CN103559347A - 一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法，其利用大规模交直流电力系统的机电暂态仿真数据，首先在机电暂态方式下通过电力系统动态等值方法简化交直流电力系统网架。然后，提出一套机电暂态元件模型与电磁暂态元件模型的转换对应原则，从而根据简化后的交直流系统机电暂态仿真模型建立起电磁暂态仿真模型。采用本发明方法，可以直接根据大规模交直流电力系统的机电暂态仿真数据，建立起电磁暂态仿真模型，并且保留原型系统的动态特性，进而可以交、直流系统详细交互作用、多直流换相失败特性及直流换相失败后恢复特性的研究。

Description

一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，为提供安全、可靠和充裕的电力供应，电力系统近年来不断得到了完善与升级。特别是特高压交流与特高压直流工程的陆续投运，标志着我国电力系统已经发展成为包含多机（上千台机）、大电网（上万条线路、母线）、交直流混合输电和大区联网特点的复杂电网。通常对电网存在的不稳定因素，需要通过电力系统仿真分析研究并提出保证系统稳定运行的方案。

大规模交直流系统的仿真分析虽然可以采用机电暂态仿真软件，如PSS/E（电力系统工程仿真软件，Power System Simulator for Engineering）、BPA（Bonneville Power Administration），但由于机电暂态仿真软件中对交流网络采用正序基波相量模型，直流系统采用准稳态模型描述，以上两大因素决定了机电暂态仿真无法准确模拟非基频下交直流的相互作用特性，交流不对称故障、直流线路故障以及与直流控制系统性能密切相关的扰动后直流系统恢复等问题。要想准确模拟交直流系统的相互作用特性，需要采用电磁暂态仿真方式。

由于电磁暂态仿真需要对各元件进行详细建模，并且仿真步长小（通常为50μs），因此计算量非常之大，对于大规模交直流系统是无法直接使用电磁暂态仿真软件进行分析与计算。此外，对于大规模电网（如区域电网）的数据格式通常是机电暂态仿真软件下的，而非电磁暂态仿真软件的数据格式。因此为建立大规模交直流电力系统的电磁暂态仿真模型，首先需要对原系统进行等值简化，然后根据一套机电暂态模型与电磁暂态模型转换对应的原则建立电磁暂态仿真模型。

目前，对于如何建立大规模交直流电力系统的电磁暂态模型问题没有一个系统的解决方法。同时，传统的机电暂态仿真下的动态等值方法如同调等值法、模态等值法和基于参数辨识的估计动态等值法，在等值过程中会在某些连接支路形成负电阻支路，因而无法适用于电磁暂态仿真分析。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法，能够对大规模交直流电力系统进行电磁暂态仿真，以分析系统交直流的相互作用特性。

一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法，包括如下步骤：

（1）利用机电暂态仿真软件对大规模交直流电力系统中的母线及线路进行遍历扫描，得到系统各母线及各线路的电气信息；进而将系统分层为主干网架和低压网架；

（2）根据连接特性将低压网架中的各低压网络分成两类：单母线网架结构和多母线网架结构；并计算各低压网络注入到对应连接母线的短路电流；

（3）根据低压网络的结构，对低压网架中的各低压网络进行等效简化，进而根据所述的短路电流确定低压网络等效电路结构中各设备的参数；

（4）根据所述的设备参数，通过对简化后系统中各组件在电磁暂态仿真软件中对应的模型进行参数整定，得到系统的电磁暂态仿真模型。

所述的步骤（1）中对系统进行分层的标准为：使系统中电压等级≥Vf的母线及线路归为主干网架，其余母线、线路及其所连接的负荷和无功补偿装置均归为低压网架，Vf为给定的高压阈值。

所述的步骤（2）中，对于单母线网架结构的低压网络，其只与主干网架中一条母线连接；对于多单母线网架结构的低压网络，其与主干网架中至少两条母线连接。

所述的步骤（2）中计算短路电流的方法为：对于主干网架中各母线施加三相短路故障，进而利用机电暂态仿真软件计算各低压网络注入到对应连接母线的短路电流。

所述的步骤（3）中，对于单母线网架结构的低压网络，且该低压网络与主干网架中一母线L连接，则该低压网络的等效电路结构由一等值发电机、一等值无功补偿装置和一等值负荷组成，其中：等值发电机通过一升压变压器与母线L相连，等值负荷和等值无功补偿装置共同通过一降压变压器与母线L相连；

