（电力系统及其自动化专业论文）多馈入直流对华东电网稳定性影响研究.pdf

塑坚查堂堡圭兰垡兰塞 垒! 壁竺竺 i m p a c t s o fm u l t i i f e e dh v d co ne a s tc h i n a p o w e rg r i ds t a b i 骑锣 a b s t r a c t t h i st h e s i sr o c u s e so nt h ea n a l v s i so fj m d a c t so fm u l l i - i n f e e dh v d co ne a s tc h i n ap o w e r g r i ds t a b i l i t v t h em a mw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 c h 印t e rlp r e s e n t st h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo fh v d c ( 1 1 i 曲v 0 1 t a g ed i r e c tc u r r e n t ) t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h ei n e v i 协b i l i t yo fm u l t i i n f e e dh v d c ( k n o w na sm i d c ) s y s t e m b a s e d 0 nt h ed e n n i t i o no fm i d c ，沁c l a s s m c a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c sa n di n 玎u e n c e0 nt h es t a b i l i t yo f e 煳i n gp o w e r 鲥d a r ei m r o d u c e d t h e nt h ed e v e l 叩i n g 仃e n do f d cs y s t e mi nt h es o u t l lc h i n a i n t e r c o 衄e c t e dp o w e rg n da n de a s tc h i n ap o w e rg n dl sd i s c u s s e d a n ds o m er e c e n tr e s e a r c h e s o nt h em i d c 行e l da r es u m ma r i z e da tt h ee n do f t l l i sc h a 口t e l 2 c h 印t e r2d i s c u s s e st h em a t l l e m a t i c a lm o d e l so fe l e c 仃o m e c h a i l i c a l 廿彻s i e ms i i l l u l a t i o n f i r s tt h es t e a d v s 扭c em a t l l e m a t i c a im o d e io fd cc o n v e r c e ri sd e r i v e d m e a n w h i j et 1 1 ec o 们j s y s t e mo fh v d c 仃a n s m i s s i o nl i n ei sd e s c b e d t h e nt h er e s p o n s em o d e la n dd e t a i l e dm o d e lo f h v d ca sw e l la st h e i r 印p l i c a t j o nn 1 1 e sa r ep r e s e n t e d s o m ei m p o r t a n ti s s u e si na c - d cs y s t e m s t a b i l i t ys i m u l a t i o ns u c ha st h ep 啪e t e r so fd cc o n v e n e rt r a n s f o m l e rm o d e ja r ed j s c u s s e d a t t h ee n do ft h i sc h 印t e ft l l ec l a s s m c a t i o n so fe x c i 埘i o ns y s t e m sa n dt u r b i n eg o v e m o r sa r em a d e t h e i