直流系統(tǒng)電氣方程的建模與仿真

0直流輸電系統(tǒng)模型的建立隨著我國能源工業(yè)的發(fā)展，電力直接輸電工業(yè)在我國逐漸普及。已投入葛上運河、天廣運河、貴廣運河、三廣直流等項目。根據(jù)電力發(fā)展規(guī)劃,在全國聯(lián)網(wǎng)工程中將以直流聯(lián)網(wǎng)為主。雖然高壓直流輸電在技術上逐漸成熟,但與交流輸電技術相比畢竟還不普及,特別是對交直流混合電網(wǎng)的運行規(guī)律,我國電網(wǎng)運行人員對其還缺乏足夠的認識與了解。調(diào)度員培訓系統(tǒng)(DTS)是培訓電網(wǎng)調(diào)度人員、提高電網(wǎng)調(diào)度水平的重要的工具,它力求通過對電力系統(tǒng)運行狀況的仿真,給調(diào)度人員提供真實、方便、靈活的培訓環(huán)境,以豐富其運行經(jīng)驗,提高其專業(yè)水平和事故時的快速反應能力。面對直流輸電技術在我國普及的要求,DTS中應該建立相應的模型,對其進行仿真。對直流系統(tǒng)進行精確的仿真應該建立其機電暫態(tài)模型甚至電磁暫態(tài)模型。但是,由于直流系統(tǒng)的計算步長小,因此對于大型電網(wǎng)來說,暫態(tài)計算不能滿足仿真培訓的實時要求,而基于動態(tài)潮流的原理對直流系統(tǒng)進行建模,顯得比較實用。本文結合南方互聯(lián)電網(wǎng)DTS的開發(fā)和應用,以天廣直流和貴廣直流為仿真對象,建立了通用的高壓直流輸電系統(tǒng)的模型,進行了以下研制工作:1)建立了“系統(tǒng)-極”的分層模型,考慮了直流系統(tǒng)不同的電氣回路運行方式,能夠在培訓中在線改變電氣回路方式,滿足調(diào)度人員的操作需要。2)建立了直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型,實現(xiàn)了交直流聯(lián)合電網(wǎng)的動態(tài)潮流計算,考慮了直流輸電系統(tǒng)不同控制方式下直流系統(tǒng)的頻率特性,可以進行交直流系統(tǒng)的解并列仿真,以及兩個交流系統(tǒng)以直流互聯(lián)異步運行的仿真。1直流系統(tǒng)的電氣方程直流系統(tǒng)的運行方式是多樣和靈活的,這不僅是指直流系統(tǒng)的控制方式,對于直流系統(tǒng)的電氣接線方式也是如此。對于雙端直流系統(tǒng),其主要接線方式有:雙極對稱、單極單線大地回流、單極單線金屬回流、單極雙線大地回流。對于不同的接線方式,直流系統(tǒng)有不同的電氣回路。對于常用的離線計算程序而言,通常把雙端雙極直流系統(tǒng)模擬成電氣回路與控制回路相互獨立的兩個“換流變壓器-換流閥組-極導線-換流變壓器”模型組,這一模型可以等價地模擬直流系統(tǒng)的雙極對稱接地運行、雙極不對稱接地運行,而不能方便地描述直流系統(tǒng)的其他接線運行情況,例如單極雙線大地回流、單極金屬回流等,也不能模擬直流接地電阻,不能模擬換流站不同的接線運行方式下的開關),閘組態(tài)。而實際直流系統(tǒng)的運行中,由于設備的檢修和故障或由于工程建設的逐漸實施,這些方式都有可能采用。因此,需要更加細致、準確地描述直流系統(tǒng)。傳統(tǒng)的離線計算程序建模思想的缺點在于沒有考慮雙端直流系統(tǒng)兩個極運行的聯(lián)系,即缺少對整個直流系統(tǒng)運行的描述。本文根據(jù)直流系統(tǒng)分層的特點建立了系統(tǒng)和極兩層對象。在直流系統(tǒng)這一層次上建立了其接線方式的描述,用以控制直流系統(tǒng)電氣方程的建立。直流系統(tǒng)對象的主要數(shù)據(jù)成員如下:直流系統(tǒng)的接線方式有以下組合:極1大地回流、極2大地回流、極1雙極并列大地回流、極2雙極并列大地回流、極1金屬回流、極2金屬回流、兩極運行大地回流。不同運行方式下直流系統(tǒng)的電氣回路方程如下所示,可供潮流計算聯(lián)立求解用。一極對稱大地回流和單極單線大地回流:單極金屬大地回流:二極雙線大地回流:式中:Id為直流電流;Vdi為整流側直流電壓;vdi為逆變側電壓;r為直流線路電阻;r1為一極線路電阻;r2為二極線路電阻。同時,建立直流開關、刀閘對應不同的直流接線方式的開斷狀況的數(shù)據(jù)描述,從而實現(xiàn)對直流系統(tǒng)不同接線方式下直流系統(tǒng)開關、刀閘狀態(tài)的模擬,如圖1所示。2交直流聯(lián)合潮流計算動態(tài)潮流是指在潮流計算基礎上考慮與電網(wǎng)元件的頻率特性,例如負荷、發(fā)電機等的頻率動態(tài)特性。適用于交直流聯(lián)合電網(wǎng)的動態(tài)潮流計算,不僅需要計算直流系統(tǒng)潮流,還應考慮直流系統(tǒng)的頻率特性。基于交替迭代法的交直流聯(lián)合電網(wǎng)計算具有概念清楚、在原有交流潮流基礎上易于實現(xiàn)的優(yōu)點。