对于多母线网架结构的低压网络，且该低压网络与主干网架中的n条母线相连，n为大于1的自然数，则该低压网络的等效电路结构由一等值发电机、一等值无功补偿装置和n个等值负荷组成，其中：等值发电机与等值无功补偿装置连接后通过n台升压变压器分别与n条母线相连，等值负荷通过一降压变压器与对应的母线相连。

对于单母线网架结构的低压网络，其等效电路结构中等值发电机的动态参数是通过同调发电机聚合法确定的，即将等效前低压网络中所有发电机视为同调发电机群，进而采用同调发电机聚合法将同调发电机群聚合成一台等值发电机并计算出该等值发电机的动态参数；

等值无功补偿装置的容量为等效前低压网络中所有无功补偿装置的容量总和；等值负荷的容量由以下算式确定：

P_Le=P-P_Ge-P_Ce-P_T

其中：P_Le为等值负荷的容量，P为等效前母线L流入低压网络的功率，P_Ge为等值发电机的出力，P_Ce为等值无功补偿装置的容量，P_T为降压变压器的损耗；

降压变压器的阻抗取典型值；升压变压器的阻抗由以下方程组联立计算求得：

$\stackrel{\·}{E}={\stackrel{\·}{U}}_s+j(X_t+X_d){\stackrel{\·}{I}}_t$

${\stackrel{\·}{U}}_t={\stackrel{\·}{U}}_s+j{X}_t{\stackrel{\·}{I}}_t$

$\stackrel{\·}{E}=j(X_t+X_d)\stackrel{\·}{I}$

$P_G+{\mathrm{jQ}}_G={\stackrel{\·}{U}}_t{\left({\stackrel{\·}{I}}_t\right)}^{*}$

其中：Z_t为升压变压器的阻抗且Z_t=jX_t，

为母线L的母线电压，X_d为等值发电机的次暂态电抗，

为等值发电机的次暂态电动势，

和

分别为等值发电机的端电压和端电流，X_t为升压变压器的阻抗值，

为低压网络注入到母线L的短路电流，j为虚数单位，P_G和Q_G分别为等值发电机的有功出力和无功出力，()^*表示共轭。

对于多母线网架结构的低压网络，其等效电路结构中等值发电机的动态参数是通过同调发电机聚合法确定的，即将等效前低压网络中所有发电机视为同调发电机群，进而采用同调发电机聚合法将同调发电机群聚合成一台等值发电机并计算出该等值发电机的动态参数；

等值无功补偿装置的容量为等效前低压网络中所有无功补偿装置的容量总和；等值负荷的容量由以下算式确定：

P_Lk=P_k-P_Gk-P_Ck-P_Tk

其中：P_Lk为第k个等值负荷的容量，P_k为等效前第k条母线流入低压网络的功率，P_Gk为等值发电机对于第k条母线的出力，P_Ck为等值无功补偿装置对于第k条母线的出力，P_Tk为第k台降压变压器的损耗；

降压变压器的阻抗取典型值；升压变压器的阻抗由以下方程组联立计算求得：

$\begin{array}{cc}{X}_k=\frac{\left|\stackrel{\·}{E}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_k\right|}-X& X=\frac{1}{\frac{1}{X_d}+\frac{1}{X_{\mathrm{Ce}}}}\end{array}$

其中：Z_k为第k台升压变压器的阻抗且Z_k=jX_k，

为等值发电机的次暂态电动势且取典型值，

为低压网络注入到第k条母线的短路电流，X_d为等值发电机的次暂态电抗，X_Ce为等值无功补偿装置的等效阻抗，j为虚数单位，k为自然数且1≤k≤n。

所述的动态参数包括容量、稳态出力、原动机机械功率、惯性常数、阻尼系数以及次暂态电抗。

所述的步骤（4）中对简化后系统中各组件在电磁暂态仿真软件中对应的模型进行参数整定的具体实现方法如下：

对于系统中的线路，调取线路在机电暂态仿真软件中的集总π模型以及在电磁暂态仿真软件中的Bergeron模型；若集总π模型中线路的串联阻抗为R+jU，对地导纳为jB；则根据以下公式计算出线路的波阻抗、波传播时间以及线路送端和受端的历史量，进而根据求得的信息对Bergeron模型进行参数整定；

