黑龙江电网全电磁暂态建模研究

张 睿，郝文波，胡远婷，刘 进，张美伦

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)

0 引 言

目前针对交直流相互影响仿真分析大多采用机电暂态仿真，虽然交流电网基本已采用实测数据建模，但是特高压直流的建模仍较为简化。有部分研究采用了机电-电磁暂态混合仿真，但大多只是将直流以电磁暂态建模，电网其余部分均以机电暂态建模[1]。由于机电暂态模型采用基波相量描述，电磁侧非线性元件引起的波形畸变等谐波特性无法全部通过混合仿真接口传递至机电侧，因此在一定程度上影响了计算的精度[2]。

为准确认识电网特性，展开黑龙江电网全电磁仿真建模分析计算工作,对黑龙江电网500 kV交流系统N-1、N-2、直流换相失败、直流双极闭锁等故障开展计算分析，分别进行机电仿真数据和全电磁仿真数据扫描，从暂态电压稳定性、功角稳定、电厂出力以及特高压直流响应特性等方面比较不同仿真工具下的差异。

1 交直流互联大电网全电磁暂态建模工具及模型

采用电力系统全数字实时仿真系统(ADPSS)，主要应用软件包括机电暂态计算程序(PSASP7.51)和电磁暂态计算程序(ETSDAC2.6)。该软件涵盖了适用于大电网运行仿真分析的关键设备电磁暂态模型，包括发电机及其调节器、交流线路、变压器、直流输电系统、电力电子设备、负荷等各种元件[3]。

1.1 机电暂态仿真

机电暂态仿真，主要用于分析电力系统的稳定性，即用来分析当电力系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或过渡到一个新的稳定运行状态的问题。通过机电暂态仿真可以判别系统的暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性[4]。

机电暂态仿真的主要功能包括：

1)复杂故障的模拟;

2)仿真中可考虑各种用户自定义模型;

3)仿真中可接入Matlab数字模型;

4)自动判稳和终止仿真;

5)仿真结果的Prony分析;

6)大规模电网实时计算;

7)具备物理接口功能。

1.2 电磁暂态仿真

电磁暂态仿真，主要用于分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以便根据所得到的暂态过电压和过电流对相关电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施[5]。

电磁暂态仿真的主要功能包括：

1)包含丰富的电力系统元件模型，如发电机、变压器、线路、PT/CT、非线性元件、电力电子元件、直流元件、负荷元件等;

2)可模拟电力系统的各种暂态过程，包括操作暂态、谐振暂态、故障暂态等;

3)具有分网并行计算功能，实现了一定规模电磁暂态网络的实时或超实时仿真;

4)可通过A/D和D/A转换接口接入物理模型或实际控制装置，进行电力系统的仿真研究或装置试验。

在仿真过程中可接入继电保护设备、安全自动装置、PSS装置、发电机励磁装置、SVC控制装置、HVDC控制装置等，进行装置的检验和试验研究。

1.3 ADPSS直流系统模型

ADPSS直流控制系统建模采用经典控制模型，整流侧采用定电流控制、低电压限电流控制，逆变侧采用定电流控制、定关断角控制、定电压控制、低电压限电流控制[6]。ADPSS直流控制系统中控制器采取定电流、定电压、定熄弧角的偏差选择来实现控制器之间的协调，其稳态控制方式为整流侧定电流、逆变侧定熄弧角的控制方式。直流控制保护系统计算逻辑层次图如图1所示。

图1 直流控制系统图Fig.1 DC control system diagram

2 黑龙江电网骨干网架机电数据核查

机电数据与电磁数据侧重点不同，目前PSASP平台部分元件参数缺失，数据存在误差，会对全电磁仿真结果产生较大影响，在机电模型转电磁模型之前需要对机电数据进行全面核查。

