CN107069794A - 一种具有分层结构的特高压直流系统机电‑电磁暂态混合仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有分层结构的特高压直流系统机电‑电磁暂态混合仿真方法，属于电网仿真与控制领域，其特点主要包括以下步骤：步骤1确定具有分层结构的特高压直流输电系统的目标网架；步骤2获取具有分层结构的特高压直流系统的运行参数；步骤3确定具有分层结构的特高压直流系统的控制系统；步骤4对具有分层结构的特高压直流电网进行机电‑电磁暂态混合仿真。本发明能够有效和可靠地进行特高压直流分层接入受端电网的仿真分析，为更有效的把握特高压直流分层接入受端电网的运行特性及相互作用机理提供技术依据和实用化仿真方法。

Description

一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿 真方法

技术领域

本发明涉及一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，特别涉及一种基于ADPSS的具有分层结构的特高压直流系统的机电-电磁暂态混合仿真方法，属于电网仿真与控制领域。

背景技术

近年来，我国在特高压交直流输电技术和工程建设领域取得巨大的成果。特高压交直流输电工程的建成和投运，实现远距离、大容量输电，对我国实现资源优化配置具有重要意义。目前，高压直流输电大多采用电网电网换相换流器技术，此技术的缺点是需要受端电网提供足够的换相电压和换相失败后需要吸收大量无功功率，这对交流电网的安全稳定造成严重影响。多馈入直流电网是我国电网发展的主要趋势，多馈入直流之间电气距离短，交直流系统故障可能导致多个换流站发生换相失败；故障清除后，如果控制策略不当将会使多个直流输电子系统发生相继换相失败。为解决上述问题，结合我国特高压输电技术发展现状，国内专家学者率对特高压直流分层接入受端电网的接线方式进行了研究。特高压直流分层接入的具体接线方式是直流换流站内的高低端换流器、滤波器及无功补偿装置分别接入不同电压等级的交流电网，一般是分别接入500kV和1000kV交流电网。采用分层接入方式，有助于提高系统的多馈入短路比和电压支撑能力。这是一种创新性的接入方式，目前国内外尚没有工程实例，对此研究的参考也较少，加之特高压直流分层接入方式下，直流系统拓扑结构复杂，交直流系统及两层受端系统间交互影响机理更加复杂。因此，急需全新的仿真方式对这种接线方式下的特高压交直流电网的动态特性进行研究。

针对特高压直流分层接入受端电网这一全新的接线方式，目前关于仿真方法的研究还比较少，主要集中在采用纯机电暂态仿真和纯电磁暂态仿真。在进行纯电磁暂态仿真过程中，通常受仿真规模的限制，计算量大，节点数量不能太多，仿真缓慢，需要对交流电网做等值化简，这将使得电网的运行特性发生巨大改变，在涉及直流电网安全稳定控制策略对系统动态特性的影响方面的仿真研究时，计算准确度及其控制策略会受到影响。而采用纯机电暂态仿真进行稳态和准稳态仿真的对象主要对大规模电网，其对特高压直流层接入受端电网详细电磁暂态过程的仿真可能不太精确。电力系统仿真是认识系统特性，分析系统稳定性的主要手段。特高压交直流混联以及特高压直流接入受端电网的不同接线方式给电网的特性带来深刻变化，交直流相互作用，送受端影响加剧，目前特高压交直流相互作用指标的分析相对保守，准确把握交直流混联电网及特高压直流分层接入受端电网的机理及运行特性，对系统动态特性的仿真有必要进行详细仿真分析。

解决问题的关键是如何根据这种特殊的接线方式，同时兼顾机电暂态和电磁暂态仿真的优点，实现对特高压大电网的快速准确计算，同时保证仿真的规模和精确性。该仿真方法的复杂性在于，一方面，含大量电力电子器件的直流系统及复杂电力电子等非线性原件的详细电磁暂态仿真建模，并且在建模过程中广泛采用基础元件搭建的方式来实现直流一次系统的仿真，仿真精度依赖于软件采用的基础算法和基础元件建模的精细程度。另一方面，特高压直流分层接入受端电网的控制方式比较复杂，目前的直流输电控制系统一般分为系统控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级、单独控制级和换流阀控制级等六个层次的等级。对于特高压直流分层接入受端电网而言，由于逆变侧单极接入不同电压等级的交流系统，其控制特性更加复杂化，需要控制器协调配合，集中控制多个换流器。如何实现适应各种运行情况下的计算分析的准确性，系统的建模仿真是一个关键问题。

