（电力系统及其自动化专业论文）±800kv特高压直流输电内过电压仿真研究.pdf

华北电力大学硕士学位论 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文8 0 0 k v 特高压直流输电内过电压仿 真研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 撇一躲珥日期：芈 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：0 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日 飙甲1 7 华北电力大学硕士学位论 1 1 研究背景 第一章引言 与交流输电相比，直流输电具有如下特有的技术特点：不存在因输电距离而出现的 稳定性制约问题；可以方便的调节潮流；不增加交流系统的短路容量；特别适合于大功 率、远距离输电；从网络结构上彻底的根除了产生低频振荡的可能；在网络结构上隔断 交流故障的传递，是在网络结构上预防发生大面积停电事故的有效措施1 l1 2 j 3 1 。因此被 世界各国广泛采用。 ( i ) 国际国内直流输电发展概况 1 9 5 4 年，瑞典通过9 6 k i n 的海底电缆输送1 5 0 k v ，3 0 m w 的直流功率，被列为世界上 的一条高压直流输电( h v l ) o 线路。稍后，又有众多直流输电线路投入运行1 9 6 1 年英 法海峡线，电压l o o k v ，全长6 5 k m ；1 9 6 5 年伏尔加格勒一顿巴斯线，4 0 0 k v ，4 7 0 k m ； 1 9 7 7 年加拿大纳尔逊河线，4 5 0 k v ，8 9 0 k i n , 1 9 8 1 年扎伊尔因加一沙巴线，_ 5 0 0 k v ， 1 7 0 0 k m ；1 9 8 4 年美国太平洋岸联络线，_ 5 0 0 k v ，1 3 6 2 k m ；1 9 8 5 年巴西伊泰普线2 x 6 0 0 k v ，8 0 6 k i n 。至2 0 0 2 年世界上已成功投运的h v d c 工程达8 2 项。 2 0 年来，随着电力电子技术的发展，高压直流输电也得到了迅速发展。我国的h v d c 的起步比较晚，但发展很快。1 9 7 7 年建成3 1 k v 直流输电工业试验电缆线路。1 9 8 8 年建 成的舟山跨海输电工程电压1 0 0 k v ，功率5 0 m w 。葛洲坝一南桥线路，全长1 0 4 5 6 k m ，电 压5 0 0 k v ，输送容量1 2 0 0 m w ，1 9 8 9 年投入运行。三峡一常州_ 5 0 0 k v 直流工程，全长 8 9 0 1 盯，输送容量3 0 0 0 姗，2 0 0 3 年投入运行。三峡一广东5 0 0 k v 直流工程，全长9 4 0 k i n ， 输送容量3 0 0 0 m w ，2 0 0 4 年投入运行。为了实现直流工程建设全面国产化，国家电网公 司投资建设了西北一华北联网灵宝背靠背工程。该工程额定容量3 6 0 m w ，额定电压 1 2 0 k v ，实现了1 0 0 国产化，2 0 0 5 年投运。此外还有天广5 0 0 k v 直流工程，贵广 5 0 0 k v 直流工程，及新近投运的三沪士5 0 0 k v 直流工程等。 随着直流输电技术的日趋成熟，可靠性日益提高，同时大容量电厂的建设和电网的 不断发展，直流输电工程的参数也在不断的提高，向高电压大容量发展。 ( 2 ) 国内特高压直流输电的发展 华北电力大学硕士学位论文 从全国电网来看，西电东送、南北互供、全国联网是我国电网发展的总方针，也是 2 l 世纪国家能源工业建设的基本战略目标，以三峡输变电工程、西电东送为契机，“十 五”期间电网在我国得到较快发展。 建设百万伏级交流和8 0 0 千伏直流特高压电网对于满足国民经济的发展对电力工 业的要求、促进电力产业技术升级和可持续发展、提高输电走廊的利用率等均具有重要 意义建设特高压电网将有助于实现更大范围内的资源优化配置，实现跨大区、跨流域 的水火互济，变输煤为输电和提高能源的利用率。由于我国一次能源和负荷分布的不平 衡，我国能源资源大部分在西部，而电力需求则集中在东部。长距离地将电力从西部输 送到东部不可避免，现有电网主要以5 0 0 k v 交流系统和+ 5 0 0 k v 直流系统为主，由于 5 0 0 k v 交流系统输电距离相对直流较短，使电力输送能力和规模受到严重制约。而特高 压电网输电距离可达1 0 0 0 k m 至1 5 0 0 k i n ，可更好地满足经济发展对电力的需求。特高压 电网建成后，可以减少发电装机2 0 0 0 万千瓦，每年减少发电煤耗2 0 0 0 万吨，年综合节 电效益可达1 0 0 0 亿千瓦时以上。1 0 0 0 k v 交流输电方案的单位输送容量投资约为5 0 0 k v 交流输电方案的7 3 。对直流特高压比较的结论是：8 0 0 k v 直流输电方案的单位输送 容量投资约为_ + 5 0 0 k v 直流输电方案的7 2 。从技术经济比较的结果中我们可以看出采 1 用特高压输电能够大大节约输电投资”1 。 从建设和规划来看，西南水电蕴涵总发电量9 7 0 0 万千瓦。