基于ADPSS的机电—电磁混合与机电仿真对比分析

陈跃辉，呙虎，张斌，陈道君，向萌，李晨坤(.国网湖南省电力公司，湖南长沙40004；.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙40007)

基于ADPSS的机电—电磁混合与机电仿真对比分析

陈跃辉1，呙虎2，张斌2，陈道君2，向萌2，李晨坤2
(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410004；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

本文基于ADPSS建立了以酒湖特高压直流接入湖南电网的机电—电磁混合仿真系统，对比分析机电—电磁混合与机电仿真在交直流稳态、直流换相失败、直流闭锁故障和直流线路故障等方面的差异，得出了混合仿真和机电仿真分别适用的场景。

全数字实时仿真装置(ADPSS)；混合仿真；机电仿真；特高压直流

酒泉—湖南±800 kV特高压直流输电工程已于2015年6月开工，预计将于2017年初投产运行。酒湖特高压直流的投运在缓解湖南电网用电紧张局面的同时也会给湖南电网带来不小的安全风险。因此，详细研究酒湖特高压直流对湖南电网安全稳定运行的影响对指导酒湖特高压直流的调试运行具有重要意义。目前在湖南电网安全稳定分析中使用的电力系统分析综合程序(PSASP)是机电暂态仿真软件，其直流采用准稳态模型，对直流换相的电磁暂态过程无法做到准确模拟〔1－2〕。而常见的纯电磁暂态仿真软件，如EMTDC/PSCAD，EMTP等，虽然能够对直流本身进行精确仿真，但无法对大规模电网进行快速有效地模拟。中国电力科学研究院开发的全数字实时仿真装置(ADPSS)采用机电—电磁混合仿真技术，实现了大规模交流电网机电暂态仿真和直流系统电磁暂态仿真的有效结合，能够较为准确地模拟直流系统的动态响应以及交直流系统之间的相互影响，兼顾了大电网仿真的高效性和直流仿真的准确性〔3-5〕。本文基于ADPSS建立酒湖特高压直流接入湖南电网的机电—电磁混合仿真模型，对比分析机电—电磁混合仿真(ADPSS)与机电暂态仿真(PSASP)的差异，得出不同仿真手段分别适用的场景，为后续酒湖特高压直流的全面仿真分析提供技术依据。

1 混合仿真建模

机电—电磁混合仿真与机电仿真的不同之处在于可以将需要详细模拟电磁变化过程的元件进行电磁暂态建模，然后选择合适的机电—电磁暂态接口，与其它机电暂态模型形成完整的机电—电磁混合仿真模型。由于电磁暂态仿真模型达到设定的稳态需要一定的过渡时间，因此基于ADPSS的机电—电磁混合仿真仍是以机电仿真的潮流为初始化条件，通过机电—电磁暂态接口交互数据，待电磁暂态子网达到稳态后即可进行混合仿真计算〔6〕。

1)在机电暂态程序中建立研究对象的机电暂态仿真工程；

2)对机电暂态仿真工程进行潮流计算；

3)根据研究需要确定分网方案，即确定电磁暂态子网和机电暂态子网；

4)在电磁暂态程序中建立与电磁暂态子网完全对应的电磁暂态仿真工程，添加机电－电磁暂态接口，并按潮流计算结果填写电磁暂态仿真工程的初始潮流；

5)执行机电—电磁混合仿真计算。

综合考虑接口的复杂程度和计算的准确性，选择受端湘潭换流站500 kV换流母线为机电—电磁暂态接口:换流站交流出线及湖南电网其它交流网架采用机电暂态模型；换流站内的交流滤波器及电容器、换流变压器、换流阀、平波电抗器、直流滤波器、直流线路等采用电磁暂态模型。酒湖特高压直流接入湖南电网的机电—电磁混合仿真模型如图1。

图1 酒湖特高压直流接入湖南电网的机电—电磁混合仿真模型示意图

1.1 机电暂态子网建模

计算水平年选取酒湖特高压直流工程投产年2017年。以湖南省年度运行方式数据为基础，结合新设备投产计划，搭建220 kV及以上电网网络，110 kV及以下网络等效为负荷挂在变压器的110 kV侧。发电机数学模型采用Eq′，Ed″，Eq″变化的5阶模型，并计及自动励磁调节器和调速器的影响。负荷模型采用感应电动机和恒定阻抗组合的模型，恒定阻抗比例为35%，感应电动机比例为65%。感应电动机定子绕组漏抗取0.18 p.u.，转子绕组漏抗取0.09 p.u.。