2.1 机电数据核查原则

考虑到部分元件参数对机电暂态仿真结果影响不大但对电磁暂态仿真影响较大[7]，应对“源-网-荷”等各类参数按《机电数据核查规范》逐一核查，主要包括以下四类。

1)发电机。同步机模型号、发电机阻抗、机组额定参数等。

2)变压器。绕组接线方式、激磁电阻电抗、绕组电抗等。

3)线路。线路正序、零序参数。

4)负荷。负荷模型类型、感应电动机比例。

2.2 黑龙江电网骨干网架机电数据核查结果

2.2.1 变压器核查结果

校核了黑龙江范围内三绕组变压器绕组连接方式，按照“站内有3台变压器的2台变接地，有2台变压器1台变接地”的原则，共24处做出修改，结果见表1。

表1 三绕组变压器核查结果Table 1 Three winding transformer investigation result

2.2.2 发电机核查结果

校核了黑龙江范围内发电机参数，通过实测报告校核，共1处做出修改，修改结果见表2。

表2 发电机核查结果Table 2 Generator verification results

2.2.3 线路

校核了黑龙江交流线路参数，通过实测报告校核，交流线路正序电阻和零序电阻R1、R0参数共199处做出修改。

校核了黑龙江交流线路参数，通过实测报告校核，交流线路正序电抗和零序电抗X1、X0参数共200处做出修改。

校核了黑龙江交流线路参数，通过实测报告校核，交流线路正序电纳B1/2和零序电纳B0/2参数共201处做出修改。

3 黑龙江电网骨干网架电磁暂态建模

东北电网骨干网架，由东北各分区自行机电数据校核以及全电磁模型搭建，封装进子电路，进行各省交流电网的拼接，并在交流大电网中加入直流模型，最终形成交直流互联电网全电磁模型。

3.1 全电磁暂态建模原则

电磁暂态仿真的计算原件模型采用微分方程或偏微分方程描述，机电暂态仿真原件模型采用基波相量描述，机电模型可视作由电磁模型忽略部分电磁暂态过程简化而来，其模型参数与电磁模型的大部分参数是一致的，而电磁模型有但机电模型无的参数可按默认参数补齐，故而交流网的机电暂态数据与其电磁暂态数据具有良好的互转性[8]，见表3。

表3 机电-电磁元件模型数据转换映射表Table 3 Mapping table of electromechanical-electromagnetic component model data conversion

3.2 黑龙江电网骨干网架电磁暂态模型校核

黑龙江电网骨干交流电网完成电磁模型转化后与东北电网骨干网架交流大电网拼接，含有直流的各分区根据直流建模方法将各省的电磁暂态直流模型搭建完成，然后跟交流大电网拼接成交直流大电网，进一步与机电暂态潮流结果进行稳态对比。图2为东北交直流互联电网中黑龙江省部分。

重点观察电磁模型仿真结果中各直流近区母线电压的幅值和相角、近区发电机功率、交直流交换功率以及直流电压等数据，通过调整直流相关参数，使得前述各量较直流加入前变化不大，确保电磁机电潮流比对结果满足要求。针对差异较大地区，需重新按照第一步数据核查原则校验核查设备模型参数，确保各省220 kV及以上母线电压偏差小于0.01 p.u.，其余母线电压偏差小于0.02 p.u.，发电机有功偏差小于10 MW，关键断面有功偏差小于50 MW。

图2 黑龙江交直流互联电网Fig.2 Heilongjiang AC/DC interconnected power grid

4 东北电网骨干网架交直流大电网稳态对比结果

电磁暂态与机电暂态仿真时长设置为30 s，选取25～30 s内电磁侧与机电侧的计算结果，分别对发电机功率和母线电压进行对比。

4.1 发电机有功功率结果对比

要求电磁暂态计算结果与机电侧相比，有功绝对误差须小于10 MW。该次计算结果中有功绝对误差最大的10台发电机和无功绝对误差最大的10台发电机见表4，都满足计算要求。

4.2 母线电压结果对比

要求机电电磁暂态结果对比中，母线电压误差不大于1%。计算结果中选取母线电压误差最大的10条母线见表5。

如表4～6所示，东北交直流互联电网全电磁模型的稳态计算结果与机电数据潮流结果进行比对，满足精度要求。

表4 有功绝对误差最大的10台机组Table 4 Ten units with the largest absolute error of active power

表5 母线电压误差最大的10台机组Table 5 Ten units with the largest error of bus voltage

表6 联络线对比结果Table 6 Tie line comparison results

5 结 语

1)通过对电力系统机电暂态模型与电磁暂态模型的分析对比，顺利完成了黑龙江电网骨干网架机电暂态模型到电磁暂态模型的转化，并成功将黑换直流模型加入交流网中，最终实现东北电网交直流互联大电网的全电磁暂态建模。

2)基于电力系统全数字实时仿真系统(ADPSS)对交直流互联大电网进行无故障仿真计算，根据稳态计算结果，依托电磁-机电数据对比程序，对母线、发电机、关键断面数据进行比对，结果满足精度要求。