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大规模交直流电力系统仿真计算的相关问题

徐政，蔡晔，刘国平 （浙江大学电机系，浙江省杭州市310027）

摘要：针对大规模交直流电力系统仿真计算中涉及到的几个相关问题进行了讨论。指出用于大规 模交直流电力系统仿真计算的最有效的工具是带有用户自定义功能的交直流电力系统数字仿真程 序，传统的动模试验和最新出现的实时数字仿真器并不适合于对大规模交直流电力系统进行系统 研究。通过考察直流输电换流器准稳态模型导出的条件，阐明了直流输电换流器的准稳态模型在交 流系统不对称故障期间是不适用的。论证了影响逆变器换相失败的因素有多个，重点研究了触发越 前角、换流站交流母线电压跌落，直流电流增大以及换流变压器短路阻抗等因素对换相失败的影 响。通过实例论证了交流系统故障时直流输电系统的动态响应特性，必须在仿真过程中通过对直流 输电系统及其控制器的行为进行精确的仿真计算才能得出，凭经验事先估计直流输电系统在交流 系统故障时的响应特性是不科学和不可靠的。 关键词：交直流系统；仿真工具；准稳态模型；换相失败；直流系统响应 中图分类号：TM721：TM743

“西电东送”和全国联网将是我国今后几十年内 电网发展的两个主要趋势。“十五”期间，华中和华东 电网将由3条直流输电线路联接起来，南方电网将 形成2个交直流并列送电通道，同时通过一回直流 输电线路与华中电网相联接；到2020年前后，随着 金沙江水电的开发，可能还有6条直流输电线路从 溪洛渡和向家坝水电站向华东和华中送电。我国将 成为世界上直流输电线路最多、直流输送容量最大 的国家。由此形成的大规模交直流电力系统，其运行 的复杂性和难度在国际上是少见的。因此，研究大规 模交直流电力系统的仿真技术具有特别重要的现实 意义。 本文将对大规模交直流电力系统仿真计算中涉 及到的几个问题进行一些初步的探讨

大规模交直流电力系统仿真计算的工具

对于大规模交直流电力系统，研究交直流系统 之间的相互作用特性是非常重要的。例如，确定交流 系统中哪些故障可以引起多个逆变站同时发生换相 失败、换相失败后能否恢复、需要多长时间才能恢 复、直流系统和交流系统应采取什么样的控制措施 才能最大限度地使系统保持稳定，就是一个常见的 问题。发生换相失败本身并不可怕，因为这对直流输

电系统来说是不可避免的，通常后果也不严重。问题 的关键是当多个逆变站发生换相失败后，其恢复过 程是否顺利。如果恢复过程不顺利而发生连续换相 失败，有可能导致整个交直流系统失去稳定。上述问 题与交直流系统的结构和具体运行工况有关，通常 必须采用大规模交直流电力系统分析计算程序进行 仿真计算才能确定，凭经验的估计是不可行的，试图 采用动模试验的方法来确定也是不现实的，因为能 够合理模拟近10条直流输电线路加上多个大区电 网的动模实验室，目前世界上恐怕没有。 关于电力系统机电暂态仿真程序，目前国际上 比较著名的有美国PTI公司的PSS/E、西门子公司 的NETOMAC、ABB公司的SIMPOW和加拿大 Powertech公司的DSAPOWERTOOLS等，国内 应用比较普遍的程序有中国电力科学研究院的 BPA和PSASP程序。上述程序能否用于大规模交 直流电力系统的机电暂态仿真计算，笔者认为主要 是看该程序有无用户自定义功能。若程序缺乏用户 自定义功能，即使程序本身带有缺省的直流输电系 统功能模块，也往往难以满足大规模交直流电力系 统机电暂态仿真的要求。因为从总体上说，直流输电 的控制系统还没有标准化，不同的直流输电设备供 应商所采用的直流输电控制系统是不同的，不同直 流输电工程中的直流系统控制器也不同，采用程序 缺省的直流输电系统功能模块，通常不能合理地描 述实际直流输电系统的特性。 目前国内有一种观点认为购买足够多的实时数 字仿真器，就能够模拟大规模交直流电力系统，比如

南方电网。笔者认为，采用众多实时数字仿真器来进 行大规模交直流电力系统的系统研究，一是没有必 要、二是代价太大。实时数字仿真器是基于数学模型 来模拟的，在这一点上，与数字仿真程序没有任何区 别，所不同的是实时数字仿真器通常采用多处理器 并行计算，计算速度可以达到实时的要求，而数字仿 真程序则采用串行计算，计算速度较慢。但对于系统 研究，计算速度并不很重要，实时与否无关紧要。因 此，在这一点上，实时数字仿真器与数字仿真程序相 比并不占优势。但在模拟系统的规模上，目前的数字 仿真程序已没有任何限制，大多数商业化的电力系 统分析软件模拟的系统规模在数万节点以上，而实 时数字仿真器所能模拟的系统规模有限，特别对节 点个数有严格的限制，因为增加节点最消耗仿真资 源。因此，要合理模拟一个大规模交直流电力系统 可能需要几十甚至上百个实时数字仿真器，其耗费 的代价与数字仿真程序根本不可比