1.2 电磁暂态子网建模

酒湖—湖南±800 kV特高压直流输电工程输电线路长度约2 400 km，在甘肃酒泉和湖南湘潭地区各新建一座换流站(酒泉换流站和湘潭换流站)。两站均采用双极、每极两个十二脉动换流器串联接线方式(400 kV＋400 kV)，其主接线示意图如图2。

图2 酒湖特高压直流主接线示意图

酒泉换流站和湘潭换流站均采用单相双绕组换流变压器，酒泉换流站换流变压器漏抗为23%，湘潭换流站换流变压器漏抗为18%，主要参数见表1，2。

表1 酒泉换流站换流变压器主要参数

表2 湘潭换流站换流变压器主要参数

直流换流阀采用单只晶闸管模拟，并考虑其并联缓冲电路。以六脉动换流桥为基本单元构成每极两个十二脉动串联的结构。酒泉换流站和湘潭换流站的直流滤波器均采用每站每极配置1组2/39双调谐滤波器和1组12/24双调谐滤波器并联方案。此外，酒泉换流站装设4组BP11/BP13，4组HP24/36，3组HP3交流滤波器(每组容量为265Mvar)和5组并联电容器组(每组容量为325Mvar)，共计16小组，总容量为4 540Mvar。湘潭换流站装设8组HP12/24交流滤波器、2组HP3交流滤波器和9组并联电容器组(每组容量为260Mvar)，共计19小组，总容量为4 940Mvar。

2 交直流稳态对比分析

以2017年夏季大负荷方式，酒湖特高压直流输送4 000MW为例，比较机电－电磁混合仿真与机电仿真在交直流系统稳态状态下的差异。图3为酒湖特高压直流整流侧直流电压的机电－电磁混合仿真与机电仿真的对比波形。

图3 酒湖特高压直流整流侧直流电压波形对比

从图3可以看出，机电仿真中直流采用准稳态模型，忽略其换相过程，因此机电仿真的直流稳态电压保持不变的；而机电—电磁混合仿真中直流采用电磁暂态模型，详细模拟了直流晶闸管的开断与换相过程，因此混合仿真的直流电压呈现“脉动”的特征。混合仿真的直流电压有效值与机电仿真基本一致。

交流侧500 kV云田站母线电压，湘潭换流站—云田Ⅰ线有功功率、湘潭换流站—云田Ⅰ线无功功率的机电—电磁混合仿真与机电仿真的对比波形分别如图4－6所示。

从图4－6可知，受直流电压周期性脉动的影响，机电—电磁混合仿真中500 kV云田站母线电压、湘潭换流站—云田Ⅰ线的有功功率和无功功率都出现周期性的波动。除湘潭换流站—云田Ⅰ线的有功功率与机电仿真的值相差6MW外(偏差率约0.76%)，500 kV云田站母线电压和湘潭换流站—云田Ⅰ线的无功功率均与机电仿真的波形基本吻合。

图4 500 kV云田站母线电压波形对比

图5 湘潭换流站—云田Ⅰ线有功功率波形对比

图6 湘潭换流站—云田Ⅰ线无功功率波形对比

3 换相失败对比分析

换相失败是直流逆变器常见的故障之一。当逆变器中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其换相过程一直未能完成，则在阀电压转变为正向电压时，被换相的阀将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种现象被称为换相失败〔7〕。换相失败会引起直流电压下降和直流电流短时增大，连续地换相失败容易引起直流功率降低，甚至造成直流闭锁。一般晶闸管的关断时间(从电流过零到恢复正向阻断能力)约为400～500μs，按一个周期360°对应20ms计算，对应的电角度在7.2°～9.0°，即对应直流的最小关断角γmin。当直流关断角γ＜γmin＝7°时，通常认为直流就会发生换相失败〔8〕。这是电磁暂态仿真中常用的换相失败判据，也是与实际较为吻合的判据。由于在机电暂态仿真软件PSASP中没有考虑阀的换相过程，无法输出直流关断角γ，因此通常采用逆变侧换流母线电压Uinv为特征量，当Uinv＜0.7 p.u.时认为直流发生换相失败。此法忽略了其他因素对换相失败的影响，与实际物理过程存在较大差异，因此容易造成误判。

3.1 交流线路三永故障

故障设置:500 kV长阳铺－宗元线路宗元侧15:00发生三永故障，15:09宗元侧三相断路器跳开，15:10长阳铺侧三相断路器跳开。

机电仿真下，500 kV长阳铺－宗元线路宗元侧三永故障时，湘潭换流站500 kV母线电压波形如图7所示。根据机电仿真下换相失败的判据:换流母线电压Uinv＜0.7 p.u.即认为直流发生换相失败，则长阳铺－宗元线路宗侧三永故障不会导致酒湖特高压直流发生换相失败。

