基于PSCAD/EMTDC的±800 kV祁韶特高压直流电磁暂态建模

王灿，罗建波，宁志毫，张可人，左剑，呙虎，罗潇

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)

祁韶特高压直流工程自甘肃酒泉换流站，途径甘肃、陕西、重庆、湖北至湖南湘潭换流站，输电距离约2 413 km，额定电压±800 kV，设计输送能力为8 000 MW，是西北大规模清洁能源的重要输送通道，工程项目已于2017年6月份正式投运，湖南电网已经形成交直流混联电网。然而，湖南电网目前正处于特高压网架建设的初期，主网架结构仍然较为薄弱， “强直弱交”的电网特征越发明显。祁韶直流馈入后，不但改变了湖南电网的潮流分布特性、无功功率补偿特性，同时影响湖南电网的暂态稳定特性，电网日常调峰调压的压力也越来越大。因此，为准确分析交直流系统的交互作用，有必要建立有效的直流仿真模型〔1－4〕。

本文基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，建立了较为准确的祁韶特高压直流的仿真模型，此模型主要包括主电路模型和控制电路模型，其中主电路设备包括换流器、换流变压器、交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器、直流输电线路和接地极等，控制电路包括整流侧控制和逆变侧控制等〔5－8〕。并利用此模型对稳态运行及直流电流阶跃、交直流故障等扰动进行仿真，仿真结果验证了该模型的正确有效性。

1 PSCAD/EMTDC介绍

本研究所采用的仿真软件为PSCAD/EMTDC V4.6，其具备较为精确和完整的模型元件库、强大的数据分析计算能力、友好的操作界面以及良好的拓展性 (可与Fotran，C和Matlab接口)等特点，已成为直流输电方面应用最为广泛的电磁暂态仿真软件。该软件主要由两个部分组成，其中PSCAD是软件的图形化操作界面，用户可以方便利用软件模型库 (Master Library)中的模型来搭建系统仿真图，并对仿真的运行、仿真数据的管理和参数设置进行友好操作。EMTDC是软件的核心，主要由 Network Solution和 System Dynamics组成，其求解引擎构造的主程序能很好协调输入输出、网络求解和自定义元件之间的关系〔9－11〕。

2 主要技术参数

祁韶特高压直流额定直流功率为8 000 MW，额定直流电压为±800 kV，额定直流电流为5 000 A，酒泉换流站交流系统运行额定电压为750 kV，湘潭换流站交流系统运行额定电压为500 kV。直流系统主接线型式采用±800 kV特高压直流工程通用设计，即每站每极由2个12脉动换流器串联构成，平波电抗器按极线和中性线对称布置，每站每极配置一组直流滤波器 (12/24、2/39次滤波器)，主接线如图1所示。换流变压器采用单相双绕组型式，酒泉换流变压器短路阻抗为23%，湘潭换流变压器短路阻抗为18%；酒泉换流站无功功率补偿装置共分为4大组16小组，补偿容量为4 240 Mvar；酒泉换流站无功功率补偿装置共分为4大组19小组，补偿容量为4 940 Mvar，具体无功功率补偿配置见表1。

图1 祁韶特高压直流主接线

表1 祁韶特高压直流无功功率补偿配置 Mvar

3 控制策略及运行方式

祁韶特高压直流控制电路包括整流侧控制和逆变侧控制，本模型采用CIGRE直流输电标准中的典型控制策略，其基本控制方式是:整流侧为定电流控制，逆变侧为定熄弧角控制。同时，整流侧还配有最小触发角限制控制、低压限流控制(VDCOL)和最小电流限制控制，逆变侧还配有电流偏差控制 (CEC)、低压限流控制 (VDCOL)和最小电流限制控制。祁韶直流的总体控制电路模型如图2所示。

图2 祁韶特高压直流PSCAD/EMTDC控制模型

直流输电系统的运行方式取决于整流侧和逆变侧换流器的控制方式，在上述整流侧、逆变侧控制策略下，本直流输电系统的控制特性如图3所示。图中，J-Q为整流侧控制特性，其中JL为最小触发角控制，LM为定电流控制，MO为低电压限流环节 (VDCOL)，OQ为最小电流限制控制，使最小电流保持在定电流曲线Id＝0.55上。虚线所示K-I为逆变侧控制特性，其中KA为定熄弧角控制，AD为电流偏差控制环节 (CEC)，DG为逆变侧的低压限流环节，GI为逆变侧的最小电流限制控制，保持最小电流在定电流曲线的Id＝0.45上，与整流侧维持0.1 p.u.(标准值为额定直流电流值)的电流裕度。正常时系统直流电流由整流侧定电流控制决定，系统直流电压由逆变侧定熄弧角控制决定，系统运行在A点。

图3 祁韶直流输电系统控制特性

4 仿真验证

基于PSCAD/EMTDC建立的祁韶特高压直流模型如图4所示，利用此模型进行一系列暂稳态仿真，以验证模型的正确性。

图4 祁韶特高压直流PSCAD/EMTDC仿真模型

4.1 稳态仿真

对祁韶特高压直流双极额定功率下的稳态运行状态进行仿真分析，直流电压、直流电流、直流功率、交流功率、交流电流等波形分别如图5—9所示。从仿真结果可以看出，直流输电系统在双极运行时，直流电压为±800 kV，直流电流为4 988 A，直流功率为7 980 MW，直流电压、直流电流以及直流功率与额定设计值基本一致；Y/Y、Y/D接法换流变压器电流波形满足6脉动换流阀6 K±l(K为正整数)次典型特征谐波的要求；整流侧触发角为13.8°，逆变侧关断角为17.3°，满足正常运行时触发角与关断角的规定范围。由上分析可以看出，祁韶特高压直流模型控制策略正确，稳态运行状态良好。

图5 直流电压波形

图6 直流电流波形

图7 直流功率曲线

图8 交流功率曲线

图9 交流电流波形

4.2 暂态仿真

对所建立的祁韶特高压直流电磁暂态模型进行直流电流阶跃、交直流故障等暂态过程仿真，仿真工况如下:5 s直流正极电流由1 pu变为0.9 pu；6 s直流正极电流由1 pu变为0.9 pu；10 s酒泉换流站三相接地故障，故障时间0.05 s；12 s湘潭换流站三相接地故障，故障时间0.05 s；15 s直流接地故障，故障时间0.05 s。直流电流、直流电压、直流功率、交流电压、交流功率等变化曲线分别如图10—14所示。

图10 直流电流变化曲线

图11 直流电压变化曲线

图12 直流功率变化曲线

图13 交流电压变化曲线

图14 交流功率变化曲线

由图10—14可以看出，祁韶特高压直流电磁暂态模型动暂态运行状态良好，当控制指令变化或故障清除后，控制策略能够快速的将系统带回稳定运行点，且并未出现过电压冲击、过负荷冲击等异常现象，与此同时，当祁韶特高压直流模型一极出现故障时，另一极几乎不受干扰，仅出现小幅的振荡。

5 结论

本文基于祁韶特高压直流的主要技术参数及控制策略，建立了PSCAD/EMTDC电磁暂态模型，仿真模型稳态运行电气量与额定设计值基本一致，且能够准确的反应直流电流阶跃、交直流线路接地故障等动态、暂态过程及性能，模型准确有效，为研究交直流系统的交互影响、直流换相失败、换流站谐波稳定性等问题奠定了坚实的基础。

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