$Z_s=\sqrt{U/B}$

$\mathrm{\τ}=\sqrt{\mathrm{UB}}$

${\mathrm{hist}}_r(t-\mathrm{\τ})=\frac{1}{Z_s}{u}_r(t-\mathrm{\τ})+i_r(t-\mathrm{\τ})$

${\mathrm{hist}}_s(t-\mathrm{\τ})=\frac{1}{Z_s}{u}_s(t-\mathrm{\τ})+i_s(t-\mathrm{\τ})$

其中：Z_s和τ分别为线路的波阻抗和波传播时间，hist_s(t-τ)和hist_r(t-τ)分别为t-τ时刻下线路送端和受端的历史量，u_s(t-τ)和u_r(t-τ)分别为t-τ时刻下线路送端和受端的电压，i_s(t-τ)和i_r(t-τ)分别为t-τ时刻下线路送端和受端的电流，t为时间；

对于系统中的等值发电机、等值负荷、等值无功补偿装置、升压变压器及降压变压器，调取上述各设备在电磁暂态仿真软件中对应的模型，进而根据设备的参数对设备对应的模型进行参数整定；

对于系统中的直流输电设备，所述的直流输电设备包括直流输电线路、滤波器、换流器及其控制器，调取上述各设备在电磁暂态仿真软件中对应的模型，进而根据设备的实际工程参数对设备对应的模型进行参数整定。

本发明的大规模交直流电力系统的电磁暂态模型构建方法，可以直接根据大规模交直流电力系统的机电暂态仿真软件数据，建立起电磁暂态仿真模型，并且保留原型系统的动态特性，进而可以实现交、直流系统详细交互作用、多直流换相失败特性及直流换相失败后恢复特性的研究。使用本发明方法根据南方电网2015年机电暂态仿真模型建立其电磁暂态仿真模型，对称故障下仿真结果表明，电磁暂态仿真所得动态特性与原型系统相吻合，从而也验证了本方法的准确性与可行性。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程示意图。

图2(a)为单母线网架结构的示意图。

图2(b)为多母线网架结构的示意图。

图3为大规模交直流电力系统的等值简化示意图。

图4(a)为单母线网架结构的简化示意图。

图4(b)为图4(a)通过戴维南等效后的参数计算示意图。

图5(a)为多单母线网架结构的简化示意图。

图5(b)为图5(a)通过戴维南等效后的参数计算示意图。

图5(c)为图5(b)中次暂态电抗X_d与等效电抗X_Ce合并后的参数计算示意图。

图6为无损耗输电线路的Bergeron计算电路示意图。

图7为有损耗输电线路在电磁暂态模型下的处理示意图。

图8为故障下阿海电厂机组功角的响应特性示意图。

图9为故障下金安桥电厂机组功角的响应特性示意图。

图10为故障下永胜-泰安500kV输电线路的有功功率示意图。

图11为故障下金中直流单极的有功功率示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

以南方电网2015年规划数据为例，南方电网主要由云南、贵州、广西、广东、海南五省电网组成，其中海南电网因地理位置缘故，规模较小，较为独立。南方电网2015年共含有八条直流输电线路，构成大规模交直流混合电网，其中交流系统主干网架电压等级为500kV。下面根据南方电网2015年机电暂态仿真软件PSS/E下的数据，建立系统在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下的模型，具体过程如图1所示。

（1）对机电暂态仿真软件PSS/E下南方电网母线与线路进行遍历扫描。将主干网架500kV母线的下属低压网络按结构分为两类：单母线网架结构与多母线网架结构。单母线网架结构是指主干网架500kV母线下属低压网络仅通过升压变压器与其相连，而未与其他500kV母线相连的结构，如图2(a)所示；多母线网架结构是指500kV母线下属低压网络通过升压变压器与多个500kV母线相连，此低压网络属于多母线网架结构，如图2(b)所示。其中图2(b)所示的多母线网架结构含有两个500kV母线，含两个以上500kV母线的多母线网架结构也与此类似。