rm o d e i sa r ep 代s e n t e da n d ki h l p 耐a n tp 8 r a m e t e r s 也砒h a v eag r e a ti n f l u e n c eo ns y s t e i n s t a b j l i t ya 坤p o i n t e d0 u t t h e s es p e c m c a t i o n sw i l 】a c ta s am a i np n n c i p l ei nt h em o d e l i n go fe 雒t c h i n ap o w e rg r i do np s s ep r o g r 砌 3 c h 印t e r3i n t r o d u c e st 1 1 es i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h i st 1 1 e s i 曲ep s s ，ep m g r a m t h e nt h e m o d u l e su s e di nn o m a ls i m u l a t i o n s ，i e t h e1 0 a dn o wm o d u j e ，d ”a m j cs i m u j a t i o nm o d u l e 卸d d i a g r a mp l o m n gm o d u l e ，a r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l ya c c o r d m gt ot h eh u g ed i m e n s i o no fe 鹊t c h i n ap o w e rg r i d ，t h ea u t o m a t j s e ds i m u j a t j o no fp ss ，eb a s e do ni p l a np r o 粤a m m i n gi sp u t f b n v a r d t h e nt h ea l g o r m 仰o f t h en - ls c 锄i n gp r o g r 啪f o rt 1 1 e 廿甜1 s i e n ts t 曲i l i t yo fe a s tc h i n a p o w e rg r i di sd i s c u s s e dj nd e t a i la sw e l la ss o m er e l a t e do d e r a t i o n s 锄d 如n c t i o n si ni p l a n a n d l h e 订o wd i a g r a mo f t h en 一1s c a t l n i n gp m 鲈绷i sp r e s e n t e d 4 c h 印t e r4u s e st h ep r 0 舯m m e dc o m p u t i n g 柚ds i m u l a 虹o no fp s s eb a s e do ni p l a nt o a n a l y z et h e 仃a n s i e ms t a b i l j t yo fe a s tc h i n ap o w e rg 订df o rt 1 1 ey e a ro f2 0 2 0 t h em o d e l i n g m e t h o d sa n dc o m p u t i n g 两n c i p l e so np s s ep m g r a n la r ep r e s e n t e d t h ea c o d c n t e r a c t i o n s a n ds t a b i l i t yo f e a s tc h i n ap o w e rg r i du n d e rs e v e r ea cd i s 吡r b a n c e sw h e n7h v d cl i n e s t e m 】i n a t ej ne a s tc h i n aa r ed i s c u s s e d b a s e do nt h er e s u l t so f n - 1s c a n n j ng ，t h ed i f f j r e n ta r e a so f 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a e t c o m m u t a t i o nf a i l u r ea r ea l s oc l a s s i f i e d b ym o d i f y i n gt h el