图7 机电仿真下长阳铺－宗元线路宗侧三永故障时湘潭换流站500 kV母线电压

机电—电磁混合仿真下，500 kV长阳铺－宗元线路宗元侧三永故障时，湘潭换流站换流器最小关断角波形如图8所示。根据电磁仿真下换相失败的判据:逆变器关断角γ＜7°即认为直流发生换相失败，则长阳铺－宗元线路宗侧三永故障会导致酒湖特高压直流发生一次换相失败。

图8 混合仿真下长阳铺－宗元线路宗侧三永故障时湘潭换流站最小关断角

对比同样交流线路三永故障下机电仿真与混合仿真对直流换相失败分析的结果可知，对于交流线路三永故障是否导致直流换相失败，机电－电磁混合仿真结果比机电仿真结果更为准确。

3.2 交流线路单永故障

故障设置:500 kV长阳铺－宗元线路宗元侧A相15:00发生单永故障，15:09宗元侧A相断路器跳开，15:10长阳铺侧A相断路器跳开，16:00两侧A相断路器重合，16:09宗元侧三相断路器跳开，16:10长阳铺侧三相断路器跳开。

机电仿真下，500 kV长阳铺－宗元线路宗元侧单永故障时，湘潭换流站500 kV母线电压波形如图9所示。根据机电仿真下换相失败的判据:换流母线电压Uinv＜0.7 p.u.即认为直流发生换相失败，则长阳铺－宗元线路宗侧单永故障不会导致酒湖特高压直流发生换相失败。

图9 机电仿真下长阳铺－宗元线路宗侧单永故障时湘潭换流站500 kV母线电压

机电—电磁混合仿真下，500 kV长阳铺－宗元线路宗元侧单永故障时，湘潭换流站换流器最小关断角波形如图10所示。根据电磁仿真下换相失败的判据:逆变器关断角γ＜7°即认为直流发生换相失败，则长阳铺－宗元线路宗侧单永故障会导致酒湖特高压直流发生两次换相失败。

图10 混合仿真下长阳铺－宗元线路宗侧单永故障时湘潭换流站最小关断角

对比同样交流线路单永故障下机电仿真与混合仿真对直流换相失败分析的结果可知，对于交流线路单永故障是否导致直流换相失败，机电—电磁混合仿真结果也比机电仿真结果更为准确。

4 直流闭锁故障对比分析

酒湖特高压直流发生单极或双极闭锁故障，会给湖南电网造成较大的功率缺额，对湖南电网形成很大的冲击，同时引发湖南乃至华中电网大范围的潮流转移，影响电网的安全稳定运行。造成直流闭锁的主要原因有换流器故障、直流线路故障、直流辅助设备故障以及严重的交流系统故障等。此外直流控制保护设备的故障也容易导致直流闭锁。

当酒湖特高压直流发生闭锁故障后，其输入湖南电网的功率将迅速下降到零，这部分功率缺额将导致湖南省内发电机电磁转矩升高，在调速器动作前，原动机的机械功率几乎不变，电磁转矩将大于机械转矩，转子角速度下降，从而引起系统频率下降。由于湖南电网仅通过3回500 kV线路(葛换－岗市1回，孱陵－常德北2回)与湖北相连。正常运行时，湖北通过3回鄂湘联络线向湖南送电，热稳极限约5 300 MW。酒湖特高压直流闭锁后，鄂湘联络线南送的潮流将大幅度增加，极有可能超过其热稳极限。

以2017年夏大酒湖特高压直流输送4 000 MW，鄂湘联络线功率置零的方式为例，图11－13分别是直流双极闭锁时，湘潭电厂4号机功角、500 kV鹤岭站母线电压和500 kV葛换－岗市线路有功功率的机电—电磁混合仿真与机电仿真波形对比。

图11 直流双极闭锁时湘潭电厂4号机功角的混合仿真与机电仿真波形对比

图12 直流双极闭锁时500 kV鹤岭站母线电压的混合仿真与机电仿真波形对比

图13 直流双极闭锁时葛换－岗市线路有功功率的混合仿真与机电仿真波形对比

从上述波形图可知，直流双极闭锁后湖南电网机组功角曲线、500 kV变电站母线电压和线路有功功率的暂态变化过程，机电－电磁混合仿真结果与机电仿真结果基本一致。在故障前的稳态过程中机电－电磁混合仿真波形相比机电仿真略有波动，这是由于混合仿真中电磁部分的酒湖特高压直流采用从稳态潮流启动，在两侧换流母线上均需要无穷大电源进行钳位，待直流达到稳态后再将无穷大电源切除，最终达到预设的稳态水平，这个过程需要较长的时间。

