特高压直流输电仿真系统

本发明涉及一种特高压直流输电技术领域，具体的是一种特高压直流输电仿真系统的建 立。

在大规模电力系统的互联中，利用直流系统进行功率交换有利于隔离区域间电网的交流 故障，实现各独立系统间的非同步运行，同时可以改善由于容量过大、距离过长的交流线路 互联所带来的稳定问题，改善电力系统的电能质量，增强电网的稳定性特高压直流控制体系 结构与常规直流工程相比，必须保证其有更高的可靠性和系统可用率，因此通过仿真分析了 解特高压直流系统控制的结构、功能以及特高压直流系统的控制特性下不同控制方式对特高 压直流系统运行的影响，对于进一步研究特高压直流系统的控制策略对其所连交流电网暂态 稳定性的影响、直流系统控制方式对扰动后交流系统电压和功率恢复的影响具有非常重要的 作用。

针对现有技术存在的不足，提出了一种特高压直流输电仿真系统对特高压直流输电系统 进行仿真分析。

特高压直流输电系统主要包括两端换流站，两端换流站均为VSC结构，各换流站由换流 器、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。

在建立特高压直流输电的仿真系统过程中，充分利用了目前仿真中心的各种实时仿真资 源，包括：对有限的模拟元件进行合理规划和使用；开发和应用多种发电机及其控制系统模 型，建立特高压直流系统模型；建立数据完备、结构合理的系统数据库；校核大规模模拟网 性能等。建模过程中的若干关键技术，包括：①筛选和优化系统模比方案；②配置和校核若 干种模拟元件；③系统连接及建立模拟网络结构；④建立系统数据库；⑤校核系统潮流及检 验系统性能等。

合理选择交/直流系统模比是系统建模和系统试验的前提。由于建立的系统规模庞大， 而且各地区进行的系统等值程度不同，导致网络不同部分的线路潮流和元件(尤其是保留元 件与等值元件间)参数差别较大，包括发电机容量、线路阻抗、线路相间和对地电容等。因 此，对交/直流系统模比的选择需要权衡多种因素，包括：1)设备的合理工作范围和安全性。 在正常运行时，潮流最轻的线路通过的工频电流不低于最小工作电流，以保证模拟系统的精 度；系统故障时，最大故障电流在安全工作范围内且不能导致元件饱和，以保证物理仿真设 备的安全。2)数字和模拟元件的数量及参数。提高模拟电压基准值有利于降低系统的故障电 流，保障设备安全，但是会导致模拟阻抗模型元件数量的增加，并可能降低潮流轻的线路的 模拟精度，需要进行权衡。3)各种系统模比的选择顺序。建模时首先选定系统功率模比，在 此基础上，分别为不同电压等级的交流和直流系统选择合适的电压/电流模比，而系统的阻 抗、电感和电容的模比随之确定。4)直流系统模比的选择。需综合考虑：直流系统的建模策 略，换流阀正常解锁所需最小工作电流，系统正常运行时换流变压器的分接头调节范围等。

在仿真系统中，发电机和动态负荷均采用数字模型，全部位于高性能多处理器的服务器 中。鉴于现有的发电机模型的调节系统不能满足需要，此次建模过程中，利用仿真装置中的 工具软件，开发了若干种发电机调节系统的模型，包括励磁系、统、调速器和电力系统稳定 器，其中发电机励磁系统3种，分别为FJ型、FK型、EK型；调速器模型2种，分别为GH型和GS 型。按照实际发电机调节器、原动机的配置，组合上述调节器和原动机模型，建成了多种发 电机的模型借助A/D通道，位于服务器中的发电机和动态负荷与功率放大器连接，并通过线 路、变压器和断路器等物理模拟元件，与系统其他部分相连，从而实现数字元件相互间完全 解耦，消除了不同数字元件系统问数值不稳定的问题。输出电压/电流通道通过D/A接口、 两相相功率放大器、线性变压器、外接阻抗、可控开关和母线等元件与其他模拟系统相连； 模拟系统的电压和电流则通过电压/电流传感器和A/D接口反馈回数字模型中，从而形成闭 环系统。

发电机模型建立后，全面校核其控制系统、回路和参数，尤其是励磁系统和调速器系统 等。主要参数包括：电压、电流、频率、机械功率、电磁功率、机械转矩、电磁转矩和角速 度等。对于控制环节，还需重点检查不同模块间传递变量的变化。动态负荷的校核主要包括 A/D、D/A和相位等。