金沙江水电送出系统由 于输送容量比较大，并综合各种因素，直流输电工程是最可能采用的输电方案。金沙江 一期溪洛渡、向家坝电站输电方案论证过程中，金沙江水电资源将主送华东、华中，其 中一期向华东电网送电约为1 0 5 0 万千瓦，送电华东距离为1 8 0 0 2 1 0 0 公里，综合考虑 将采用特高压直流输电方案。拟采用8 0 0 k v 直流输电系统，双极额定输送功率 6 4 0 0 m w ，输电距离1 9 0 0 k i n ，每极采用两个1 2 脉动换流器串联，因此特高压直流输电 的相关研究迫在眉睫，对特高压直流输电的过电压问题的研究也一直是该研究领域的重 点问题。目前国际上已建成并运行的直流输电工程的最高额定电压为6 0 0 k v ( 巴西依 泰普) ，而土8 0 0 k v 直流输电工程的额定电压比6 0 0 k 7 要高的多，又无运行经验，所以 有必要进行深入细致的研究工作。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 过电压研究的发展与现状 国内外对交直流系统过电压方面已进行过很多研究工作，关于直流输电过电压最后 概括为国际和国内的标准和导则，例如文献 5 。国际大电网委员会( c i g r e ) 等组织对 此也提出过许多标准 6 7 8 9 。这些标准都是过电压与保护绝缘配合的标准。关于 实际工程也有大量的研究成果。 1 2 1 交流系统过电压研究现状 交流特高压工程的建设包括变电和线路( 输电) 两部分，涉及特高压输变电设备的 制造、输变电系统的绝缘配合、电磁环境、输电系统的电磁暂态问题等研究内容。输变 电电气设备和线路合理的绝缘水平的确定是影响整个工程技术经济指标的一个重要因 素。电气设备和线路在运行中除要长期承受额定工作电压以外，还必须承受各种原因引 起的波形、幅值及持续时间各异的过电压。通常情况下这些过电压的参数在绝缘水平的 确定中起着决定性的作用。设备在运行中可能承受的电压主要有：正常运行条件下的工 频电压( 不超过设备的最高工作电压) 、暂态过电压( 包括工频电压升高) 、操作过电压 及雷电过电压。国内对特高压及7 5 0 k v 高压交流输电过电压方面有过一定研究：文献 1 0 以晋东南一南阳输电工程为例对1 0 0 0 k v 交流工频暂态过电压进行了研究；文献 1 i 讨 论了1 0 0 0 k v 电网操作过电压及相位控制等问题，提出采用相控措施抑制过电压；文献 1 2 总结了国外特高压交流过电压研究成果；文献 1 3 t 4 1 5 对7 5 0 k v 过电压进行了 研究，文献 1 3 采用e m t p - - r v 对过电压进行了仿真，通过和实测波形对比证明使用该 软件仿真是有效的。 1 2 2 直流输电过电压研究现状 关于直流输电系统过电压方面的研究，取得了一些成果：文献 1 6 采用电磁暂态 程序( e m t p e ) 为主要研究工具，以天广土5 0 0 k v 直流输电系统为研究对象，研究了全压误 启动、换流阀丢失触发脉冲、阀顶及阀桥引线故障、直流线路故障及逆变站甩负荷等引 起的过电压，逆变侧甩负荷在逆变侧交流母线过电压为1 7 p u ，对比了整流侧孤岛、 交直流并联方式两种情况直流紧急停运整流侧交流母线过电压( 直流单极运行，并联方 式电压升高为8 9 6 ，孤岛方式3 7 ；直流双极运行，并联方式提高1 2 ，孤岛方式4 0 ) ； 文献 1 7 使用e m t d c 对天广_ 5 0 0 k v 直流输电系统过电压进行了研究，区别于 1 6 的是 对于系统的丰大、丰小、枯小方式进行了分别研究；文献 1 8 1 研究了灵宝背靠背直流工 3 华北电力大学硕士学位论文 程过电压，应用e m t d c ，整流器、逆变器采用详细换流阀模型，控制系统采用真实换流触 发控制( c f c ) 模型；文献 1 9 同样针对灵宝背靠背直流输电工程，提出了通过优化最后 一台断路器跳闸的控制保护系统降低过电压的思路，不足之处是没有通过仿真验证其正 确性；文献 2 0 针对具体直流背靠背工程，应用新一代e m t p 软件e g r p - - r v 进行仿真建 模，通过对最后一台断路器跳闸不同控制保护动作时间的过电压比较，得出了重要的结 论；文献 2 1 使用e m t d cv 3 0 对士5 0 0 k v 三峡一广东直流输电工程的过电压进行了分析 和研究，重点研究了中性母线避雷器和直流极线避雷器，其中双极额定工况最后一台断 路器跳闸，逆变侧交流母线过电压为7 5 9 k v 相比5 0 0 k v 国内外对于8 0 0 k v 直流输电系统过电压研究并不多：文献 2 2 讨论 了8 0 0 k v 特高压直流输电线路外绝缘的相关问题，指出外绝缘的重要性，而作为外绝 缘设计基础的过电压研究并没有被提及。国外已运行的最高电压等级的直流输电工程是 r j 巴西的6 0 0 k v 的伊泰普直流输电工程”1 ，该工程的输送容量为6 3 0 0 栅，已有近2 0 年的 运行经验。国际大电网委员会( c i g r e ) 与美国电气工程师学会( i e e e ) 合作进行了 6 0 0 k v ，士1 0 0 0 k v 和1 2 0 0 k v 电压等级的直流输电技术研究，a b b 公司也开展了相关的 研究工作。