o a dm o d e lp a r a m e t e r s ，t h el a t e n t w e a k n e s so fe a s tc h i n ap o w e rg r i di sa n a l y z e da sw e l l ，a n ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r e d r a w n k e y w o r d s ：m u l t i - i n f e e dh v d c ；e a s tc h i n ap o w e rg r i d ；a c - d cs y s t e m ；i n t e r a c t i o n ； s t a b i l i t y ；e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n t ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；p s s e ；i p l a n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从1 8 8 2 年第一次直流输电试验以来，直流输电经历了一个多世纪的发展， 其间曾采用气吹电弧整流器、闸流管、引燃管和可控汞弧整流器( 汞弧阀) 作为 交直流变换的换流设备，直到2 0 世纪7 0 年代以后随着电力电子技术的迅速发展 以及高压大功率晶闸管的问世，高压直流输电( h i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t t r a n s m i s s i o n ，i t v d c ) 开始真正广泛应用于电力系统中”。随着电力需求增长的 加快和交流同步联网规模的不断扩大，传统交流输电的短路电流水平超限和低频 振荡等问题逐渐凸最出来；而高压直流输电因其自身在限制短路容量、异步联网 阻断交流故障传递以及远距离大容量输电方面的优势得到了迅速发展。“十一五” 期问，随着我国西部水电资源的进一步开发和“全国联网，西电东送”格局的进 l 步形成，在东部地区受端电网将逐渐形成多馈入交直流混合电力系统。在这种 形式下，电力交换更加频繁，会出现更多长距离、大容量的直流线路，它们将同 时落点于东部负荷中心的狭小地域内，其输送容量之大、落点之密集均属世界罕 见。在缺乏国外相关经验借鉴的情况下，若因受端系统内的某点发生大扰动而引 起相邻的换流站与交流系统发生连锁反应事故，对经济和社会发展必将造成难以 估量的损失。因此极有必要针对多馈入直流输电对系统稳定带来的影响进行分析 和仿真，以便为电网设计规划以及发生事故时的相应控制策略的制定提供参考和 理论计算依据。 1 2 直流输电的发展 现代直流输电技术的发展和应用是以晶闸管等大功率电力电子器件的发展 为前提的。因为晶闸管解决了汞弧阀逆弧及相关的暂态效应，使换流阀造价大为 降低，且运行方便，从而为直流输电技术的推广打l f 了基础。而集成电路与微处 理器等计算机控制及保护系统的开发，使直流输电的控制功能大为改善，直流功 率输送方向、功率大小和消耗的无功功率都可以快速调节，从而为超高压、大容 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 量及远距离直流输电提供了技术上的可能9 。 促使直流输电得以快速发展的另一个原因是随着电力系统的发展，交流输电 的局限性逐渐显现，并成为制约输电容量及联网规模进一步扩大的瓶颈；而直流 输电自身技术上的特点使之可以在某些方面取代交流从而克服这些局限，主要表 现在以下四个方面”： ( 1 ) 非同步联网：采用交流同步联网有可能使一个系统中的故障传递到另一 个系统，引起连锁反应；而采用直流非同步联网可以在网络结构上隔断 交流故障的传递。1 9 7 2 年加拿大魁北克电力系统与新不伦瑞克电力系统 间的互联由于稳定问题没有采用交流联网，而是建立了第一个背靠背直 流工程；美国东西部电网互联最初选择了交流互联，因联络线时常发生 功率振荡而跳闸，不得不解列运行，后来在1 9 7 7 1 9 8 7 年间通过建设 斯蒂加尔、麦尔斯城、伊地康蒂、黑水河及希尼等5 个背靠背直流系统 实现了东西部电网的异步联网，这种非同步联网的优势在1 9 9 4 年1 2 月 及1 9 9 6 年7 、8 月北美电网3 次大停电事故中，事故都没有波及东部电 网而得到充分体现。1 。而日本则是采用背靠背直流联网的方式实现了关 东和关西不同频率电网的互联。 ( 2 ) 限制短路电流水平：在采用交流实现同步互联的情况下，短路电流水平 将随互联电网的容量的增加而升高( 当同步电网容量达到一定规模时， 这对于断路器的短路开断能力将是严峻的考验) ；而如果采用纯直流联 网( 非嵌入在一个同步交流系统中) 则不会对所连接的交流系统的短路 电流水平产生影响。 ( 3 ) 适合大容量远距离输电：在输送功率相等和可靠性相当的情况下，直流 输电换流站的费用虽然比交流输电变电所的费用贵得多，但是直流输电 的单位长度造价却比交流线路的低。因此，当输电距离超过一定值时， 采用直流输电比交流输电更为经济，这个距离称为交直流输电的等价距 离。目前直流输电的等价距离在6 0 0 9 0 0 k m 之间，因此对于像输电距 离超过1 0 0 0 k m 的西电东送这样的工程，直流输电无疑具有更好的经济 性。 ( 4 ) 根除低频振荡：国内外大电网运行的经验充分表明，当两个大容量电网 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 采用交流同步互联并且出现长距离输电走廊或重负荷输电线路时，极易 引发低频振荡并且一旦发生就较难抑制；而如果采用纯直流联网就能从 网络结构上彻底根除产生低频振荡的可能。 此外，直流输电还适合于海底电缆送电。由于直流输电的上述优点，自1 9 5 4 年瑞典本土果特兰岛的第一条工业性的高压直流输电线路开始，直流输电得 到了长足的发展，换流元件也经历了从汞弧阀到晶闸管，再到绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ，用于轻型直流输电) 的过程。据统计到2 0 0 0 年为止世界上已投入运行 的直流输电工程已有6 3 项，其中架空线路1 7 项、电缆线路8 项、架空线和电缆 混合线路1 2 项、背靠背直流工程2 6 项。 我国自2 0 世纪8 0 年代开始建设直流输电工程，从第一条浙江镇海舟山 直流线路投产以来，到0 5 年已建成和在建的直流输电工程已达1 0 余项，其中除 了舟山、嵊泗海底电缆工程、灵宝背靠背直流联网等中小型直流输电项目以外， 绝大部分是属于远距离大容量直流架空线路工程，由于其容量巨大，送电距离长， 因此其特性将对整个交直流系统的稳定性产生重要影响。随着“十五”期间三 峡工程的全面竣工、西南金沙江、雅磐江水电基地和西北水火电资源的进一步开 发与利用，我国将形成通过北、中、南三大通道同时向京津冀、长三角地区和广 东地区负荷中心送电的格局。按照特高压输电工程网架发展规划，金沙江一期、 锦屏、溪洛渡、呼盟和哈密等大型水、火电基地均考虑采用+ _ 8 0 0 千伏级直流送 出方案，这将必然导致在东部受端地区全面形成多馈入直流输电的局面。 1 3 多馈入直流输电系统的定义及分类 随着高压直流输电在电力系统中的进一步推广和应用，当系统中存在多条直 流输电线路，且其中若干换流站的交流母线问的电气距离较小( 或为零) 时，则称 相应的直流输电线路和这些换流站交流母线所在的区域构成了多馈入直流输电 系统( m u l t i i n f e e dd i r e c tc u r r e n t ，简称m i d c ) 。简言之，其基本特征就是多 回直流线路同时落点于较小区域范围内。 按照功率平衡方式( 也即潮流流动的模式) 的不同，多馈入直流输电系统一 般可分为3 种类型”： ( 1 ) 多馈入直流输电系统位于电源侧( 送端系统) ，这种情况下系统特性只 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 与整流站密切关联。 ( 2 ) 多馈入直流输电系统位于负荷侧( 受端系统) ，即系统特性只与逆变站 密切关联。 ( 3 ) 多馈入直流输电系统位于送受端系统之间，即系统特性同时与整流站和 逆变站相关联。 上述三种类型巾以负荷侧m i d c 系统的稳定问题最为严峻，这类系统通常具 有较弱的电气强度，系统因本身缺乏足够的电源和动态无功支撑而严重依赖系统 外的电源送入。在直流线路发生故障时，不仅会造成系统的巨大功率缺额；而且 由于直流线路在恢复过程中要吸收大量的无功功率，因此在系统缺乏无功功率储 备的情况下必将对系统的电压稳定性造成巨大的威胁。有鉴于此，在分析m i d c 系统的稳定问题时应将负荷侧m i d c 作为首要研究对象。 1 4 我国多馈入直流输电系统的发展趋势 我国地区间能源资源分布和经济发展不平衡，水力资源的2 3 集中在西南， 煤炭资源的6 0 集中在“三西”( 山西、陕西、内蒙西部) 地区，而负荷中心主 要集中在东部沿海，其电力消耗占全国的一半以上。这种发电能源分布与经济发 展不平衡的基本国情和交流同步联网规模的限制决定了直流输电工程在我国跨 区联网及西电东送战略中具有广阔的发展前景。