特高压直流输电控制系统分为3个层次。第1层次称为主控制级，此控制级可以选择整流 侧以定电流或定功率的方式运行。第2层次称为极控制级，即控制直流输电一个极的控制层 次。此控制级的基本控制策略为其中整流侧采用带有αmin限制的定电流控制，逆变侧采用 定γ角控制和定电流控制，另外整流侧配有低压限流环节，逆变侧配有电流偏差控制。第3 层次称为换流器控制级，是控制直流输电一个换流单元的控制层次，用于控制换流器的触发 相位。

主控制级通常接收来自调度中心的直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流 电流指令给极控制级，极控制级经过控制运算以后发送一个触发角指令给各个换流器控制单 元。

直流系统的基本特性及控制方式为从整流侧到逆变侧的直流电流为

$I_d=\frac{U_{d0r}cos\alpha -U_{doi}cos\beta }{d_{xr}+R_1+d_{xi}}$

在直流输电系统中直流电压和直流电流都仅仅取决于α、β、Ud0r、Ud0i这四个变量， 其他均为系统固有参数。这四个量是直流输电系统的控制量，且除此之外没有其他控制量。 因此，通过控制这四个量，即可控制直流输电系统的各种运行要求。其中α、β分别是整流 侧和逆变侧的触发控制角，响应速度很快；Ud0r是整流侧换流变压器的阀侧空载电压，Ud0i 为逆变侧换流变压器的阀侧空载电压，可以通过调节换流变压器的分接头来调节该控制量， 由于其响应速度与上述触发控制角相比起来要慢得多，在交、直流系统发生故障的暂态过程 中，直流输电系统控制部分能够发挥的控制量只有整流侧和逆变侧的触发控制角α、β。

通过调节加到换流阀控制级的触发脉冲相位来实现直流线路电压、电流和功率的调节， 即调节整流器的触发角α或逆变器的触发越前角β(或熄弧角)。这种方式具有调节范围大、 控制速度快(一般1～10ms)等优点，换流器的快速控制可防止直流电流的剧烈波动，是保证 高压直流输电线路稳定运行的重要要求，是直流输电系统主要的控制手段。通过调节加在换 流器上的交流电压，即调节换流变压器分接头来实现对直流线路电压、电流和功率的调节。 分接头控制模式包括角度控制模式和电压控制模式。换流器的分接头开关是机械式的，调节 一档的时问通常需要5～15s的时间，响应时间较长，所以分接头调节只能作为辅助调节手段。 高压直流输电要求控制保护系统要完成以下基本的控制保护功能：(1)直流输电系统的起停 控制，高压直流输电系统的起动或停运是通过一定顺序对交直流开关设备的操作，换流器的 解锁或闭锁，完成功率按给定速率上升或下降等操作来实现。(2)输送功率的大小和方向控 制，对输送功率大小的控制是通过改变电流整定值来实现的，而直流功率的反向输送则是通 过改变直流电压的极性来实现。(3)抑制换流器非正常运行及对所连交流系统的干扰，当多 端HVDC系统的直流侧发生故障时，应迅速判断故障的线路并将其切除，使剩余系统尽快恢复 运行。(4)直流输电保护控制，发生故障时，进行控制系统切换以及保护动作，来保护换流 站设备，提高系统稳定性。(5)信息监控，对换流站、直流线路的各种运行参数以及控制系 统本身的信息进行监视，有利于及时发现异常，进行控制及保护。

通过调整发电机出力及负荷大小分析各稳定约束下的断面输电极限。主要调整方式是： ①调整发电机有功出力；②调整负荷大小；③发电机与负荷调整相互结合。调整潮流的原则 是先调整发电机有功出力，当无法满足各稳定约束时再调整负荷大小。调整过程中借鉴反向 等量配对调整法，为送端每一个增加出力的发电机到受端系统中与之配对的发电机减少其 出力，且调整量相等，尽量避免调整前后平衡机出力发生较大变化。负荷调整按选定一批负 荷，对其按同比例调整。调整过程中，由于系统网损变化引起的不平衡功率通过平衡机自动 补偿。分析时，首先选择运行方式，进行潮流分析，校验系统是否满足热稳定约束，若满足， 程序顺序执行校验N一1热稳定约束及其他稳定约束；若不满足，检查发电机出力是否可以调 整，重新选择运行方式，进行潮流分析等。如果热稳定约束及暂态稳定约束可以满足，则进 行小干扰稳定性校验，若小干扰稳定，计算完毕；若小干扰失稳，通过PSS的配置来提高稳 定极限，在满足所有稳定性约束条件下，最终求取输电极限。