但关于8 0 0 k v 直流输电系统绝缘配合目前仍没有通用技术标准”1 。 1 3 _ * 8 0 0 k y 特高压直流输电过电压的研究意义 与交流输电工程一样，高压直流输电系统也承受操作、故障、雷电等引起的过电压， 直流过电压和绝缘配合就是寻求一种避雷器配置和参数选择方案，保证换流站所有设备 ( 包括避雷器本身) 在正常运行、故障期间及故障后的安全，并使得全系统的费用最省。 因此，过电压和绝缘配合研究，对于直流系统来说，是一个非常重要的课题，直接与设 备的绝缘水平和运行的可靠性相关。相比5 0 0 k v 高压直流输电，对于8 0 0 k v 特高压直 流而言，由于输送的功率更大，运行电压水平更高，交直流故障可能造成的危害也更严 重，对设备的绝缘水平要求也会相应提高。目前国际上已建成并运行的直流输电工程的 最高额定电压为4 - 6 0 0 k v ，而8 0 0 k v 直流输电工程的额定电压比6 0 0 k v 要高的多， 又无运行经验。对8 0 0 k v 特高压直流是将目前5 0 0 k v 、6 0 0 k v 下的过电压结果和绝缘 配合方案照搬，还是通过细致的仿真计算，寻求可能降低过电压水平的过电压保护方案 和尽可能利用直流快速控制保护特点来降低过电压水平，从而降低设备地绝缘水平，在 4 华北电力大学硕士学位论文 保证设备安全和可控性的前提下，提高整个系统地经济性，仍是- - 8 0 0 k v 直流研究领域 世界关注的课题。因此作为绝缘配合基础的过电压研究更是十分必要的。 1 4 本文所做的工作 1 4 1 工作主要内容 基于上述对8 0 0 k v 特高压直流输电内过电压研究重要性的认识，本论文从交直流 系统过电压对比入手，总结直流输电内过电压在各种故障情况产生的特点，对比各种输 电线路仿真模型及各种仿真软件。以国内某特高压直流输电工程为研究对象，建立 * 8 0 0 k v 特高压直流输电过电压研究模型，包括必要的控制保护系统，在此模型基础上 对相关故障情况产生的过电压进行了研究，论文工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 从交直流系统过电压对比入手，分析相关故障情况直流输电系统的内过电压以及 其特点； ( 2 ) 对比输电线路仿真模型以及仿真工具的特点，为仿真工作夯实基础； ( 3 ) 选择适合本文研究工作的仿真软件进行直流输电系统模型建立：+ 8 0 0 k v 直流输 电系统主接线方式，控制保护系统的建立，达到直流稳态运行要求； ( 4 ) + 8 0 0 k v 直流输电系统内过电压的仿真计算。借鉴我国以往+ 5 0 0 k v 级宣流输电 系统中对直流输电系统过电压研究的经验，对+ 8 0 0 k v 特高压直流输电产生过电 压的故障进行研究：交流系统发生故障；直流最后一台断路器跳闸；丢失触发脉 冲；直流线路故障等进行研究，并对影响直流线路过电压的相关因素进行研究； ( 5 ) + 8 0 0 k v 特高压直流输电控制保护对内过电压影响的研究。影响直流输电系统过 电压幅值和持续时间的因素除操作( 故障) 种类外，还与换流站两侧交流系统网 络结构、直流控制保护、避雷器的保护水平等因素有关，因此本文还将对部分故 障情况下控制保护系统参数对过电压的影响进行研究。 1 4 2 预期成果 ( 1 ) 通过对比，选则适于+ 8 0 0 k v 特高压直流输电内过电压研究的输电线路模型及仿 真工具。 ( 2 ) 建立_ _ _ 8 0 0 k v 特高压直流输电系统过电压研究模型，包括控制保护系统。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 考虑交直流故障下的直流过电压情况，结论将对8 0 0 k v 特高压直流输电系统的 绝缘配合提出基础性过电压数据，对减少特高压直流输电的绝缘设计费用起着重 要的作用。 ( 4 ) 在此基础上，研究影响+ 8 0 0 k v 特高压直流输电内过电压其它因素，对直流控制 保护系统对过电压水平的抑制情况进行专门研究。研究结论将对抑止直流输电过 电压提出了一种新的思路。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章4 - 8 0 0 k v 直流输电内过电压的研究基础 2 1直流系统和交流系统过电压的比较 由于历史原因，交流系统的过电压方面已进行了比较充分的研究，也有比较成熟的 技术标准。与此相反，在直流输电的过电压方面研究的还不多，为了更好的对1 8 0 0 k v 直流输电内过电压进行研究，下面对交、直流系统的过电压进行比较【2 l ，详见表2 1 。 表2 1 直流系统和交流系统过电压比较 直流系统交流系统 侵入换流站的雷电波，由于有直侵入变电所的雷电波，由于有避雷 雷击过电压 流电抗器，滤波器，避雷器等的器的限制，基本上没有问题 限制，不至于引起问题； ( 1 ) 传递到换流站的过电压随变传递过电压随变压器特性、所加过 压器、滤波器、阻尼回路等条件电压波形不同而异。与直流系统一 从交流系统传递过来的 的不同而异其最大值取决于变样，采用保护装置加以限制是可能 压器的变比的。