扫描过程中，还需读取各500kV母线电压，主干网架与低压网络间的潮流，发电机出力、端电压及其动态参数，负荷与无功补偿值。读取的数据将在接下来几步计算中使用到。

实例中采用的南方电网仿真计算数据中，共含有1157台发电机，6181个母线，9098条线路；系统总发电量为198613MW，总负荷为193612MW。

（2）主干网架500kV母线三相短路电流计算。对主干网架各母线分别施加三相短路故障，利用机电暂态仿真软件PSS/E计算由其下属低压网络注入到该母线的三相短路电流。此计算值将在步骤（4）计算等值结构参数中使用。

（3）对单母线网架结构与多母线网架结构下属低压网络分别进行发电机组聚合。各单母线网架及多母线网架结构下属低压网络中各发电机由于电气距离很近，可视为同调发电机群，采用同调发电机聚合方法将各同调发电机组聚合成一台等值发电机。假设同调机组中共含有N台发电机，则等值发电机的容量S_G、稳态出力P_G、原动机机械功率P_mG、惯性常数M_G、阻尼系数D_G与次暂态电抗X_dG计算方法如下：

$S_G=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i$

$P_G=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{S_i}{S_G}{P}_i\right)$

$P_{\mathrm{mG}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{S_i}{S_G}{P}_{\mathrm{mi}}\right)$

$M_G=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{S_i}{S_G}{M}_i\right)$

$D_G=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{S_i}{S_G}{D}_i\right)$

$X_{\mathrm{dG}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{S_i}{S_G}{X}_{\mathrm{di}}\right)$

其中，符号中下标i（i=1,2,...N）表示同调发电机群中第i台发电机。

需指出的是，对于直接通过升压变压器与主干网架母线相连的大容量发电机组，由于其通常对系统动态特性影响较大，在等值过程需将其保留。

（4）低压网架简化计算。保留南方电网中交直流系统中交流系统500kV主干网架、大容量发电机组，直流输电线路及换流站设备元件，并将主干网架母线下属的低压网络按单母线网架与多母线网架结构分别进行简化等效，从而得到大幅简化的等值系统，如图3所示；等值过程中保持发电机对主干网架母线支撑强度不变（三相短路电流不变）。下面分别详细介绍单母线网架与多母线网架简化结构中各参数计算方法。

单母线网架等值简化结构示意图分别如图4(a)所示。Ge为等值发电机，表征了低压网络中同调发电机群的效应，其参数已经在步骤（3）利用同调机参数聚合法获得；Tt、TL分别为升压变压器和降压变压器，参数待求；Ce为等值无功补偿装置，它表征了低压网络中所有固定并联支路的效应，可以直观的用原低压网络中固定并联支路的容量之和作为该等值固定并联支路的容量；Le为等值负荷，容量待求。

该500kV主干网架母线发生三相短路时，其戴维南等值电路如图4(b)所示。其中

和X_d分别为等值发电机的次暂态电动势与次暂态电抗，Z_t为升压变压器的阻抗，

表示低压网络注入到该500kV母线的短路电流。根据等值前后500kV主干网架发生短路时，对应的低压网络注入到该母线的短路电流不变要求以及稳态下发电机的出力不变方程，可以联立计算得升压变压器阻抗值Z_t（Z_t=jX_t）。联立以下方程，4组方程可解得4个未知变量：等值发电机次暂态电动势

，端电压，端电流

和升压变压器阻抗值X_t；其中主干网架母线电压、发电机次暂态电抗X_d、发电机有功无功出力P_G和Q_G、短路电流

均已知。

$\stackrel{\·}{E}={\stackrel{\·}{U}}_s+j(X_t+X_d){\stackrel{\·}{I}}_t$

${\stackrel{\·}{U}}_t={\stackrel{\·}{U}}_s+j{X}_t{\stackrel{\·}{I}}_t$

$\stackrel{\·}{E}=j(X_t+X_d)\stackrel{\·}{I}$

$P_G+{\mathrm{jQ}}_G={\stackrel{\·}{U}}_t{\left({\stackrel{\·}{I}}_t\right)}^{*}$