5 直流线路故障对比分析

酒湖特高压直流工程直流线路长达2 400 km。根据以往直流的运行经验，直流线路因为雷击、鸟害、树竹等原因发生瞬时性接地故障的几率较高，给直流的安全稳定运行带来一定的隐患。为提高直流运行的可靠性，通常直流控制保护设计时会考虑设置直流线路故障再启动功能:在直流某极线路瞬时故障清除后，再经过一段去游离时间，直流故障极能够再次启动恢复正常输送功率。若瞬时性故障持续时间较长或者去游离时间后线路绝缘尚未恢复，还可以使直流具备多次再启动的功能，但需要根据直流线路故障对电网的冲击大小来决定采用何种再启动方案。常见的再启动方案包括1次全压再启动、2次全压再启动、1次全压1次降压再启动、2次全压1次降压再启动。

2017年夏大方式，酒湖特高压直流输送4 000 MW，再启动方案选择1次全压再启动时，机电仿真下的酒湖特高压直流极Ⅰ线路发生瞬时故障时直流电压波形如图14所示。机电—电磁混合仿真下的酒湖特高压直流极Ⅰ线路发生瞬时故障时直流电压波形如图15所示。两者的变化趋势基本一致。

图14 机电仿真下酒湖直流极Ⅰ线路故障时直流电压波形

图15 混合仿真下酒湖直流极Ⅰ线路故障时直流电压波形

6 结论

1)机电－电磁混合仿真的交直流稳态潮流与机电暂态仿真结果基本一致。

2)交流线路故障对直流换相失败的影响分析宜采用机电－电磁混合仿真，无论是线路三永故障还是单永故障，其仿真结果均比机电仿真结果更为准确。

3)湖南电网500 kV交流线路发生三永或单永故障正常切除故障线路，均不会导致酒湖特高压直流闭锁。

4)直流闭锁故障和直流线路故障对电网的影响分析均可以采用机电－电磁混合仿真或机电仿真，两者的仿真结果基本一致。

〔1〕于庆广，胥埴伦.电力系统的电磁暂态与机电暂态混合仿真〔J〕.中国电力，2007，40(11):38-41.

〔2〕石访.电力系统机电暂态和电磁暂态数字混合仿真〔J〕.电网与清洁能源，2009，25(12):42-46.

〔3〕岳程燕，田芳，周孝信，等.电力系统电磁暂态－机电暂态混合仿真的应用〔J〕.电网技术，2006，30(11):1-5.

〔4〕陈磊，张侃君，夏勇军，等.基于ADPSS的高压直流输电系统机电暂态－电磁暂态混合仿真研究〔J〕.电力系统保护与控制，2013，41(12):136-142.

〔5〕卫鹏，汪成根，周前.基于ADPSS的锦苏特高压直流接入江苏电网机电－电磁混合建模与仿真〔J〕.高压电器，2013，49 (10):20-25.

〔6〕朱旭凯，周孝信，田芳，等.基于电力系统全数字实时仿真装置的大电网机电暂态－电磁暂态混合仿真〔J〕.电网技术，2011，35(3):26-31.

〔7〕李新年，易俊，李柏青，等.直流输电系统换相失败仿真分析及运行情况统计〔J〕.电网技术，2012，36(6):266-271.〔8〕何朝荣，李兴源，金小明，等.高压直流输电系统换相失败判断标准的仿真分析〔J〕.电网技术，2007，31(1):20-24.

Com parative Analysis of Electromechanical-Electromagnetic Hybrid Simulation and Electromechanical Simulation at Hunan Power Grid Using ADPSS

CHEN Yuehui1，GUO Hu2，ZHANG Bin2，CHEN Daojun2，XIANG Meng2，LIChenkun2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

A hybrid simulation system is built by using the advanced digital power system simulator(ADPSS)，in which the UHVDC project from Jiuquan is connected to Hunan power grid.The comparative analysis of hybrid simulation and electromechanical simulation on steady state of AC/DC systems，DC commutation failure，DC block faultand DC line faultare presented in detail.Based on the different simulation results，the application scenarios of hybrid simulation and electromechanical simulation are proposed.

advanced digital power system simulator(ADPSS)；hybrid simulation；electromechanical simulation；UHVDC

TM743

B

1008-0198(2017)03-0001-06

陈跃辉(1965)，男，教授级高级工程师，主要从事电网规划与安全稳定运行，电能质量管理等工作。

呙虎(1983)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统运行分析与仿真工作。

张斌(1965)，女，硕士，高级工程师，主要从事电网规划与运行安全分析，电能质量管理等工作。

陈道君(1986)，男，博士，工程师，主要从事电网安全稳定计算分析方面的生产和科研工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.001

国网湖南省电力公司科技项目(5216A5150003)

2016-09-02