但在操作波从低压侧向高压例 过电压 传递的情况下，在低压侧容许的最 ( 2 ) 一般采用换流站侧避雷器进 行过电压保护，但在直流系统的 大倍数，传递到高压侧就会超过高 线问也必须用避雷器保护 压侧容许值而引起问题。 ( 1 ) 因不使用直流断路器而不存( 1 ) 这是交流系统中最有代表性 在问题； 的过电压，也是输电线设计时所依 ( 2 ) 投切换流母线上的滤波器及 据的基本过电压。对各电压等级容 使用断路器所产生的 无功电容器时会产生过电压。 许最大如下： l v5 0 02 7 5 1 5 4 3 3 过电压 k p u 2 02 83 34 ( 3 ) 直流系统运行时逆变侧交沛 断路器断开时，会产生较高过电 压。 ( 2 ) 断路器开断负荷时，电压最 高1 3 倍左右 换流器工作与故障所产生的 ( 1 ) 逆变侧开路时进行全压启 动，线路将充电到2 倍过电压； 过电压 ( 2 ) 阀故障引起的过电压 直流线路接地时，在两端换流站接地时的暂态过电压形式和直流 线路接地、断线所引起的中产生的暂态过电压。应根据换系统相同。在线路上最大为2 1 倍 过电压流站电气接线及避雷器布置等进左右。 行详细研究 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 直流输电内过电压研究的内容 2 2 1 内过电压分类 直流输电系统的过电压分为外部( 雷电) 过电压和内部过电压。电力系统内过电压 是指由于电力系统故障和或开关操作引起电网中电磁能量的转化，从而造成瞬时或持 续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电压升高。内部过电 压是电力系统中的一种电磁暂态现象。内部过电压分为操作过电压和暂时过电压两大 类。 操作过电压是由断路器及刀闸和系统故障引起的暂态过渡过程，既包括断路器的正 常操作，例如线路和变压器、电抗器等的合闸过电压和故障后线路的重合闸过电压等； 也包括各种分闸以及故障及其清除过程引起的过电压。操作过电压有幅值高、存在高频 振荡、阻尼较强一级持续时间短等特点。 暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。工频过电压的频率为工频或者接紧工 频；由于出现串并联谐振而产生的过电压为谐振过电压。 2 2 2 直流输电过电压 本文参考5 0 0 k v 实际工程调试中过电压的情况【硼嘲口6 1 吲，总结推断对8 0 0 k v 特高压直流输电系统能在交直流设备上产生过电压的主要操作( 或故障) 有： ( 1 ) 交流系统发生故障； 交流系统故障是电力系统常见的故障之一，当故障发生在换流站交流出线靠近换流 母线侧时，产生的过电压较高。对控制保护系统的要求是：直流系统在发生交流接地故 障时，直流系统保护不动作；当交流系统断路故障清除后，直流系统应该能迅速恢复输 送功率，交流系统能保持稳定【研。 ( 2 ) 直流系统保护动作而进行的紧急停运； 直流系统停运包括正常停运和紧急停运两种。 直流输电正常起停原理直流输电系统的起动，采用逐渐升压的方式，以免产生过 电压。通常采用逐渐增大整流器电流调节器的电流整定值，使整流器的直流电流逐渐增 大的方法起动。起动的过程大致如下：首先起动逆变器，并使艿角等于最大的上限值( 上 限值小于或等于9 0 。) ，然后按口= 9 0 。触发整流器，同时使调节器的电流整定值按指数 8 华北电力大学硕士学位论文 上升。通过电流调节器的作用，整流器的直流电流也跟随上升。在逆变侧，当直流电流 达到一定数值时，起动装置便自动逐步减小口角。一直到直流电流抵达额定值，这种起 动方式成为软起动，起动时问一般为1 0 0 2 0 0 毫秒。 直流系统的停止，可采用与软起动类似的方法，通过整流侧电流调节器，使直流电 流跟随整定值逐步下降。这时逆变侧的电流调节器也跟随着使口角加大，直至达到上限 值。当直流电流等于零时，停送换流器的触发脉冲，停止过程结束 直流系统紧急停运( e s o f - - e m e r g e n c ys w i t c ho f fs e q u e n c e ) 包括整流站紧急停 运和逆变站紧急停运：整流站紧急停运，则换流阀立刻闭锁，此时在直流侧无过电压； 若是逆变站紧急停运，则首先在逆变站投入旁通对，然后整流站阀闭锁( 整流器的触发 相位迅速增加到口= 1 0 0 。1 3 0 。，使其转入逆变运行状态，于是平波电抗器和线路电感、 电容中存储的能量迅速送回交流系统。当电流下降到一定程度时整流侧阀闭锁) 。在上 述两种紧急停运工况下，由于交流母线上无功补偿设备不能立即切除，均可能产生在交 流侧较高的过电压。 ( 3 ) 带电投交流滤波器、直流滤波器 直流系统运行中，两侧的换流站都需要吸收一定的无功。直流系统在两侧换流解锁 前很短的时间内先投入一组交流滤波器组，解锁后立即投入一组交流滤波器组。此称为 最小滤波器组配置。随着直流输送功率和直流电压等条件的变化，投入的交流滤波器组 数也相应增加或减少，以满足直流系统的无功和谐波要求。 投交流滤波器操作在交流母线和交流滤波器设备上产生暂态过电压，其过电压的大 小与避雷器保护水平、断路器投入相角和滤波器参数等因素有关。如断路器带有选相合 闸功能则能降低合闸过电压。