降压变压器支路中等效负荷主要是用来平衡500kV主干网架流向该简化低压网络的潮流，该降压变压器的参数对短路电流无太大影响，可取典型值。通过调整等值负荷Le的值，使得简化前后该500kV母线流向低压网络的功率不变，从而确定等值负荷的容量。负荷的模型采用ZIP模型，等值负荷ZIP的比例根据原低压网络中负荷的比例通过加权获得。根据此计算思路，可计算单母线网架的简化结构参数。

多母线网架等值简化结构示意图分别如图5(a)所示，这里假设多母线网架结构中，含有N个500kV母线。Ge为等值发电机，其参数已经在步骤（3）利用同调机参数聚合法获得。Tt,i、TL,i（i=1,2,...N）分别为第i个500kV母线与等值发电机端母线连接的降压变压器和与各自等值负荷相连的降压变压器，阻抗参数待求；Ce为等值无功补偿装置，它表征了低压网络中所有固定并联支路的效应，可以直观的用原低压网络中固定并联支路的容量之和作为该等值固定并联支路的容量；Le为等值负荷，容量待求。

假设500kV主干网架母线Bus_i发生三相接地短路时，则其戴维南等值电路如图5(b)所示。其中

和X_d分别为等值发电机的次暂态电动势与次暂态电抗，Z_k为等值发电机母线与第k条500kV母线相连的变压器的阻抗，

（1≤k≤N）表示低压网络注入到500kV母线k的短路电流，表示等值发电机的短路电流。母线i发生金属性三相接地短路故障时，第i条升压变压器支路上的短路阻抗远远小于其他支路上的短路阻抗，所以此时低压网络注入到这N个500kV主干网架母线的短路电流

中远远大于其他短路电流（1≤k≤N，k≠i），从而可以近似认为发电机短路电流

与相等，从而得到图5(c)所示近似电路图。这里取发电机次暂态电动势为典型值1.2，从而可以根据如图5(c)所示戴维南等值电路计算得升压变压器阻抗值Z_i。同理，在电磁环网中其他500kV母线k（1≤k≤N，k≠i）发生三相短路故障，可求得对应的升压变压器阻抗值Z_k（Z_k=jX_k）如下式所示：

$\begin{array}{cc}{X}_k=\frac{\left|\stackrel{\·}{E}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_k\right|}-X& X=\frac{1}{\frac{1}{X_d}+\frac{1}{X_{\mathrm{Ce}}}}\end{array}$

其中：等值发电机次暂态电动势

取典型值1.2，图5(c)中等效电抗X即发电机次暂态电抗X_d与无功补偿装置的等效电抗X_Ce的并联值。

500kV母线各降压变压器支路中等效负荷主要是用来平衡各500kV主干网架流向该低压网络的潮流。下面详细计算降压变压器与负荷支路参数，以第i个主干网架母线下属降压变压器与负荷为例。主干网架母线流入等值发电机支路潮流为：

${\stackrel{\·}{S}}_1={\stackrel{\·}{U}}_i\×{\left(\frac{{\stackrel{\·}{U}}_i{\stackrel{\·}{U}}_t}{Z_i}\right)}^{*}$

其中，

为该主干网架第i个母线电压，已在第一步网架扫描中获取；

为等值发电机端电压，可直接根据功率守恒方程求解得到，如下式所示：

$P_G+{\mathrm{jQ}}_G-{\mathrm{jQ}}_C={\stackrel{\·}{U}}_t[\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({\stackrel{\·}{U}}_t-{\stackrel{\·}{U}}_k)}{{\mathrm{jX}}_{\mathrm{ti}}}{]}^{*}$