本发明的目的在于解决现有技术上存在的上述问题，基于中国电科院自主研发的全数字实时仿真装置(ADPSS)，实现特高压直流系统的详细电磁暂态建模仿真，与直流相联的交流系统采用机电暂态建模仿真，利用数据交互接口，从而提供一种有效和实用化的具有分层结构的特高压直流机电-电磁暂态混合仿真方法。本发明采用的方法，能够有效和可靠地进行特高压直流分层接入受端电网的仿真分析，为更有效的把握特高压直流分层接入受端电网的运行特性及相互作用机理提供技术依据和实用化仿真方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术上存在的上述问题，提供一种可靠且有效地特高压直流分层接入受端电网的机电-电磁暂态混合仿真方法方法。本发明采用这种方法考虑特高压直流分层接入受端电网控制系统建模的复杂性和纯机电暂态和电磁暂态混合仿真的缺陷，能够有效地分析特高压直流分层接入受端电网的运行特性及相互作用机理，为特高压直流电网的运行分析与控制提供技术依据和实用方法。

本发明提出这种具有分层结构的特高压直流机电-电磁暂态混合仿真方法的基本思想是：基于电力系统仿真软件ADPSS，考虑纯机电暂态仿真及纯电磁暂态仿真的缺陷，建立了特高压直流分层接入受端电网的机电-电磁暂态混合仿真平台，同时考虑了分层接入方式下控制系统的复杂性，从而较大的提高了仿真的可靠性和实用性。

本发明的技术方案是：一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，在逆变侧换流器分层接入受端电网特高压直流电网中，利用中国电科院电力系统全数字混合仿真程序ADPSS，对特高压直流系统进行详细电磁暂态建模仿真，与直流相联的交流系统采用进行机电暂态建模仿真，通过数据交互接口进行数据交互开展混和仿真，从而实现对特高压交直流电网的运行特性及相互作用机理的有效把握。

其特点包括以下步骤：

步骤1)确定具有分层结构的特高压直流输电系统的目标网架；

步骤2)获取具有分层结构的特高压直流系统的运行参数；

步骤3)确定具有分层结构的特高压直流系统的控制系统,包括极控、站控和阀组控制；

步骤4)对具有分层结构的特高压直流电网进行机电-电磁暂态混合仿真；

(1)特高压电网机电暂态全网数据的录入和编辑，建立具有分层结构的特高压直流电网机电暂态仿真算例，并对机电暂态仿真算例进行潮流计算；

(2)按照潮流计算结果划分机电暂态子网和电磁暂态子网；

(3)电磁暂态数据录入和编辑，建立电磁暂态仿真算例，添加机电暂态、电磁暂态接口；

(4)提交机电暂态和电磁暂态子网作业，进行混合仿真计算。

所述步骤1具有分层结构的特高压直流输电系统是指特高压直流分层接入不同电压等级的电网，其中特高压直流高端换流变、低端换流变、交流滤波器和无功补装置也分别接入不同的电压等级。

所述步骤2获取具有分层结构的特高直流系统的运行参数是指换流变压器参数、输电线路参数、交流滤波器参数、直流滤波器参数等电磁暂态建模所需参数和机电暂态仿真模型中所需要的发电机组参数、线路参数、负荷参数等。

所述步骤3确定具有分层结构的特高压直流系统的控制系统是指极控系统、站控系统、阀组控制系统的控制策略、信号处理和参数配置。

所述步骤4机电-电磁暂态混合仿真是指应用中国电科院自主研发的全数字实时仿真装置(ADPSS)，对具有分层结构的特高压直流系统采用电磁暂态建模仿真，与特高压直流相关的交流部分采用机电暂态建模仿真，机电暂态与电磁暂态同步进行计算，利用数据交互接口实现机电-电磁暂态混合仿真。