以贵广+ 5 0 0 k v 直流工程为例，断路器采用a b b 的s f 6 断路 器，交流滤波器合闸在交流母线产生的过电压相对地最大值为1 2 2 p u ( 交流额定运行 最大电压l p u = 4 4 9 k v - - - - 5 5 0 j x 三) 。 投切直流滤波器会在直流设备上产生过电压，贵广5 0 0 k v 直流工程投切直流滤波 器在直流极线上产生的过电压为1 2 9 p u ( 直流侧额定运行最大电压l p u = 5 0 0 k v ) ( 4 ) 丢失触发脉冲( 换相失败) 故障 在直流系统运行中，有时会因某些操作在逆变站发生换相失败。此外，在系统运行 中，两侧换流站的换流阀有时会由于某些原因发生丢失脉冲或换相失败。 直流系统正常运行中由于换流阀丢失触发脉冲而导致换相不正常时，会将工频交流 9 华北电力大学硕士学位论文 电压引入到直流系统中，从而导致换流站极线、直流滤波器和中性母线上出现较高的过 电压，因此需要研究整流站和逆变站换流阀丢失触发脉冲而引起的过电压问题。在研究 过程中应考虑长时间丢失触发脉冲导致直流闭锁情况下产生的过电压。 ( 5 ) 直流侧接地短路故障 包括换流站出口和直流线路中点对地故障、阀桥和换流变压器至阀桥引线故障时引 起的过电压研究。 ( 6 ) 大地运行方式转金属运行方式 直流系统在大地运行方式下，两侧换流站中性母线经几十公里接地极线路到接地 极，因而，两侧换流站中性母线的电位均是直流电流流经接地极线路上产生的压降，电 压降较低，所以，单极大地运行方式下，两侧换流站中性母线的电压较低。 在单极金属运行方式下，逆变站一点接地，整流站中性母线上的电位则是极线电流 流经直流线路上的电压降，由于直流线路较长，故整流站中性母线上的电位有一定的升 高，其电位升高值与极线电阻和流经极线电流的大小有关。因此在单极大地运行方式转 金属运行方式时会产生过电压。 ( 7 ) 逆变侧最后一台断路器跳闸 逆变侧最后一台断路器跳闸( t h e l a s t b r e a k e r t r i p ) ，由于直流保护动作需要一定时间， 此时交流母线上连接着交流滤波器而直流系统仍在运行，因此会在交流场设备及直流换 流器上产生很高的过电压，对于直流输电系统换流器和交流场设备是一个严峻的考验， 也是系统调试中一个重点试验项目。以往研究中提出逆变侧最后一台断路器跳闸的过电 压与直流控制保护系统有一定关系，本文将在此基础上对此进行深入研究。 由于篇幅所限，本文主要研究直流输电内过电压中的交流系统故障、逆变侧最后 一台断路器跳开、逆变侧1 极丢失触发脉冲以及直流线路故障产生的过电压进 行仿真研究。 2 3 输电系统线路模型 模型的准确选用是仿真研究的基础，输电线路模型的准确性会直接影响与输电线路 相关的故障仿真准确程度，下面对几种常见的输电线路模型进行研究：p i 段、贝杰龙模 型、频率模型等。 华北电力大学硕士学位论文 1 、p i 段 p i 段模型可以正确的表示基频阻抗，但除非应用非常多的p i 段否则不能正确表示 其它频率下的阻抗，也不能正确表示线路基于频率的其它参数( 例如集肤效应) ，p i 段 模型在行波模型( 例如贝杰龙模型和基于频率模型) 不适用的短线情况使用。 2 、贝杰龙模型 贝杰龙( b e r g e r o n ) 思想的核心用分布的l j c 参数行波线路模型加之集中的电阻参 数，其具有恒定的波阻抗。贝杰龙模型以分布的方式表示了一个p i 段中的l 和c ，除电 阻外把l 和c 近似等效成无限的p i 段，像p i 段模型一样，贝杰龙模型能够精确的表示 基频阻抗。除了在其它频率下的损耗不变外，它也能表示其它频率下的阻抗。这种模型 非常适用于重视基频潮流研究的情况，例如继电保护研究。 ( 1 ) 从单相无损线出发，基于贝杰龙法从一端点看进去的无损线等效电路相当波 阻抗与一个等效电流源并联( 图2 - 1 ) ，该电流源反映了另一端点历史值对此端点的影响 又称历史电流源，等效的两个端点在拓扑上没有联系。 p l 棚 e 图2 - i 单相无损线的贝杰龙模型 其中：z = 特征阻抗 q r = 整个线路电阻 q 百= 传播时间 s 传播时间【和特征阻抗z 与线路电抗和电容有如下关系 【= f 压石( 2 1 ) z = 后 眨2 ， 华北电力大学硕士学位论文 其中：j输电线路的长度 l电抗呻单位长度 c电容i f 单位长度 当线路长度大于光速( 输电线中电流的传播速度近似为光速) 乘以仿真步长时，相 比之下输电线路模型在贝杰龙模型与p l 型等效线路间选择前者。例如一般情况下仿真 步长为5 0 微妙，输电线路的长度应大于1 5 k i n 时适于选贝杰龙模型。 ( 2 ) 多相耦合导体模型。以上仅对单一分布参数输电线路进行了分析，电力系统 中大多数情况下输电线路含有耦合的多相导体，下面对这种情况进行分析。计及耦合参 数三相输电线，采用模量变换的方法进行解耦。解耦后依贝杰龙法在模域内建立线路模 型，再反变换到相域中。由于转换矩阵中波阻抗和传输时间在高频下仍是稳态情况的数 据，因此贝杰龙模型表示的线路在高频时不是很精确。输电线路的低频应该是所研究系 统中的基本频率，对于交流系统而言，一般为5 0 h z 或者6 0 h z ；对于直流输电线路，一 般认为5 h z 为低频，波阻抗和传输时间都应基于低频进行计算。 