，各分区的边界电网处用导线进行连接。由于各分区稳定状态已与目标稳定状态一致，合并后的大电网与目标稳定状态基本接近，只需进行微调即可达到目标稳定状态。
步骤3)采用机电暂态仿真软件的BPA才潮流计算数据，步骤4)是在PSCAD/EMTDC中分别建立相应的模型。
所述步骤1)对交流部分的分区按最小割集划分，同时保证各分区的规模在50～100个节点之内。最小割集是指将一个网络分割成两个互不连通的子网络的一组支路的最小集合，可见采用最小割集的方法可以使各交流分区间的联络支路数最少。
所述步骤1)对直流部分的分区是以每一回路的直流作为一个直流分区。
所述步骤4)各分区之间的边界电网处理分为两种情况：
41)功率送入的边界电网处，采用理想电压源代替，设定该节点处的电压幅值和相交来实现相应功率的送入；
42)功率送出的边界电网处，采用恒功率负荷代替，设定负荷的有功功率和无功功率来实现相应功率的输出；
43)交流分区与直流分区的整流站连接处，采用负荷代替；
44)交流分区与直流分区的逆变站连接处，用电压源代替。
对于情况41)由于PSCAD/EMTDC中发电机出口处的升压变一般采用Y/D11接线方式，而BPA稳态潮流计算结果中不考虑变压器高压侧和低压侧的相角差30°，PSCAD/EMTDC中设定电压源参数前要对电压相角进行转换。
交直流大电网电磁暂态仿真规模庞大，发电机等动态元件数量很多，为了保证电磁暂态仿真能够顺利启动并建立预期的初始化稳定状态，需要投入大量时间进行繁琐的调整。本发明提出的交直流大电网电磁暂态仿真分片调试的方法，目的是通过分片的思想将大电网的问题转化成小电网进行解决，不但节省调试时间，而且可以达到协同工作的目的，使调试时间大为缩短，为交直流大电网电磁暂态仿真精确初始化提供了快速有效的方法。
附图说明
图1为本发明交流分区边界处理示意图；
图2为本发明直流分区边界处理示意图；
图3为本发明具体实施步骤中边界处导线连接示意图。
具体实施方式
以2012年度南方电网包含所有500kV节点和五回详细直流模型的网络为例，该网络包含600个节点，采用本发明提出的交直流大电网电磁暂态仿真分片调试方法，包括以下步骤：
(1)将目标电网中交流部分进行分区。按照每个分区50～100个节点的规模，同时利用最小割集的思路划分交流区域，使得区域间联络支路数最少，同时各分区内的节点数相当，分区后整个交流系统包含11个分区。
(2)将目标电网中高压直流输电系统进行分区。每一回直流作为一个分区，在整流侧和逆变侧交流母线处与交流网分割。
(3)由BPA的稳态潮流数据，通过计算，得到大电网的初始稳定状态，将该初始稳定状态作为目标稳定状态，同时得出每台发电机的机端电压和相角。
(4)每一个分区作为一个工程，在PSCAD/EMTDC中建立相应的模型。对于交流分区，发电机采用详细的Park模型，输电线路采用考虑分布参数的Bergeron模型，负荷采用ZIP综合模型；对于直流分区，建立详细的换流器和控制保护系统模型，能完全反映实际系统的运行特性。
(5)边界处理。分区与分区之间的边界处理采用如下方法，示意图如图1，2所示：
(5-1)对于功率送入的边界处，采用理想电压源代替，通过设定该节点处的电压幅值和相角来实现相应的功率注入。由于PSCAD/EMTDC中发电机出口处的升压变一般采用Y/D11接线方式，而BPA稳态潮流计算结果中不考虑变压器高压侧和低压侧的相角差30°，PSCAD/EMTDC中设定电压源参数前要对电压相角进行转换。
(5-2)对于功率送出的边界处，采用恒功率负荷代替，通过设定负荷的有功和无功功率实现相应的功率输出。
(5-3)交流与直流整流站连接处，用负荷代替；交流与直流逆变站连接处，用电压源代替。
(6)直流分区调试。在送端和受端加理想电压源以模拟送端和受端的交流系统，分别设置电压源电压幅值和相角，启动直流系统，观察稳态时直流功率、整流侧和逆变侧电压与BPA是否一致，若不一致则查找原因，直到与BPA相吻合为止。
(7)交流分区调试。监视交流分区中各发电机机端电压，有功和无功出力，监视每个500kV节点电压，使监视量与BPA相一致，由于BPA和EMTDC模型方面及计算步长的不同，两者不可能完全一致，实际调试中，保证各量的偏差在±2％内即可。如果差别较大，则检查发电机电压幅值和相角、线路参数和负荷参数是否正确。
(8)全网合并。将分布在不同工程中的各分区集中到一个工程中，边界处用导线进行连接，如图3，由于各分区稳定状态已与目标稳定状态一致，合并后的大电网与目标稳定状态基本接近，只需进行微调即可达到目标稳定状态。
Claims (4)
1.一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）分别将目标电网中的交流部分、直流部分进行分区，得到多个交流分区与多个直流分区；
2）采用机电暂态仿真计算得到目标电网的初始稳定状态，将该初始稳定状态作为目标稳定状态，同时计算出目标电网中每台发电机的端电压和相角；
3）各个交流分区、直流分区均作为独立电网，对各个独立电网建模；其中对于交流分区，发电机采用详细的Park模型，输电线路采用考虑分布参数的Bergeron 模型，负荷采用ZIP综合模型；对于直流分区，建立详细的换流器和控制保护系统模型，能完全反映实际系统的运行特性；
4）对各分区间的边界电网进行处理；
5）对各个交流分区调试，使每个交流分区稳定状态与目标稳定状态相一致；对各个直流分区调试，在各个直流分区的送端和受端加理想电压源模拟送端和受端的交流系统，并分别设置理想电压源的电压幅值和相角；
6）全网合并，将各个交流分区、直流分区合并到一个大电网，各分区的边界电网处用导线进行连接；
采用机电暂态仿真计算得到目标电网的初始稳定状态的步骤如下：
（1）根据设定的发电机节点的电压幅值和相角，各发电机先以理想电压源的模式启动从而达到稳定状态；
（2）模型达到稳定状态后释放发电机的励磁和调速器，完成从理想电压源到发电机的转变。
2.根据权利要求1所述的交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，其特征在于所述步骤1）对交流部分的分区按最小割集划分，各分区的规模在50~100个节点之内。
3.根据权利要求1所述的交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，其特征在于所述步骤1）对直流部分的分区是以每一回路的直流作为一个直流分区。
4.根据权利要求1所述的交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法，其特征在于所述步骤4）各分区之间的边界电网处理分为四种情况：
41）功率送入的边界电网处，采用理想电压源代替，设定该节点处的理想电压的幅值和相交来实现相应功率的送入；
42）功率送出的边界电网处，采用恒功率负荷代替，设定恒功率负荷的有功功率和无功功率来实现相应功率的输出；
43）交流分区与直流分区的整流站连接处，采用负荷代替；
44）交流分区与直流分区的逆变站连接处，用电压源代替。
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