本发明的有益效果为：

本具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，能够提高仿真的准确性、可靠性和快速性，能更好地把握具有分层结构的特高压直流电网的动态过程以及特高压直流电网与交流的相互作用机理。特高压直流分层接入受端电网，其拓扑结构发生较大变化，特高压直流与交流、两层受端之间的相互作用机理更加复杂化。纯机电暂态仿真是对大规模电网进行稳态和准稳态建模仿真，不能详细、准确地模拟系统局部快速变化过程。纯电磁暂态仿真是对电力系统进行详细建模仿真，受仿真速度和仿真规模的限制，无法对大规模系统进行仿真，在仿真规模变大时容易出现数值的不稳定。本发明通过对具有分层结构的特高压直流系统进行机电-电磁暂态混合仿真，提高了仿真的准确性，能更好地把握具有分层结构的特高压直流电网的动态过程以及特高压直流电网与交流的相互作用机理。

附图说明

图1具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法的总体流程图。

图2机电-电磁暂态混合仿真具体流程图。

图3特高压直流分层接入系统结构图。

图4机电-电磁暂态混合仿真接口等值电路。

图5具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真算例分网示意图。

图6a)整流侧交流母线电压波形图。

图6b)逆变侧交流母线电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和算例对本发明方案的技术方案作进一步的详细说明。

如图1-5、图6a)、图6b)所示，具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法包括以下步骤：

步骤1)确定具有分层结构的特高压直流输电系统的目标网架；

步骤2)获取具有分层结构的特高压直流系统的运行参数；

步骤3)具有分层结构的特高压直流系统建模；具体包括：

(1)：具有分层结构的特高压直流系统核心控制系统建模，包括站控系统、极控系统和阀组控制系统的详细建模；

(2)：具有分层结构的特高压直流输电系统一次设备的建模，包括换流器、直流线路、接地极、换流变压器、直流滤波器、交流滤波器和平波电抗器。

步骤4)对具有分层结构的特高压直流电网进行机电-电磁暂态混合仿真

(1)机电暂态全网数据的录入和编辑，建立机电暂态仿真算例，并对机电暂态仿真算例进行潮流计算；

(2)按照潮流计算结果划分机电暂态子网和电磁暂态子网；

(3)电磁暂态数据录入和编辑，建立电磁暂态仿真算例，添加机电暂态、电磁暂态接口；

(4)提交机电暂态和电磁暂态子网作业，进行混合仿真计算。

具有分层结构的特高压直流输电系统是指特高压直流分层接入不同电压等级的电网，其中特高压直流高端换流变、低端换流变、交流滤波器和无功补装置也分别接入不同的电压等级。

获取具有分层结构的特高直流系统的运行参数是指换流变压器参数、输电线路参数、交流滤波器参数、直流滤波器参数等电磁暂态建模所需参数和机电暂态仿真模型中所需要的发电机组参数、线路参数、负荷参数等。

确定具有分层结构的特高压直流系统的控制系统是指极控系统、站控系统、阀组控制系统的控制策略、信号处理和参数配置。

机电-电磁暂态混合仿真是指应用中国电科院自主研发的全数字实时仿真装置(ADPSS)，对具有分层结构的特高压直流系统采用电磁暂态建模仿真，与特高压直流相关的交流部分采用机电暂态建模仿真，机电暂态与电磁暂态同步进行计算，利用数据交互接口实现机电-电磁暂态混合仿真。

在开展混合仿真计算时，机电暂态程序与电磁暂态程序的分网接口位置对仿真的效率及精度起着至关重要的作用。具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真分网方案的基本原则是尽量降低电磁子网络的规模及数量，以确保仿真的计算速度；缩减接口断面所涉及的母线、线路数目，以保障交接变量的精简；对应模拟的故障形式下，接口处电压的不对称程度及波形畸变尽量低，以保证机电子网络的误差在可接受范围之内。

当进行电磁暂态网络计算时，对机电侧模型使用戴维南等值；在开展机电暂态网络计算时，对电磁侧模型实施诺顿等值。

图1是总体流程图，与上述步骤是一致的，值得说明的是本方法是通过对具有分层结构的特高压直流输电系统一次系统和控制系统进行详细的建模，并且对具有分成结构的特高压直流输电系统进行分网进行机电-电磁暂态混合仿真计算，这是与其他方法本质的区别所在。