目前我国直流输电工程的建设较 为集中的区域主要是南方电网和华中华东电网，分别介绍如下： 1 4 1 南方电网多馈入直流输电系统 南方电网是一个典型的多馈入直流输电系统，交直流混合运行，多条直流馈 入厂东电网。目前南方电网有9 条西电东送大通道，其中天广、贵广直流与6 条5 0 0 千伏交流通道并联运行；三广、天广、贵广直流同时馈入广东5 0 0 千伏主 网架。由于换流站间电气距离较近，其多馈入直流特性对广东电网安全稳定性的 影响一直是一个备受关注的问题。随着特高压交直流输电项目的启动，“十一五” 期问，将规划建设额定输电容量为5 0 0 万千瓦的云南广东第一回8 0 0 千伏 直流输电工程，预计将在2 0 0 9 年6 月实现单极投运、2 0 1 0 年6 月双极投运；期 间还将建设贵广第二酬直流工程。到“卜二五”期末南方电网内还将建成糯扎渡 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 金华特高压直流，三条直流线路累计送电容量达到1 8 9 0 万千瓦。可见，华东电 网作为受端系统，具有受入电量大、直流落点多且各个换流站间电气距离短的特 点，是一个典型的负荷侧m i d c 系统。因此研究其在大扰动下的暂态稳定性是具 有较大的理论和工程意义的。 图l 一22 0 1 5 年华中华东电网多馈入直流输电系统( 规划方案) 示意图 1 5 多馈入直流输电相关研究现状 有关m i d c 对电网稳定性作用的研究已取得了不少成果，这些研究丰要围绕 直流系统的换相失败、故障后的恢复及其对交直流系统功角和电压稳定性的影 响、直流的小信号调制、多个直流系统的协调恢复控制及其对交流系统的紧急功 率支援等方面来展开，这里简单综述如下： 换相失败及其对稳定性的影响 换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，换相失败将可能导致直流电压 降低、直流输送功率减少、直流电流增大、缩短换流阀寿命、造成换流变压器直 流偏磁及逆变侧弱交流系统过电压等不良后果，如果换相失败后采取的控制措施 不当，还会引发后继的换相失败，最终导致直流传输功率的中断。通常认为交流 电压幅值的降低和电压过零点相角的移动是导致换相失败的根本原因，因而如何 使直流功率在交流故障切除后尽快地恢复以缓解交流系统功率的不平衡成为研 究的一个焦点，文献 1 5 提出了一种新的直流控制策略，其主要思路是直接检测 阀的反向阻断间隔，并在故障发生期间修改熄弧角的参考值。并通过仿真来验证 了该控制策略在促进直流功率快速恢复和避免后继换相失败等方面的有效性。文 献 1 6 则是通过改变整流侧的电流参考值，采用步进方式来恢复直流系统，且该 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 高压直流建模研究 j 】中国电机工程学报 15 m s a t o ，n h o n j o ，k y a m h v d cc o n v e r t e rc o n t r o lf o r f a s tp o w e r r e c o v e r ya f t e ra cs y s t e mf a u l t j 】i e e et r a n s a c t i o n so np o w e rd e l i v e r y , 19 9 7 ， 1 2 ( 3 ) 【1 6 j r e e v e ，s rl a n es m i t h m u l t i i n f e e dh v d ct r a n s i e n tr e s p o n s ea n d r e c o v e r ys t r a t e g i e s 【j 】i e e et r a n s a c t i o n so np o w e rd e l i v e r y , 1 9 9 3 ，8 ( 4 ) 【1 7 杨卫东，徐政，韩祯祥多馈入交直流电力系统研究中的相关问题团电网 技术，2 0 0 0 ，2 4 ( 8 ) ：1 3 1 7 【1 8 】杨卫东多馈入直流输电系统的控制策略研究浙江大学博士学位论文， 2 0 0 1 【1 9 】陈汉雄高压直流输电与交直流混合系统的模糊控制及协调控制四川大学 硕士学位论文，2 0 0 3 浙江大学硕士学位论文第二章交直流系统稳定计算的数学模型 的输出。整个极控制级的功能框图如图2 3 所示： 阀组控制级 图2 3 极控制级的功能框图 第3 层次阀组控制级：其主要功能是取触发脉冲的同步信号，并在上级 触发角指令的控制下产生一定的触发脉冲序列以触发晶闸管。 为了使低层控制能够跟踪高层控制的指令，直流输电控制系统的3 个层次在 响应时间上有较大差别，控制的层次越高其响应的速度越慢：通常第l 层次响应 时间在1 0 0 m s 左右，而第3 层次只需要1 4 m s 。 