通过对特高压直流输电进行仿真，能够详细模拟直流系统的换流阀和控制保护，并正确 反映直流系统运行工况，对直流系统送受端相互影响进行详细了解。

图1是特高压直流输电系统结构

图2是特高压直流输电系统的等值电路

图3是输电极限能力分析(图3输电极限分析流程图)

如图1所示，特高压直流输电系统主要包括两端换流站，两端换流站均为VSC结构，各换 流站由换流器、换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。

在建立特高压直流输电的仿真系统过程中，充分利用了目前仿真中心的各种实时仿真资 源，包括：对有限的模拟元件进行合理规划和使用；开发和应用多种发电机及其控制系统模 型，建立特高压直流系统模型；建立数据完备、结构合理的系统数据库；校核大规模模拟网 性能等。建模过程中的若干关键技术，包括：①筛选和优化系统模比方案；②配置和校核若 干种模拟元件；③系统连接及建立模拟网络结构；④建立系统数据库；⑤校核系统潮流及检 验系统性能等。

合理选择交/直流系统模比是系统建模和系统试验的前提。由于建立的系统规模庞大， 而且各地区进行的系统等值程度不同，导致网络不同部分的线路潮流和元件(尤其是保留元 件与等值元件间)参数差别较大，包括发电机容量、线路阻抗、线路相间和对地电容等。因 此，对交/直流系统模比的选择需要权衡多种因素，包括：1)设备的合理工作范围和安全性。 在正常运行时，潮流最轻的线路通过的工频电流不低于最小工作电流，以保证模拟系统的精 度；系统故障时，最大故障电流在安全工作范围内且不能导致元件饱和，以保证物理仿真设 备的安全。2)数字和模拟元件的数量及参数。提高模拟电压基准值有利于降低系统的故障电 流，保障设备安全，但是会导致模拟阻抗模型元件数量的增加，并可能降低潮流轻的线路的 模拟精度，需要进行权衡。3)各种系统模比的选择顺序。建模时首先选定系统功率模比，在 此基础上，分别为不同电压等级的交流和直流系统选择合适的电压/电流模比，而系统的阻 抗、电感和电容的模比随之确定。4)直流系统模比的选择。需综合考虑：直流系统的建模策 略，换流阀正常解锁所需最小工作电流，系统正常运行时换流变压器的分接头调节范围等

在仿真系统中，发电机和动态负荷均采用数字模型，全部位于高性能多处理器的服务器 中。鉴于现有的发电机模型的调节系统不能满足需要，此次建模过程中，利用仿真装置中的 工具软件，开发了若干种发电机调节系统的模型，包括励磁系、统、调速器和电力系统稳定 器，其中发电机励磁系统3种，分别为FJ型、FK型、EK型；调速器模型2种，分别为GH型和GS 型。按照实际发电机调节器、原动机的配置，组合上述调节器和原动机模型，建成了多种发 电机的模型借助A/D通道，位于服务器中的发电机和动态负荷与功率放大器连接，并通过线 路、变压器和断路器等物理模拟元件，与系统其他部分相连，从而实现数字元件相互间完全 解耦，消除了不同数字元件系统问数值不稳定的问题。输出电压/电流通道通过D/A接口、 两相相功率放大器、线性变压器、外接阻抗、可控开关和母线等元件与其他模拟系统相连； 模拟系统的电压和电流则通过电压/电流传感器和A/D接口反馈回数字模型中，从而形成闭 环系统。

发电机模型建立后，全面校核其控制系统、回路和参数，尤其是励磁系统和调速器系统 等。主要参数包括：电压、电流、频率、机械功率、电磁功率、机械转矩、电磁转矩和角速 度等。对于控制环节，还需重点检查不同模块间传递变量的变化。动态负荷的校核主要包括 A/D、D/A和相位等。