图4机电-电磁暂态混合仿真接口等值电路，ADPSS中电磁暂态程序和机电暂态程序采取分别求解方式。当进行电磁暂态网络计算时，对机电侧模型使用戴维南等值，在开展机电暂态网络计算时，对电磁侧实施诺顿等值。在仿真初始时刻，电磁暂态过程获取机电暂态网络的工频等值阻抗矩阵Z，而每一个接口时刻，电磁暂态仿真过程向机电暂态仿真过程传送边界点的正序、负序、零序电流和边界点正序、负序和零序电压；机电暂态过程向电磁暂态过程传送边界点的等值电势。

图5是具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真算例分网示意图，它是基于我国某具有分层结构的特高压直流电网的时间模型，一般情况下将接口选择在与SVC或者HVDC直接相连的交流母线上。本方法对于所研究的实际大电网的分网方案为：将ZLT500-1与QZDH100-1和QZGH500-1之间的直流部分划分为电磁暂态子网，交流系统部分划分为机电暂态子网。

图6a)、b)具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真结果图，根据本算例某特定时刻的机电暂态仿真潮流计算数据，ZLT-QZ直流输送功率10000MW，在t＝5s时设置对某条特高压交流输电线路设置三相接地短路故障，短路持续时间90ms，5.09s切除近端线路，5.1s切除远端线路。机电-电磁暂态混合仿真结果由于存在电磁暂态子网和机电暂态子网的数据交互，预算结果比较精确，其仿真曲线与实际工况最为接近。其仿真结果有助于全面了具有分层结构的特高压直流输电系统机电暂态过程的详细动态特性。

Claims (5)

1.一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，其特征在于：在逆变侧换流器分层接入受端电网特高压直流电网中，利用中国电科院电力系统全数字混合仿真程序ADPSS，对特高压直流系统进行详细电磁暂态建模仿真，与直流相联的交流系统采用进行机电暂态建模仿真，通过数据交互接口进行数据交互开展混和仿真，从而实现对特高压交直流电网的运行特性及相互作用机理的有效把握；

包括以下步骤：

步骤1)确定具有分层结构的特高压直流输电系统的目标网架；

步骤2)获取具有分层结构的特高压直流系统的运行参数；

步骤3)确定具有分层结构的特高压直流系统的控制系统；

步骤4)对具有分层结构的特高压直流电网进行机电-电磁暂态混合仿真；具体步骤如下：

(1)机电暂态全网数据的录入和编辑，建立机电暂态仿真算例，并对机电暂态仿真算例进行潮流计算；

(2)按照潮流计算结果划分机电暂态子网和电磁暂态子网；

(3)电磁暂态数据录入和编辑，建立电磁暂态仿真算例，添加机电暂态、电磁暂态接口；

(4)提交机电暂态和电磁暂态子网作业，进行混合仿真计算。

2.根据权利要求1所述的一种具有分层结构的特高压直流机电-电磁暂态混合仿真方法，其特征在于：所述步骤1确定具有分层结构的特高压直流输电系统是指特高压直流分层接入不同电压等级的电网，其中特高压直流高端换流变、低端换流变、交流滤波器和无功补装置也分别接入不同的电压等级。

3.根据权利要求1所述的一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，其特征在于：所述步骤2获取具有分层结构的特高直流系统的运行参数是指换流变压器参数、输电线路参数、交流滤波器参数、直流滤波器参数等电磁暂态建模所需参数和机电暂态仿真模型中所需要的发电机组参数、线路参数、负荷参数等。

4.根据权利要求1所述的一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，其特征在于：所述步骤3确定具有分层结构的特高压直流系统的控制系统是指极控系统、站控系统、阀组控制系统的控制策略、信号处理和参数配置。

5.根据权利要求1所述的一种具有分层结构的特高压直流系统机电-电磁暂态混合仿真方法，其特征在于：所述步骤4机电-电磁暂态混合仿真是指应用中国电科院自主研发的全数字实时仿真装置，对具有分层结构的特高压直流系统采用电磁暂态建模仿真，与特高压直流相关的交流部分采用机电暂态建模仿真，机电暂态与电磁暂态同步进行计算，利用数据交互接口实现机电-电磁暂态混合仿真。