其中：P_G、Q_G和Q_C分别为等值发电机有功出力、无功出力与等值无功补偿装置出力，U_k为与该低压网络相连的第k个主干网架母线的电压。

根据等值前后主干网架母线流入低电压网络功率不变，可得流过降压变压器的功率为：

${\stackrel{\·}{S}}_2={\stackrel{\·}{S}}_0-{\stackrel{\·}{S}}_1$

降压变压器电抗X_L取典型值（短路电压百分比U_L%=12%），从而可分别通过下式计算得到和负荷P_L+jQ_L：

${\stackrel{\·}{I}}_L={\left(\frac{S_2}{{\stackrel{\·}{U}}_i}\right)}^{*}$

${\stackrel{\·}{U}}_L={\stackrel{\·}{U}}_i-j{\stackrel{\·}{I}}_L{X}_L$

$P_L+{\mathrm{jQ}}_L={\stackrel{\·}{U}}_L{\stackrel{\·}{I}}_L^{*}$

（5）逐个将主干网架母线500kV下属低压网络简化，直到所有低压网络均用等值结构代替，从而大大简化交流系统规模。此时，得到简化的交直流系统机电暂态仿真模型，也即PSS/E数据格式下的数据文件。

（6）根据各电气元件机电暂态模型与电磁暂态模型的对应关系，将简化后的交直流系统机电暂态仿真软件PSS/E下的数据转换为电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC下的数据。其中各电气元件的转换关系如下所述：

交流输电线路模型：下面根据机电暂态仿真软件下中潮流数据给出的输电线路在基频下的集总π模型参数，推导电磁暂态仿真分析时采用的Bergeron模型。设潮流数据给出的输电线路集总π模型中，基频下线路总的串联阻抗为R+jU，总的对地导纳为jB，这里假设线路长度为L。先考虑不计线路电阻的无损耗线Bergeron模型，其t时刻等效计算电路如图6所示。其中Zs为波阻抗，τ为电磁波从送端s到受端r所经历的时间，us(t)、ur(t)、is(t)、ir(t)分别为t时刻送端与受端的电压、电流值，hists(t-τ)、histr(t-τ)分别为s端、r端的历史量。则可推导其计算电路中参数如下所示：

$Z_s=\sqrt{z_1/y_1}=\sqrt{\frac{\mathrm{jU}/L}{\mathrm{jB}/L}}=\sqrt{U/B}$

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{v}=L\·\mathrm{Im}\left(\sqrt{z_1\·y_1}\right)=L\·\mathrm{Im}\left(\sqrt{\frac{\mathrm{jU}}{L}\·\frac{\mathrm{jB}}{L}}\right)=\sqrt{\mathrm{UB}}$

${\mathrm{hist}}_r(t-\mathrm{\τ})=\frac{1}{Z_s}{u}_r(t-\mathrm{\τ})+i_r(t-\mathrm{\τ})$

${\mathrm{hist}}_s(t-\mathrm{\τ})=\frac{1}{Z_s}{u}_s(t-\mathrm{\τ})+i_s(t-\mathrm{\τ})$

式中，z₁、y₁分别为线路单位长度的阻抗和导纳值，v为沿线电磁波传播速度。由上式可知，可直接根据潮流数据中线路的总串联阻抗和总对地导纳计算得到波阻抗Z_s和波传播时间τ，从而可计算hist_s(t-τ)和hist_r(t-τ)的值，而不需要知道单位长度的参数与线路长度。也就是说，已知线路的总串联阻抗和总对地导纳，就可直接导出Bergeron等效模型。当考虑线路的电阻时，可以先将具有分布电阻的线路简化为无损线路，然后将线路的分布电阻集中到线路中间与两端，如图7所示。从而根据输电线路的机电暂态仿真模型即可得到相应的电磁暂态仿真模型。

直流线路模型：机电暂态仿真软件中对直流系统通常采用准稳态模型描述，而直流系统的换相失败及恢复与换流站母线交流三相瞬时电压密切相关，这就要求建立更详细的电磁暂态直流模型。因此这里在电磁暂态仿真软件中采用基于实际工程的直流输电系统详细模型，直流线路根据实际杆榙参数和线路长度信息采用频率相关模型，滤波器参数和保护控制系统可以根据实际工程参数整定。

等值发电机及其控制器、变压器、负荷等模型：电磁暂态仿真软件PSCAD元件模型库中，也通常含有与机电暂态仿真软件PSS/E元件库相对应的发电机、励磁系统、调速系统以及变压器模型，可直接对应转换。如发电机在两者模型库这均有隐极机GENROU与凸极机GENSAL。此外，负荷模型在机电暂态方式下通常采用静态负荷模型，在电磁暂态方式下也可以采用ZIP静态负荷模型直接转换。