2 3 机电暂态仿真中的直流系统模型 在交直流系统机电暂态仿真时，直流系统对交流系统的作用可以被看作为一 个挂在换流站交流母线上的变功率支路，其快速调节特性通过改变这个变功率支 路的输出功率来实现，如图24 所示。 图2 4 直流系统对交流系统的等效作用 浙江大学硕士学位论文 第二章交直流系统稳定计算的数学模型 ( 1 ) 采用响应特性模型时，对直流系统换相失败的判断只是凭换流站交流母 线电压的大小；而详细模型是通过实际计算关断角y 来确定是否发生换 相失败，因此可以更加精确地确定换相失败。 ( 2 ) 响应特性模型中，直流系统在故障后的恢复过程是事先设定好的；而使 用详细模型时，实际的恢复过程能够得到更加详实的模拟如直流系 统的恢复过程与交流电压恢复过程的相互作用。 ( 3 ) 详细模型模拟了定电流、定电压和定y 角控制器的实际动态过程，因此 可以比较精确地模拟直流系统控制模式的切换过程。 2 3 3 模型的适用场合 在交直流电力系统机电暂态仿真中，响应特性模型和详细模型各自有适用的 场合。详细模型在交流系统对称和无畸变的情况下可以用来模拟直流输电系统本 身的动态特性以及与交流系统问的相互作用特性，然而由于其考虑了控制器和直 流线路的高频动态特性，因此仿真的步长要比纯交流系统下的仿真步长小得多， 导致计算量增大。对于交直流系统规划研究时所作的系统仿真，由于具体的直流 输电控制器的结构与参数都是不确定的，因此若采用详细模型来模拟直流系统本 身的控制过程，不仅确定控制器参数和仿真计算会花费大量时问，而且所得结果 往往不尽人意。所以这种情况下直接采用期望的直流输电系统响应特性进行计 算，并要求制造厂家按照期望的响应特性设计控制器会更加合理。 综上所述，详细模型适用于在机电暂态仿真中详细模拟直流输电系统的动态 响应特性，如换相失败及其恢复过程等；而响应特性模型主要适用于日常的稳定 性分析，如交流系统严重故障和直流系统单双极闭锁情况下的稳定性校核，以及 长过程仿真和在线分析等。本文后面的工作将对华东电网多馈入直流输电系统在 严重故障情况下的稳定性进行仿真分析，因此适宜采用直流系统的响应特性模 型。 需要注意的是，由于机电暂态分析程序对交流网络的模拟是采用的基波频率 f 的正序相量描述，因此其无法描述交直流系统在非基波频率下的相互作用特 性；若要精确研究直流系统本身的运行特 x 浙江人学硕士学位论文 第二章交直流系统稳定计算的数学模型 n e t o m a c 等，所采用的直流输电换流器模型都是稳态模型，其导出的基本前提是 换流器母线的交流电压三相对称。而在交流系统发生不对称故障期间，换流站交 流母线的实际电压不再对称，凶此稳态数学模型在交流系统不对称故障期间是不 适用的。所以，目前普遍使用的机电暂态仿真程序对交直流系统发生不对称故障 时的仿真计算是不严格的。 2 4 换流变压器参数的确定 在交直流电力系统设计和规划阶段进行的暂态稳定分析中，由于待建的直流 系统换流变压器相关参数未知，因此必须根据对直流线路相关参数及性能的预期 来适当选取换流变压器的参数，以保证仿真结果具有参考价值与合理性。 2 4 1 换流变压器短路比 换流变压器的漏抗能够抑制作用在整流桥晶闸管上的冲击电流，因此通常对 于直流电流较大的直流输电系统，短路比取较大的值；而直流电流较小的直流输 电系统短路比则取较小的值。由于变压器实际制造时成本控制的原因，短路比的 范围通常为1 2 2 2 ，因此在实际稳定计算时对于直流电流不太大的长距离 直流输电系统，换流变压器的短路比可取其大值；而对于直流电流很大的背靠背 直流输电系统，短路比可取其小值。 2 4 2 换流变压器额定容量及阀侧额定电压 征怂略狭利短程盯，快梳器阳冈电流坡彤是苋崖为1 2 0 ”的矩彤、圾，此时捩 流变压器阀侧电流有效值为： i v = 等i 。 9 ) 从而可确定换流变压器的容量： s - 妇n = 括等i 舣= 捆d u v ( 2 1o ) l j 中，u 。是换流变压器阀伽l 卒裁电压。其与无相柠卒载官滴中乐夕问 浙江大学硕士学位论文 第二章交直流系统稳定计算的数学模型 的关系为： u ：掣“3 5 u 。 ( 2 _ 将( 2 9 ) ( 2 1 1 ) 式结合换流器稳态数学模型中的( 2 2 ) 式，可推出换流变压 器阀侧电压u ，与直流电压u d 之间在额定工况下具有如下关系： u 2 1 3 5 uv r ( 。0 8 盯一o - 5 u k ) ( 2 1 2 ) u d ，= 1 3 5 u 。( c o s y 一0 5 u k ) 上式中，下标r 代表整流侧；i 代表逆变侧。因此，根据整流侧和逆变侧的 额定直流电压和换流变压器的短路比就能得到换流变压器的阀侧额定电压u 。 