基于PSModel的江苏电网机电-电磁混合仿真
2021-05-31
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电力工程技术 2017年5月 Electric Power Engineering Technology 第36卷第3期 7 基于PSModel的江苏电网机电一电磁混合仿真 金梦 ,李修金 ,刘一丹 ,张祥 ,孙毅 ,朱鑫要 (1.国网江苏省电力公司检修分公司,江苏南京211102; 2.国网江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京211103) 摘要:江苏电网直流输电发展迅猛,未来将通过直流输电受入大量功率。在电网运行过程中,交流电网故障将通 过换流站母线对直流输电运行产生影响,可能造成直流输电发生换相失败等,而目前电力系统稳定分析所采用的 机电暂态仿真手段可能无法准确反映该动态过程。文中分别采用机电仿真软件BPA和机电一电磁混合仿真软件 PSModel(power system mode1)2种仿真工具,对比仿真分析和研究了江苏电网交流故障对直流输电运行的影响,相 关结论为电网运行分析工作提供建议和参考。 关键词:特高压直流;换相失败;机电仿真;机电一电磁混合仿真 中图分类号:TM721 文献标志码:A 文章编号:2096-3203(2017)03—0007—06 0 引言 我国能源资源和经济发展严重不匹配,能源资 源主要分布在西南和“三北”(东北、华北和西北)地 区,负荷中心则主要位于东南沿海地区;为解决电 力的远距离输送问题,大容量特高压直流输电在我 统采用详细的电磁暂态仿真模型,大规模交流受端 电网采用机电暂态仿真模型,对比仿真分析了江苏 电网交流故障对直流输电运行的影响,并对电网运 行分析工作提出了相关的建议。 1 分析电网简介 本文研究针对华东电网2016年运行数据开展。 如图1所示,2016年华东电网通过8回超/特高压 国电网得到了长足的发展和应用 。江苏电网为 我国东部的负荷中心,截至2016年,已有4-500 kV 龙政超高压直流、±800 kV锦苏特高压直流2条直 直流与华中电网和西北电网互联,其中落点江苏电 网的有4-500 kV龙政超高压直流、4-800 kV锦苏特 高压直流2条直流输电。 ・・‘’。‘。。。’’’ 流输电落点,直流受电功率超过10 000 MW ’ 。此 外,+800 kV雁门关一淮安特高压直流和4-800 kV 锡盟一泰州特高压直流也均已进入全面建设阶段, /ssoo ̄’、、 、,,, 。 将于2017年建成投运,届时江苏电网直流受电功率 将超过28 000 MW_6,71。直流输电的稳定运行对江 苏电网具有十分重要的意义。 t、 ’’-.…. ...・ 换相失败是直流输电(HVDC)逆变侧常见的一 华 种故障,其~般由交流电网短路故障造成 。受 仿真工具和软件限制,目前我国在大规模受端电网 毫 网 i 计算分析中,一般采用BPA和PSASP等机电暂态 仿真手段来研究交流电网故障对直流输电运行的 影响。但直流输电系统的机电暂态模型采用准稳 态建模方法,无法实现直流输电控制系统的详细建 图1 2016年华东电网多直流馈入情况示意图 Fig.1 Diagram of multi-infeed HVDC in East China Grid in 2016 模;且直流输电换相失败等暂态过程响应速度快, 机电暂态仿真无法准确模拟暂态期间直流输电的 运行响应情况 卜”J。本文基于PSModel(power system mode1)机电一电磁混合仿真软件,直流输电系 收稿日期:2016-12—31:修回日期:2017—02—21 至2016年7月,江苏电网最大负荷已超过 90 000 MW,为我国重要的负荷中心;淮沪特高压交 流北半环1000 kV淮南一南京一泰州建成投运,江 苏电网交直流混联示意图如图2所示。龙政直流、 锦苏直流受电功率超过10 000 MW,且2座直流落 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51607092);国家电 网公司科技项目(考虑宽频特性交互影响的交直流混联电 网仿真技术研究) 点之间的电气距离较近,近区电网故障可能同时影 电力工程技术 响I 述 rt.Olu[1y ’运行,进…对江苏电网的运 丧达 为 : Iz=- ̄ sf川::求 大影响。 此,准确分析和掌握电 敝障 计r1:流输IU的影响,是 障 苏电网安全稳定运行 ((.=() )㈩ 的 嘤于段之一 图2 2016年江苏电网交直流混联示意图 Fig.2 Diagram of AC/DC hybrid grid of Jiangsu Power Grid in 201 6 小史研究Il 机电一}U磁混合仿真基于PSModel 软f Fjt:J陡, 、 };尔的8闸 /特离 直流均采川} 川的 磁牟于念卡Il ,交流电 采』1j机电暂态模』 2 换相失败及PSModel原理 2.1 直流输电换相失败 I I:流输I 嗵过换流站交流母线与电 互联,I也 障埘I [流输电的影响主要表现为电网 路 一 改障将会造成换流站』 线电』 降低或波形畸变,进 敛l f:流发生换十fJ欠收。埘于直流输电逆变站 ¨1 i‘.j 波形/j 崽如图3所示。 3巾 为触 发『f】, 触发趟 ,』角, 为换相角,y为熄弧角。 一 。 。“ . 一 图3 HVDC逆变站电压波形不恿图 Fig.3 Diagram of the voltage in HVDC inverter station 换中¨过 rli1 tliI'I闸管完成电流换相后还 瓜 ,曼 段时 (对应于熄弧角 )的反向电压以恢复 火l ̄Ji%力, 熄弧角 过小不 以使 闸管恢复火 断能 J, /li』 承受止向电』f 便立即恢复 迎, 造成换川火IJ15( ‘ ff1=流输电逆变侧换相,f1肛的 (1)『fl: 为交流系统线电J『 , ,为冉流电流,『J 为等值换卡f1【乜抗; 为系统I 频角频率。 同时,『殳I 3 {1符角度满足如卜关系式: + = +( +-y)=1 80。 (2) 1暂』弋(2)带入式(1),nj 得: ~ s(tO + ) ㈩ m (2)和式(3) ,J_知, j电网发牛短路故障造 成逆 站交流f:=}线线电爪f/.下降后,将导致换卡『j 确 增大、熄弧角 减小;同时,直流电流, .增人 会造成换十n角增大。 !:hfl 弧角 减小至小=j=^品 铃: 恢 父断能力所需的最小fi'Z ̄,l-,便会造成 流输电 系统发生换卡fI,夫lJ!女 2。2 PSModel软件 PSModel电磁暂态仿真软件是南中 电力科 研究院研制开发的电力系统电磁暂态及电力IU了 数7仿真软什 。PsM()(1el软件可以进行电乃系 统时域力‘而的电磁暂念仿真,主要川于交直流系统 的混合仿真 、 F'SModel软件进i 交由:流系统机电一电磁混合 仿 的算法原理如 4所示。其利JIj系统的潮流结 、机电参数和血流输电部分电磁参数作为输入, 通过混合仿 接Ll来实现机电暂态仿真与电磁忻 念仿真的交f_『:, 最终输fI3机电暂态和电磁暂怠的 仿亢结果。 输 入 潮流结果 直流输电 机电参数 电磁参数 lI ¨‘ 机 誓态 仿真 电磁暂态 仿真 Jl 输 … 机电暂态 电磁暂态 J 仿真输 仿真输出 图4 PSModel软件算法原理图 Fig 4 Diagram of the PSModel software algorithm 3江苏电网交流故障对HVDC运行影响 锦苏血流和坨收血流近I x=汀苏电网500 kV『叫 接线爪意 如}割5所示。下面分别采川机电仿 软什BI’A、机fU一电磁混合 软件PSModel 分析电例^殳障埘卜述两『f『I 流输电的影响。仿 金梦等:基于PSModel的江苏电网机电一电磁混合仿真 9 故障设置为惠泉一梅里一回线路在0.1 S时发生三 C\ 熹 为进一步分析锦苏直流和龙政直流发生换相 相短路故障,0.2 S时故障线路跳闸隔离故障。 图5直流近区江苏电网500 kV网架接线示意图 Fig.5 Diagram of 500 kV grid nearby the HVDC 苏州和政平换流站熄弧角仿真波形如图6所 示。机电一电磁混合仿真和机电仿真结果显示,故 障期间2条直流逆变站熄弧角均下跌至0,直流输 电发生换相失败;然而,机电一电磁混合仿真结果还 发现,锦苏直流在故障切除约0.1 S后(约0.3 S时) 再次发生换相失败,龙政直流在故障切除约0.01 S 后(约0.21 S时)再次发生换相失败;而机电仿真则 无法反映锦苏直流和龙政直流在故障后发生的第2 次换相失败问题,分析结论较为乐观。 0 O.5 1.O 1.5 2.0 2.5 3.0 t/S a1苏州站 0 0.5 1.0 l_5 2.0 2.5 3.0 t|s b)政平站 图6惠泉一梅里三永N-1故障后换流站熄弧角 Fig.6 Extinction angles of the converter station after three-phase permanent failure of Huiquan-Meili 1 line 失败的原因,给出锦苏直流和龙政直流的直流电流 ∞ 如 ∞ ∞ 加 m 0 仿真波形如图7所示,苏州换流站和政平换流站 500 kV交流母线电压仿真波形如图8所示。可见, 故障发生后换流站交流电压降低而直流电流增大, 从而造成直流发生换相失败;此外,图7的机电一电 磁混合仿真结果还表明,故障恢复期间,0.3 S时锦 苏直流的直流电流迅速上升,0.21 S时龙政直流的 直流电流迅速上升,从而造成换相角增大,进而导 致锦苏直流和龙政直流再次发生换相失败,而机电 仿真则无法反映该直流电流突增现象。图8的仿真 结果还表明,在故障期间和故障切除后系统恢复期 间,政平站交流母线电压的机电仿真结果与机电一 电磁混合仿真结果较为接近,而苏州站交流母线电 压的机电仿真结果与机电一电磁混合仿真结果存在 较大差异 \媛'审媛删 _阜 臻 O 8 6 4 2 O 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 t{S a)锦苏直流 t/s b1龙政直流 图7惠泉一梅里三永N-1故障后直流输电系统直流电流 Fig.7 DC currents of HVDCs after three—phase permanent failure of Huiquan-Meil i1 line 故障发生前后,锦苏直流和龙政直流逆变侧单 极功率仿真波形如图9所示。可见,换相失败期间 直流输电将无法向电网输送功率,从而给电网带来 较大的瞬时功率冲击。 印 电力工程技术 600 至\ 550 500 《对 校 帐 上述仿真和分析结果表明,较之于机电一电磁 立\ 5 《甘 4 3 2 混合仿真,机电仿真在研究电网故障对直流输电运 1 媛 餐 ≥苫\脚 晕斟媛埘拣非 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O 行的影响时,难以准确反映直流输电在故障恢复期 450 400 350 300 250 200 150 1O0 0 0.5 1.0 1.5 2.O 2.5 3.0 t/S a1苏州站 0 0.5 1.O 1.5 2.0 2.5 3.0 t|S b1政平站 图8惠泉一梅里三永N-1故障后换流站交流母线电压 Fig.8 AC voltages of the converter station after three。 phase permanent failure of Huiquan-Meili 1 line 4000 3000 2000 1000 O 1000 -2000 O 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 t/S a 锦苏直流 1500 500 0 0 0.5 1.O 1.5 2.0 2.5 3.0 t/S b1龙政直流 图9 惠泉一梅里三永~一1故障后直流单极功率 Fig.9 Unipolar powers of HVDCs aRer three‘phase permanent failure of Huiquan—Meil i1 line 间的暂态过程,仿真结论偏乐观。 