特高压直流输电控制系统分为3个层次。第1层次称为主控制级，此控制级可以选择整流 侧以定电流或定功率的方式运行。第2层次称为极控制级，即控制直流输电一个极的控制层 次。此控制级的基本控制策略为其中整流侧采用带有αmin限制的定电流控制，逆变侧采用 定γ角控制和定电流控制，另外整流侧配有低压限流环节，逆变侧配有电流偏差控制。第3 层次称为换流器控制级，是控制直流输电一个换流单元的控制层次，用于控制换流器的触发 相位。

主控制级通常接收来自调度中心的直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流 电流指令给极控制级，极控制级经过控制运算以后发送一个触发角指令给各个换流器控制单 元。

如图2所示，直流系统的基本特性及控制方式为从整流侧到逆变侧的直流电流为

$I_d=\frac{U_{d0r}cos\alpha -U_{doi}cos\beta }{d_{xr}+R_1+d_{xi}}$

在直流输电系统中直流电压和直流电流都仅仅取决于α、β、Ud0r、Ud0i这四个变量， 其他均为系统固有参数。这四个量是直流输电系统的控制量，且除此之外没有其他控制量。 因此，通过控制这四个量，即可控制直流输电系统的各种运行要求。其中α、β分别是整流 侧和逆变侧的触发控制角，响应速度很快；Ud0r是整流侧换流变压器的阀侧空载电压，Ud0i 为逆变侧换流变压器的阀侧空载电压，可以通过调节换流变压器的分接头来调节该控制量， 由于其响应速度与上述触发控制角相比起来要慢得多，在交、直流系统发生故障的暂态过程 中，直流输电系统控制部分能够发挥的控制量只有整流侧和逆变侧的触发控制角α、β。

通过调节加到换流阀控制级的触发脉冲相位来实现直流线路电压、电流和功率的调节， 即调节整流器的触发角α或逆变器的触发越前角β(或熄弧角)。这种方式具有调节范围大、 控制速度快(一般1～10ms)等优点，换流器的快速控制可防止直流电流的剧烈波动，是保证 高压直流输电线路稳定运行的重要要求，是直流输电系统主要的控制手段。通过调节加在换 流器上的交流电压，即调节换流变压器分接头来实现对直流线路电压、电流和功率的调节。 分接头控制模式包括角度控制模式和电压控制模式。换流器的分接头开关是机械式的，调节 一档的时问通常需要5～15s的时间，响应时间较长，所以分接头调节只能作为辅助调节手段。 高压直流输电要求控制保护系统要完成以下基本的控制保护功能：(1)直流输电系统的起停 控制，高压直流输电系统的起动或停运是通过一定顺序对交直流开关设备的操作，换流器的 解锁或闭锁，完成功率按给定速率上升或下降等操作来实现。(2)输送功率的大小和方向控 制，对输送功率大小的控制是通过改变电流整定值来实现的，而直流功率的反向输送则是通 过改变直流电压的极性来实现。(3)抑制换流器非正常运行及对所连交流系统的干扰，当多 端HVDC系统的直流侧发生故障时，应迅速判断故障的线路并将其切除，使剩余系统尽快恢复 运行。(4)直流输电保护控制，发生故障时，进行控制系统切换以及保护动作，来保护换流 站设备，提高系统稳定性。(5)信息监控，对换流站、直流线路的各种运行参数以及控制系 统本身的信息进行监视，有利于及时发现异常，进行控制及保护。

如图2所示，通过调整发电机出力及负荷大小分析各稳定约束下的断面输电极限。主要 调整方式是：①调整发电机有功出力；②调整负荷大小；③发电机与负荷调整相互结合。调 整潮流的原则是先调整发电机有功出力，当无法满足各稳定约束时再调整负荷大小。调整过 程中借鉴反向等量配对调整法，为送端每一个增加出力的发电机到受端系统中与之配对的 发电机减少其出力，且调整量相等，尽量避免调整前后平衡机出力发生较大变化。负荷调整 按选定一批负荷，对其按同比例调整。调整过程中，由于系统网损变化引起的不平衡功率通 过平衡机自动补偿。分析时，首先选择运行方式，进行潮流分析，校验系统是否满足热稳定 约束，若满足，程序顺序执行校验N一1热稳定约束及其他稳定约束；若不满足，检查发电机 出力是否可以调整，重新选择运行方式，进行潮流分析等。如果热稳定约束及暂态稳定约束 可以满足，则进行小干扰稳定性校验，若小干扰稳定，计算完毕；若小干扰失稳，通过PSS 的配置来提高稳定极限，在满足所有稳定性约束条件下，最终求取输电极限。