由此，可得到大规模交直流系统电磁暂态仿真模型。

以下我们所建立的电磁暂态仿真模型的有效性验证。对比三相对称短路故障下，在PSCAD中所建立的电磁暂态仿真模型与原型系统PSS/E机电暂态仿真模型的动态响应特性如图8～11所示，其中三相短路故障设置在金中直流逆变站附近主干网架500kV母线，故障发生时间1s，0.1s后清除故障，仿真到10s。图8～9所示功角是以龙开口发电机为参考机。仿真对比结果表明，所建立的电磁暂态仿真模型与原型系统机电暂态仿真模型在三相对称短路故障下的动态响应特性相吻合，从而验证了本实施方式建立的电磁暂态仿真模型的有效性与准确性。进而可以利用建立的电磁暂态仿真模型进行交、直流系统详细交互作用、多直流换相失败特性及直流换相失败后恢复特性的研究。

Claims (8)

1.一种大规模交直流电力系统电磁暂态仿真模型的构建方法，包括如下步骤：

（1）利用机电暂态仿真软件对大规模交直流电力系统中的母线及线路进行遍历扫描，得到系统各母线及各线路的电气信息；进而将系统分层为主干网架和低压网架；

（2）根据连接特性将低压网架中的各低压网络分成两类：单母线网架结构和多母线网架结构；并计算各低压网络注入到对应连接母线的短路电流；

（3）根据低压网络的结构，对低压网架中的各低压网络进行等效简化，进而根据所述的短路电流确定低压网络等效电路结构中各设备的参数；

（4）根据所述的设备参数，通过对简化后系统中各组件在电磁暂态仿真软件中对应的模型进行参数整定，得到系统的电磁暂态仿真模型。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：所述的步骤（1）中对系统进行分层的标准为：使系统中电压等级≥Vf的母线及线路归为主干网架，其余母线、线路及其所连接的负荷和无功补偿装置均归为低压网架，Vf为给定的高压阈值。

3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，对于单母线网架结构的低压网络，其只与主干网架中一条母线连接；对于多单母线网架结构的低压网络，其与主干网架中至少两条母线连接。

4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：所述的步骤（2）中计算短路电流的方法为：对于主干网架中各母线施加三相短路故障，进而利用机电暂态仿真软件计算各低压网络注入到对应连接母线的短路电流。

5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，对于单母线网架结构的低压网络，且该低压网络与主干网架中一母线L连接，则该低压网络的等效电路结构由一等值发电机、一等值无功补偿装置和一等值负荷组成，其中：等值发电机通过一升压变压器与母线L相连，等值负荷和等值无功补偿装置共同通过一降压变压器与母线L相连；

对于多母线网架结构的低压网络，且该低压网络与主干网架中的n条母线相连，n为大于1的自然数，则该低压网络的等效电路结构由一等值发电机、一等值无功补偿装置和n个等值负荷组成，其中：等值发电机与等值无功补偿装置连接后通过n台升压变压器分别与n条母线相连，等值负荷通过一降压变压器与对应的母线相连。

6.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于：对于单母线网架结构的低压网络，其等效电路结构中等值发电机的动态参数是通过同调发电机聚合法确定的，即将等效前低压网络中所有发电机视为同调发电机群，进而采用同调发电机聚合法将同调发电机群聚合成一台等值发电机并计算出该等值发电机的动态参数；

等值无功补偿装置的容量为等效前低压网络中所有无功补偿装置的容量总和；等值负荷的容量由以下算式确定：

P_Le=P-P_Ge-P_Ce-P_T

其中：P_Le为等值负荷的容量，P为等效前母线L流入低压网络的功率，P_Ge为等值发电机的出力，P_Ce为等值无功补偿装置的容量，P_T为降压变压器的损耗；

降压变压器的阻抗取典型值；升压变压器的阻抗由以下方程组联立计算求得：

$\stackrel{\·}{E}={\stackrel{\·}{U}}_s+j(X_t+X_d){\stackrel{\·}{I}}_t$

${\stackrel{\·}{U}}_t={\stackrel{\·}{U}}_s+j{X}_t{\stackrel{\·}{I}}_t$

$\stackrel{\·}{E}=j(X_t+X_d)\stackrel{\·}{I}$

$P_G+{\mathrm{jQ}}_G={\stackrel{\·}{U}}_t{\left({\stackrel{\·}{I}}_t\right)}^{*}$