贝杰龙模型另一个优于p i 段重要一点是：在高频状态下不会引入人工谐振( m i f i c i a l 嘲o n a n ) ，而这一点正是当采用有限p i 段模拟输电线路产生的。 3 、基于频率的线路模型 基于频率的线路模型能够表示线路基于频率变化的所有参数，这种模型的运行需要 的时间比贝杰龙模型更长，但对精确研究频率变化范围大的线路是必要的。 由于贝杰龙法不考虑频率的相关性，不适于研究波形的畸变。计及频率相关参数的 模型是由解频域中的微分方程，然后变成时域而得到的。对此，较为典型的方法有3 种： ( 1 ) b u d n e r 导纳配制法( 线路导纳权函数法) ”，该算法基于二端口网络的思想，建立 网络的节点方程求出导纳矩阵，再通过离散傅里叶变换( o f t ) 转换为时域，该算法中卷 积求值较为困难；( 2 ) s h e l s o n 行波法( 前反行波权函数法) ，对上述方法中的权函数 进行了简化，已被应用于e m t p 暂态仿真程序中。但该算法在低频下影响权函数的计算 精度；( 3 ) m a r t i 法”“，该算法忽略了对地电导，采用一个所有频率响应与线路波阻抗 相匹配的网络来近似，故不要求对权函数尾部进行精确计算，使计算速度大大加快。频 域分析方法得到广泛应用。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 综上，贝杰龙模型虽优于p i 段模型，但和频率模型相比无法精确模拟波形畸变的 情况，由于本文进行的过电压研究需要考虑各种故障，可能包含频率变化的情况，因此 选定频率模型模拟输电线路。 2 4 仿真软件 为了研究电力系统暂态和动态现象对电网规划、设计和运行的影响，对电力系统的 暂态和动态进行模拟是必须的。用于电力系统分析的仿真工具有3 类： ( 1 ) 混合仿真器( 如i r e q 和c e p r i 的仿真器) ； ( 2 ) 离线数字仿真软件包( 如e m t p 及其派生的软件) ； ( 3 ) 实时数字仿真器( 如魁北克水电局的h y p e r s i m 和盯d s 公司的r t d s ) 。 对仿真技术要求应包括如下所有项目： ( 1 ) 模型的精确度和可信度； ( 2 ) 模型的功能和灵活性； ( 3 ) 完成一项复杂任务的速度和系统规模； ( 4 ) 实时状态下的重复性仿真模式。 由于离线数字仿真技术的发展，目前的数字仿真软件已经被应用于许多研究中，下 面就分别介绍数字仿真软件中的机电暂态仿真软件和电磁暂态仿真软件。 2 4 。1 机电暂态仿真软件 目前国内普遍使用的交直流电力系统机电暂态仿真程序有：p s s e 、n e t o m a c 、 s i m p o w 、b p a 、p s a s p 等。以b p a 为例，图2 2 为b p a 程序总框图，说明了潮流程 序与稳定程序间的联系，求解稳定程序是以潮流计算为基础。稳定程序有保存原始数据 的功能，用户可通过保存的数据文件输入大部分稳定数据，这对于以相同基础数据进行 一系列不同扰动方式下的稳定研究是很有用的。稳定程序运行可以通过设置f f 卡实现 变步长，在最后一次操作过后一定时间内，可加大步长，以缩短计算时间( 这点区别于 p s a s p 的定步长) 华北电力大学硕士学位论文 纛 满透幽 蝓出 氇宅岸 文件 翰帆鞋择文件 掰旄峨文捧 器圆圈瘸妇i 竺竺i 图2 2b p a 程序总框函 机电暂态仿真软件所采用的直流输电系统模型都是平均值模型【2 8 l ，即所谓的准稳态 模型，直流输电系统的平均值模型在以下基本假设条件下导出：换流器母线的三相交流 电压是对称平衡的正弦波；换流器本身的运行是完全对称平衡的：直流电流和直流电压 是平直的；换流变压器是无损的且激磁电流可以忽略。通常在机电暂态仿真时可假定上 述后3 个基本假设条件成立，但第1 个基本假设条件不能保证其恒成立，因为交流系统 不对称故障期间使得换流站交流母线的电压不再对称。因此准稳态模型在交流系统不对 称故障期间不适用，在实际计算时必须注意模型的适用性。目前电力系统中普遍使用的 机电暂态仿真程序，对交直流系统不对称故障期间的仿真计算是不严格和不精确的。综 上所述，机电暂态仿真软件无法进行详细直流输电系统过电压研究( 工频过电压除外) 。 2 4 2 电磁暂态仿真软件 电力系统电磁暂态仿真程序常见的有各种版本的e ) a t p 程序，以及由加拿大 m a n i t o b a 直流输电研究中心开发的p s c a d e 盯d c 程序和由西门子公司开发的n e t o m a e 程序等。电力系统电磁暂态仿真程序的主要特点是： ( 1 ) 考虑系统某一局部的详细动态过程，而将待研究之外的系统做一定的等值，传统 上只用于研究持续时间短的过程，如大气过电压和操作过电压问题( 过程持续的 时间在几十毫秒内) ，h v d c 输电和f a c t s 等电力电子装置问题以及次同步振荡 电磁谐振等问题上。 啐勤 一隶挣一 一蚋 瞒孟型丽 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 数学模型上，根据研究过程的不同，发电机模型可以是相当简化的等效电源模型， 也可以是详细的p a r k 方程模型，甚至是考虑转子多刚体结构的模型，电力网络采 用相坐标系统，即采用a 、b 、c 三相模型，且必须用微分方程描述，系统中的物 理量是瞬时值，而不是相量。 