直流输电系统准稳态模型的适月

目前国内普遍使用的交直流电力系统机电暂态 仿真程序，如PSS/E，NETOMAC，SIMPOW，BPA， PSASP等，所采用的直流输电系统模型都是平均值 模型1，即所谓的准稳态模型。直流输电系统的平均 值模型在以下基本假设条件下导出：①换流器母线 的三相交流电压是对称、平衡的正弦波；②换流器本 身的运行是完全对称平衡的；③直流电流和直流电 压是平直的；④换流变压器是无损的且激磁电流可 以忽略。 因此在实际计算时，必须注意模型的适用性。通 常在机电暂态仿真时，都假定上述后3个基本假设 条件成立，但第1个基本假设条件不能假定它永远 成立，因为交流系统不对称故障期间，通常换流站交 流母线的电压不再对称。因此，准稳态模型在交流系 统不对称故障期间不适用。所以，目前电力系统中普 遍使用的机电暂态仿真程序，对交直流系统不对称 故障期间的仿真计算是不严格和不精确的

导致逆变器换相失败的因素分析

在交直流系统仿真计算中，准确模拟直流输电 系统的响应特性是一个关键问题。如果仿真程序对 直流输电系统的模拟比较粗略，例如，不能准确模拟 直流输电系统在交流系统故障时的响应特性，而采 用比较粗略的办法，如换流站交流母线电压跌落到 某值时就认为发生换相失败，有可能导致错误的结 果。因为导致换相失败的因素较多，换相失败之后的 恢复过程就更为复杂，单靠某几个指标来判断换流 器的响应特性晟能的。 当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀

在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断 能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行 完毕，这两种情况在阀电压转变为正向时被换相的 阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这称之为 换相失败1。它使得逆变器在一段时间内发生直流 反电压降低，直流电流增大。造成换相失败的原因 有：交流电压下降，直流电流增大，交流系统不对称 故障引起的线电压过零点相对移动，触发越前角3 过小或整定的关断越前角？过小等。 导致换相失败的各个因素之间的相互关系可以 用下式表示

式中：7为关断越前角，简称为关断角；3为触发越 前角；为换相角。 可见，直接决定于β和μ。 实际运行时，通常丫角的整定值总是要比晶闸 管实际需要的关断角?min大一些，因为需要考虑串 联联接的晶闸管之间的电压分布不平衡、器件特性 的变化以及安全裕度等。通常角的整定值为18°左 右，如果逆变器按定电压运行，角的整定值可以更 大一些，例如22°。正常运行时角整定值取大一些 对避免故障时的换相失败是绝对有利的，不利的方 面是增加了正常运行时的无功消耗以及对换流设备 的额定值提出了更高的要求。晶闸管实际需要的关 断角7min通常在6°～9°之间。 实际运行时触发越前角由直流输电的控制器 决定，它与触发滞后角α的关系为：β=180°一α，事 实上，直流输电换流器的所有控制最终都要落实到 对α或β的控制。 换相角决定于多个因素，其计算式为：

式中：β为触发越前角；I为直流电流；Xc为换相电 抗，当假设换流器交流母线装有完善的滤波装置而 使交流电压不畸变时，Xc即为折算到阀侧的换流变 压器短路阻抗；U、为换流变压器交流系统侧电压直 接折算到阀侧的电压，不包括换流变压器中的压降 根据式（2），μ决定于4个变量，其中：β，Ia，U 是系统运行时的状态量，在运行时是可变的；Xc是 装置的特征参数，在系统运行时可以认为是固定的 但在系统规划阶段，Xc是可以选择的，因此在系统 规划阶段，可以认为Xc也是可变的。 下面分别考察上述4个变量对换相角和关断 越前角？的影响。为了使计算更有实际意义，计算条 件与规划中的溪洛渡右厂送金华直流输电线路基本 致。亦即：直流系统额定电压为土600kV，输送额 定功率3500MW。对应于一个6脉动换流桥，计算 的原始条件为：逆变站换流变压器额定容量S为

1009MVA；逆变站换流变压器的额定变比为 525kV/245kV；逆变站换流变压器短路阻抗k为 15%；初始运行点逆变侧的直流电压为土550kV； 初始运行点逆变侧的直流电流为2.917kA；初始运 行点逆变站交流母线电压为505kV某楼及地下车库施工组织设计专项技术措施，该电压折算到 换流变压器阀侧电压U相当于0.96（标幺值）。 由上述原始条件可以计算出：运行点的触发越 前角3。为38.2°；运行点的换相角μ为18.7°；运行 点的关断越前角7。为19.5°。 3.1Ia保持恒定时和u随U√和β变化的关系 图1为保持I为初始值时，和μ随U和β变 化的关系曲线

图1Ia恒定时和μ随U、和β变化的关系曲线 Fig.1Y and μ versus Uand βwhen Ikeeps constant