其中：Z_t为升压变压器的阻抗且Z_t=jX_t，

为母线L的母线电压，X_d为等值发电机的次暂态电抗，

为等值发电机的次暂态电动势，

和分别为等值发电机的端电压和端电流，X_t为升压变压器的阻抗值，

为低压网络注入到母线L的短路电流，j为虚数单位，P_G和Q_G分别为等值发电机的有功出力和无功出力，()^*表示共轭。

7.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于：对于多母线网架结构的低压网络，其等效电路结构中等值发电机的动态参数是通过同调发电机聚合法确定的，即将等效前低压网络中所有发电机视为同调发电机群，进而采用同调发电机聚合法将同调发电机群聚合成一台等值发电机并计算出该等值发电机的动态参数；

等值无功补偿装置的容量为等效前低压网络中所有无功补偿装置的容量总和；等值负荷的容量由以下算式确定：

P_Lk=P_k-P_Gk-P_Ck-P_Tk

其中：P_Lk为第k个等值负荷的容量，P_k为等效前第k条母线流入低压网络的功率，P_Gk为等值发电机对于第k条母线的出力，P_Ck为等值无功补偿装置对于第k条母线的出力，P_Tk为第k台降压变压器的损耗；

降压变压器的阻抗取典型值；升压变压器的阻抗由以下方程组联立计算求得：

$\begin{array}{cc}{X}_k=\frac{\left|\stackrel{\·}{E}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_k\right|}-X& X=\frac{1}{\frac{1}{X_d}+\frac{1}{X_{\mathrm{Ce}}}}\end{array}$

其中：Z_k为第k台升压变压器的阻抗且Z_k=jX_k，为等值发电机的次暂态电动势且取典型值，

为低压网络注入到第k条母线的短路电流，X_d为等值发电机的次暂态电抗，X_Ce为等值无功补偿装置的等效阻抗，j为虚数单位，k为自然数且1≤k≤n。

8.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：所述的步骤（4）中对简化后系统中各组件在电磁暂态仿真软件中对应的模型进行参数整定的具体实现方法如下：

对于系统中的线路，调取线路在机电暂态仿真软件中的集总π模型以及在电磁暂态仿真软件中的Bergeron模型；若集总π模型中线路的串联阻抗为R+jU，对地导纳为jB；则根据以下公式计算出线路的波阻抗、波传播时间以及线路送端和受端的历史量，进而根据求得的信息对Bergeron模型进行参数整定；

$Z_s=\sqrt{U/B}$

$\mathrm{\τ}=\sqrt{\mathrm{UB}}$

${\mathrm{hist}}_r(t-\mathrm{\τ})=\frac{1}{Z_s}{u}_r(t-\mathrm{\τ})+i_r(t-\mathrm{\τ})$

${\mathrm{hist}}_s(t-\mathrm{\τ})=\frac{1}{Z_s}{u}_s(t-\mathrm{\τ})+i_s(t-\mathrm{\τ})$

其中：Z_s和τ分别为线路的波阻抗和波传播时间，hist_s(t-τ)和histr(t-τ)分别为t-τ时刻下线路送端和受端的历史量，u_s(t-τ)和u_r(t-τ)分别为t-τ时刻下线路送端和受端的电压，i_s(t-τ)和i_r(t-τ)分别为t-τ时刻下线路送端和受端的电流，t为时间；

对于系统中的等值发电机、等值负荷、等值无功补偿装置、升压变压器及降压变压器，调取上述各设备在电磁暂态仿真软件中对应的模型，进而根据设备的参数对设备对应的模型进行参数整定；

对于系统中的直流输电设备，所述的直流输电设备包括直流输电线路、滤波器、换流器及其控制器，调取上述各设备在电磁暂态仿真软件中对应的模型，进而根据设备的实际工程参数对设备对应的模型进行参数整定。

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