2 4 2 1 电磁暂态程序e m t p 电磁暂态程序e m t p 是i - ld o m m e l 在美国邦维尔电管局( b p a ) 开发的。它原理上 的简单性使得电感( l ) 和电容( c ) 可以用一个电阻加初始( 历史) 状态来描述。该程 序采用梯形积分公式将微分方程化为差分方程求解，具有既简单又快速的特性。网络方 程采用节点分析法得到。e m t p 在矩阵求逆时采用了稀疏技术和l u 分解技术，使得大 系统的求解相对快速省时。用户设定的积分步长在整个仿真过程中保持不变。控制系统 暂态分析( 1 ：f c s ) 子程序加强了e m t e 程序的功能，从而可以将控制系统加入到仿真 中。这一子程序后来被另一个功能更强大的子程序m o d e l s 所代替。 e e l ? 很快就成为电力系统的标准分析工具，后曾改版为a t e ( a l t e r n a t i v et r a n s i e n t p r o g r a m ) 程序。起初，改版程序的开发是由b p a 支持的，但随着基于电力电子开关和 电压源换流器的f a c t s 装置的模拟需求越来越大，e m t p 性能上的一些缺点就变得越 来越明显了。原始e m t p 版本中的一些缺点为： ( 1 ) 采用固定的积分步长，不能有效处理无开关动作的相对长的时间段。这就不必要 的延长了仿真时间，并产生大量需要处理的数据。这在仿真电力电子换流器时很 明显。 ( 2 ) 采用固定步长导致被模拟的开关切断感性电流，从而引起数值振荡。 ( 3 ) 采用梯形积分公式，需要求逆的网络导纳矩阵出现奇异时，会引起数值振荡。这 是将开关元件模拟成理想开关而不考虑其中非线性特性时的直接结果。 ( 4 ) 用于仿真控制器的t a c s 子程序与主程序之间存在一个时间步长的延迟。 ( 5 ) 采用新型电压源换流器后，1 个周波中存在很多次开关动作，这使得开关动作引 起的“抖动”更加严重。 ( 6 ) 缺少友好的输入界面和输出处理器。 华北电力大学硕士学位论文 e m t p 开发协调小组( d c g ) 已做了大量的工作来重构这一程序，其结果是开发出 了最新的程序版本e m t p w o r k sr v ( r v 一重构版本) 。这一版本完全重写了原始程序的 代码并且添加了输入界面和输出结果处理器。程序已有效用于相关研究中i 埘【加l 。 2 4 2 1 电磁暂态程序p s c a d e m t d c p s c a d e m t d c 是基于d o m m c l 算法( 即e m t p 算法) 的第2 代电力系统仿真软 件包。由于原始e m t p 程序的固有局限，如缺乏对用户友好的输入和输出界面等，使 p s o 蛐忸 r m c 获得了成功。该软件包起初是用f o r t r a n 7 7 编写的，其发布的v 3 和 v 4 版本源代码和f o r t r a n 9 0 兼容。 e m t i ) c 程序起初是作为一个研究项目在2 0 实际7 0 年代中期由加拿大m a n i t o b a 水 电局工程师和m a n i t o b a 大学的研究人员开发的。然后，这些开发人员成立了新的机构 被称为m a n i t o b ah v d c 研究中心，成立于1 9 8 1 年。近年来已将插值算法加入到该程序 中，这样能够更精确的模拟电力电子开关。对于大规模电力系统的仿真，可以把网络分 成多个较小的子网，各子网通过输电线路相连接。这样由于输电线路送端和受端之间的 时间延迟，各子网可以有效的被解耦。对单个子网的求解，采用基于稀疏矩阵的高斯消 去法具有非常高的效率。 p s c a d e m t d c 的主库包括如下元件： ( 1 ) 网络元件：无源r l c 元件、带饱和特性的变压器。参数随频率变化的输电线路 和电缆、同步电机和感应电机、断路器、避雷器、电源； ( 2 ) 控制模块：微分环节、延迟环节、差分延迟环节、积分环节、限幅环节、复数极 点、实数极点、超前滞后环节、阻尼环节、计时环节； ( 3 ) 电力电子器件：晶闸管，二极管和g t o 、6 或1 2 脉动h v d c 换流桥、s v c 、 s t a t c o m ； ( 4 ) 侧量表计：电压电流有效值表( 单相或者三相) 、有功和无功表、峰值测量表、 相角测量表、频率测量表。 除上面已列出的元件之外，程序中还有很多电动机模型、新的控制函数、输电线路以及 变压器模型等。 p s a 蜘忸m t d c 程序换流器模型采用的是详细模型，克服了准稳态模型的缺点，集 成了触发、阀解闭锁控制和触发角，熄弧角测量，包括了阀阻尼回路和锁相环，换流器模 华北电力大学硕士学位论文 型详见图2 - 3 。由于计算步长为微秒级，同时采用插值算法，可以精确确定可控硅的通 断时刻。通过设置，可以和实际直流输电工程一样，测出阀桥中最小的熄弧角，从而对 交流系统在对称故障和不对称故障情况下直流系统的响应进行准确的分析。除此之外还 具有s n a p s h o t 功能，可以实现从给定历史点开始运行的功能，在相关研究中能够大大减 少程序运行时间。 