此外,冈6—9中1 S之后机电仿真和机电一电 磁混合仿真曲线基本重合,即表明2种仿真手段均 可有效仿真得到系统故障后的稳态运行情况。 4结语 采用PSModel机电一电磁混合仿真工具分析了 江苏电网故障对锦苏直流和龙政直流运行的影响, 混合仿真研究中直流输电均采用详细的电磁暂态 模型,并对比分析了机电仿真和机电一电磁混合仿 真的分析结论。分析结果表明,较之于机电一电磁 混合仿真,机电仿真手段难以准确反映交流电网故 障期间和故障恢复期间直流输电系统的响应情况, 仿真结论可能偏乐观。建议在后续的电网分析T 作中推广机电一电磁混合仿真的使用,提高电网特 性分析的准确程度。 参考文献: [1]刘振亚,秦晓辉,赵良,等.特高 直流分层接人方式在多 馈入直流电网的应用研究[J].中困电机丁程学报,2013,33 (10):l一7. 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Coordinated Control Strategy of SSTS and DVR ZHANG Chenyu ,SHI Mingming‘CHEN Bing‘ZHENG Jianyong ,MIAO Huiyu ,(1.State Grid Jiangsu Electirc Power Research Institute,Nanjing 211103,China; 2.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract:In order to give full play to the large capacity of SSTS and the rapid response of DVR,a single・phase voltage sag detection method based on single—phase dq transform and morphological filter is presented in this paper.The DVR and the SSTS coordinated control method are combined with the DVR and the SSTS to achieve the COOrdinated action of the DVR and the SSTS,thus ensuring the continuous high quality power supply of the sensitive load.The simulation model based on Matlab/ Simulink veriifes the correctness and validity of the proposed control strategy. Key words:solid static transfer switch;dynamic voltage regulator;voltage sag;coordinated control (编辑刘晓燕) (上接第11页) Electromechanical-electromagnetic Hybrid Simulation of Jiangsu Power Grid Using PSModel JIN Meng ,LI Xiujin ,LIU Yidan ,ZHANG Xiang ,SUN Yi ,ZHU Xinyao (1.State Grid Jiangsu Electirc Power Maintenance Branch Company,Nanjing 21 1 102,China; 2.State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute,Nanjing 21 1 103,China) Abstract:With the rapid development of HVDC(high voltage direct current)in Jiangsu Power Grid,large amount of electirc power would be integrated through HVDC in the future.It is found that fault of the AC power grid would affect the operation of HVDC through the bus voltage of the convener station,which may lead to commutation failure.However,electromechanical simulations,which are used for power system stability analysis nowadays,may not be able to accurately reflect the dynamic process.In this paper,by using BPA and PSModel,electromechanical simulations as well as electromechanical and electromagnetic hybrid simulations are performed to study the impact of Jiangsu Power Grid fault on the operation of HVDC, and the conclusions are supposed to be helpful for power system analysis. Key words:ultra—high voltage direct current(UHVDC);commutation failure;electromechanical simulation;electromechani— cal and electromagnetic hybrid simulation (编辑徐林菊)