本文采用了基于PQ快速分解法求解AC/DC潮流,考慮了直流系統(tǒng)不同控制方式(定功率、定熄弧角,定功率、定電壓,定電流、定熄弧角,定電流、定電壓,定觸發(fā)角、定電流,定觸發(fā)角、定功率),實現(xiàn)了交替迭代法的交直流聯(lián)合潮流計算。交直流的動態(tài)潮流計算則是通過潮流計算和頻率計算的交互來實現(xiàn)的,其方法可見文獻。在交流潮流計算中采用的直流部分的模型是準穩(wěn)態(tài)模型,而在直流部分計算中采用了暫態(tài)模塊,交替計算,其動態(tài)計算結果作為直流量的注入。在工程應用中,通常給定的典型初始潮流斷面,迭代計算誤差在允許范圍內(nèi),收斂性一般可以得到保證。這里著重介紹考慮直流系統(tǒng)動態(tài)潮流計算的特點。2.1直流系統(tǒng)加快功率計算的影響交直流系統(tǒng)聯(lián)合運行方式可分為兩端交流系統(tǒng)同步運行和異步運行,如圖2所示。2.1.1功率pacc的計算此時直流系統(tǒng)兩端在同一電氣系統(tǒng)中,電氣系統(tǒng)的加速功率Pacc為:式中:∑Pg為發(fā)電總和;ΣPL為負荷總和;Ploss,AC為交流系統(tǒng)網(wǎng)損;Ploss,DC為直流系統(tǒng)網(wǎng)損,包括直流線損和換流損耗。2.1.2加速功率paccs此時直流系統(tǒng)兩端分別在交流電氣系統(tǒng)1和2中。直流整流側交流系統(tǒng)的加速功率Paccl為:直流逆變側交流系統(tǒng)的加速功率Pacc2為:式中:PDC1為整流側從交流系統(tǒng)1吸收功率;PDC2為逆變側對交流系統(tǒng)2注入功率。2.2基于時間常數(shù)和放大個數(shù)的頻率調(diào)制對于直流系統(tǒng)聯(lián)結異步交流系統(tǒng)情況,這時直流系統(tǒng)的功率調(diào)制環(huán)節(jié)將起作用,即使對于兩交流系統(tǒng)同步運行情況,也應該考慮調(diào)制系統(tǒng)在交流線突發(fā)故障后直流調(diào)制的緊急功率支援作用。本文在對直流調(diào)制環(huán)節(jié)的模擬中實現(xiàn)了以下頻率調(diào)制模型。1)以整流側或逆變側頻率為目標的頻率調(diào)制。式中:ΔPmod為調(diào)制變化量;Δf為整流側或逆變側的頻率偏移;K為放大倍數(shù);Td為時間常數(shù);p為微分因子。2)同時考慮兩端頻率偏移的頻率調(diào)制。式中:K1,K2為直流兩端放大倍數(shù);Td1,Td2為兩側放大倍數(shù);厶f1,Δf2為直流兩側頻率偏移;f1,f2為兩側頻率指定值。對于直流調(diào)制環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和放大倍數(shù),目前常用的做法是對實際電網(wǎng)各種類型故障,采用NETMAC動態(tài)潮流計算程序計算。按照對電網(wǎng)穩(wěn)定最有利的情況,對實現(xiàn)給定的工程典型參數(shù)(時間常數(shù)和方法倍數(shù))進行修正。需要注意,由于電網(wǎng)在不斷發(fā)展變化,因此修正的結果要有一定的適應范圍,而不一定采用最優(yōu)解。在頻率計算工程中,需要將Pmod疊加至功率指定(或電流指定)中:2.3直流系統(tǒng)信號轉換南方電網(wǎng)是我國第1個交直流并聯(lián)運行的電力系統(tǒng),目前已經(jīng)形成了“五交三直”8條西電東送大通道,送廣東電網(wǎng)能力超過10GW。在本算例中,不考慮剛剛投運的貴廣直流。起始時刻天廣直流兩極對稱運行輸送合1GW有功。在該運行方式下,解開天平雙回線,將會出現(xiàn)系統(tǒng)解列,直流系統(tǒng)將聯(lián)結兩個異步運行的交流系統(tǒng)。如圖3所示,在第8個采樣周期時直流系統(tǒng)無調(diào)頻作用時,天平雙回解列,云南系統(tǒng)頻率升高至50.18Hz左右,廣東一廣西系統(tǒng)頻率降至49.95Hz左右;第11個采樣周期時天平線并網(wǎng),系統(tǒng)頻率恢復至原值,第16個采樣周期時投運直流頻率調(diào)制裝置(以整流側系統(tǒng)為調(diào)節(jié)目標),解開天平兩回線,可以看到在調(diào)制作用下兩系統(tǒng)的頻率基本都回到原頻率運行點,由于本例中采用的是以直流系統(tǒng)送端頻率為調(diào)控目標,因此云南網(wǎng)頻率能較理想地回到50Hz,而廣東一廣西網(wǎng)頻率也基本回到50Hz,比原值稍低的原因是由于調(diào)制作用,電流加大、直流損耗加大,使得實際給廣東一廣西網(wǎng)的注入功率小于原天平兩回直接給廣東一廣西網(wǎng)注入的功率。由圖3可以明顯看出直流系統(tǒng)調(diào)制的作用,其對于兩端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定有著重要意義,也可以看出直流系統(tǒng)的頻率特性在動態(tài)潮流中得以較好地模擬。3直流系統(tǒng)仿真模型本文實現(xiàn)了基于動態(tài)潮流計算的交