图2 门p s c a d i 珈t d c 换流器模型 综上p s c a d e m t d c 程序具有其它仿真软件所没有的优点，能够更好的满足本文 研究中要探讨的问题，因此选用p s c a d e m t d c 仿真软件，建立8 0 0 k v 直流输电系 统过电压仿真模型并对其进行仿真研究。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章- , - 8 0 0 k v 直流输电仿真模型 根据国网公司系统和规划部门的研究，金沙江一期水电外送拟采用特高压直流，该 工程额定运行直流电压为4 - 8 0 0 k v ，双极额定输送功率6 4 0 0 姗，每极采用两个1 2 脉动换 流器串联；南方电网公司云南水电送出同样采用特高压直流输电，与金沙江特高压直流 所不同的是，云广特高压直流双极额定输送功率5 0 0 0 姗。 整流和逆变站考虑了4 0 0 k v + 4 0 0 k v 和5 0 0 k v + 3 0 0 k y 两种两个1 2 脉动换流器串联方 式。2 0 0 6 年3 月，国网公司明确针对向家坝一南汇土8 0 0 k v 特高压直流工程开展研究， 确定直流线路长度为2 0 7 1 1 m ，整流和逆变站均采用4 0 0 k v + 4 0 0 k v 两个1 2 脉动换流器串 联方式；云广8 0 0 k v 特高压直流输电直流线路长度1 5 0 0 1 m ，整流和逆变站同样采用 4 0 0 k v + 4 0 0 k v 两个1 2 脉动换流器串联方式。 1 2 脉动换流器是由两个6 脉动换流器在直流侧串连而成。其交流侧通过换流变压器 的网侧绕组并联到交流系统。换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，而另一个为三角 形接线，从而使两个6 脉动换流器的交流侧得到相位相差3 0 。的换相电压。1 2 脉动换 流器可以采用两组双绕组的换流变压器，也可以采用一组三绕组的换流变压器。 1 2 脉动换流器由v l v 1 2 共1 2 个换流阀组成。每一个工频周期内有1 2 个换流阀轮 流导通。需要1 2 个与交流系统同步的按序出发脉冲。脉冲之间间距3 0 。 3 。1 直流主回路接线 整流和逆变站均采用双极、每极4 0 0 k v + 4 0 0 k v 两个1 2 脉动换流器串联接线方式。图 3 _ 1 是其一极主接线和金属氧化物避雷器( 简称避雷器) 布置示意图。 可以构成的接线方式有：双极大地回线，单极大地回线，单极金属回线。 匝橱惜喇恬稚衄戏雹足繇颦州肇l餐媛鞲【-匝 馘秘掣扑_千隧扑kr脚舄斟 华北电力大学硕士学位论文 3 2 避雷器的布置 自从2 0 世纪7 0 年代后期，高压直流换流站的过电压保护就全部以金属氧化物避雷 器为主。因为它们在系统中串联或相互并联工作可靠，与有间隙s i c 避雷器相比有其优 良的保护特性。避雷器的实际布置取决于高压直流换流站的布置结构和输电回路的接线 方式。基本原则是每个电压等级和接于该等级的设备应得到足够的保护，其成本要与设 备所期望的可靠性以及设备耐受能力相匹配。对于直流输电工程，不论是内过电压，还 是雷击过电压，主要是通过金属氧化物避雷器( m o a ) 加以限制保护。所以，m 0 对直 流输电工程的绝缘配合和工程造价起着非常重要的作用。选择避雷器保护方案的基本原 则： ( 1 ) 在交流侧产生的过电压，应尽可能用交流侧的避雷器加以限制。 ( 2 ) 在直流侧产生的过电压，应由直流线路避雷器、直流母线避雷器和中性母线 避雷器等加以限制。 ( 3 ) 关键的设备应由与该设备紧靠相连的避雷器保护，如阀、交流和直流滤波器 设备等，应分别由各自紧靠连接的避雷器保护。 从绝缘配合来说，当然是m o a 保护水平越低越好。但m o a 保护水平取的过低， 会使其吸收的能量过大，即需要的m o a 只数或体积非常大，这势必给m o a 的制造带 来困难，也增大m o a 制造成本。所以，确定m o a 的保护水平和吸收能量一般是通过 详细的电磁暂态计算，使得被保护设备上的暂态过电压水平和雷电过电压水平尽可能 低，但又不使m o a 的造价太高。 m o a 的安装位置一般是通过雷电过电压计算来确定，而m o a 的吸收能量主要是 通过操作过电压计算来确定。 对于一个双极每极1 2 脉动的高压直流回路方案，换流桥交流侧和直流输电回路之 间典型的避雷器布置见图3 1 。 在高压直流换流站的交流侧，相对地避雷器( a ) 对换流器交流母线和交流滤波器 母线进行保护。 直流侧或地极引线产生的过电压，由直流线路电缆避雷器( d b 和d l ) ，换流器母 线避雷器( c b ) ，中性母线避雷器( e ) 来限制； 2 0 华北电力大学硕士学位论文 对于高压直流换流站内的过电压，关键设备元件应直接由紧靠连接的避雷器保护。 例如：阀避雷器( v ) 保护晶闸管阀；交流母线避雷器( a ) 保护换流变的网侧绕组； 换流变阀侧绕组由桥避雷器( b ) 、中点避雷器( m ) 和一个阀避雷器( v ) 串联组合提 供保护。然而，当直流换流站的换流变与换流桥断开时，对换流变阀绕组应采取保护措 施。 在交、直