2 5 励磁系统模型 励磁系统模型及参数对于暂态稳定仿真结果具有很大影响，因此正确设置励 磁模型及其参数对于确保仿真的准确性非常重要。目前国内发电机励磁系统主要 有三种类型：电压源静止励磁系统、他励静止二极管整流器励磁系统( 简称三机 励磁系统) 和无刷励磁系统，至于直流励磁系统目前已基本不用。三种励磁系统 简要说明如下： 电压源静止励磁系统：一般用于大型水轮发电机组和装在坑 j 电站的大 型汽轮发电机组，其特点是励磁电压响应时间快，但在发电机出口短路 时强励能力会显著下降。 三机励磁系统：一般用于大型汽轮发电机组；通常不用于水轮机组。三 机系统分为常规响应和高起始响应两种，常规响应三机励磁系统的电压 响应时间较慢，约为0 2 s o 5 s ；高起始响应三机励磁系统电压响应时 间较快，一般不大于o 1 s 。 无刷励磁系统：一般用于容量大于6 0 万千瓦的汽轮发电机组、核电机 组和燃气轮发电机组。无刷励磁本质上还是三机励磁系统，只是励磁机 和发电机转子结构与三机系统不同，取消了发电机转子滑环。无刷励磁 系统也分为常规响应和高起始响应两种。 在稳定计算时，通常根据发电机类型将发电机励磁系统模型分为三类，分别 对应静止励磁系统、常规响应三机系统和高起始响应三机系统( 无刷励磁系统与 浙江大学硕士学位论文 第二章交直流系统稳定计算的数学模型 三机系统数学模型相同) 。励磁系统对电力系统的作用主要由它的动态性能来衡 量。目前在暂态稳定分析中衡量励磁系统的动态性能有两种指标体系： ( 1 ) 对于慢速励磁系统，如常规响应三机系统和直流励磁系统等，其衡量指 标为励磁顶值电压倍数和励磁电压响应比。其中励磁顶值电压倍数是指 励磁系统顶值电压( 强励时励磁电压所能达到的最大值) 与额定励磁电 压的比值；励磁电压响应比是指励磁系统强励时，o 5 s 内励磁电压增长 的平均速度，单位为s 。 ( 2 ) 对于快速励磁系统，如高起始响应三机系统和静止励磁系统等，其衡量 指标为励磁顶值电压倍数和励磁电压响应时间。其中励磁电压响应时间 是指励磁系统强励时，励磁电压达到顶值励磁电压与额定励磁电压之差 的9 5 所用的时间。 通常，对于同一种励磁控制系统，当其上述动态性能指标为一定时，即使其 它参数在合理范围内变化也不会对整个电力系统的暂态稳定性造成本质性的影 响。而另一方面，在电力系统规划设计阶段的仿真分析或者在不同的电力系统分 析软件上作跨平台分析时，机组的励磁系统模型及参数有时很难确定下来。在这 种情况下，对发电机励磁系统的建模也可以参照直流系统的响应特性模型那样， 只对励磁系统的控制结果( 即它的动态性能) 进行模拟而不对励磁控制系统本身 进行详细模拟，只要其最终的动态性能达到国家标准的要求即可。 我国国家标准规定：静止励磁系统要求励磁顶值电压倍数不小于2 o ，励磁 电压响应时间不大予o 1 s ；常规响应三机系统要求励磁顶值电压倍数不小于 2 o ，励磁电压响应比不小于1 o ：高起始响应三机系统要求励磁顶值电压倍数 不小于2 0 ，励磁电压响应时间不大于o 1 s 。在实际稳定计算时，当根据发电机 类型选择了一种具体的励磁模型以后，可以通过参数辨识的方法来使该模型的动 态性能指标达到上述国家标准。励磁系统参数辨识的基本思想是在发电机额定负 载运行条件下，给电压测量环节加一个阶跃输入信号，用顶值电压倍数和励磁电 压响应时间( 或励磁电压响应比) 描述励磁电压在此输入信号下的目标响应，然 后通过参数辨识的迭代步骤来确定励磁系统参数”1 。 浙江大学硕士学位论文 第二章交直流系统稳定计算的数学模型 2 6 原动机及调速器模型 原动机及调速器模型在稳定讨算中将主要影响到系统的旋转备用的模拟。在 暂态稳定仿真中通常将原动机和调速系统模型分为两类：水轮机及其调速系统和 汽轮机及其调速系统，在主流的机电暂态仿真软件的模型库中对其均有较详细的 建模。无论采用哪类模型，有两个参数对系统稳定性的影响都是最为关键的，它 们是输出功率的限制值凡。和调差率的倒数k ，前者代表了发电机旋转备用的大 小：而后者将直接影响到旋转备用在各个发电机组中的分配比例。 本章小节 不同的数学模型对于稳定计算的系统开销以及仿真结果均有非常大的影响。 在对具体的电力系统进行稳定计算与分析之前，应首先根据所研究系统的规模、 模型的适用范围、模拟的精确程度以及数据参数的可获取性等多方面对模型方案 作出评估，并明确各个模型参数的物理意义、计算方法以及对仿真结果影响的重 要程度。否则不仅会无谓地增大仿真计算量，而且可能会使计算结果的可信度丈 打折扣。本章从换流器的稳态数学模型开始，逐一阐述了交直流系统暂态稳定计 算中直流系统和发电机励磁、调速等关键元器件的建模方法、模型特性及其适用 范围，并介绍了相关模型参数的确定原则，从而为华东电网多馈入直流输电系统 的稳定仿真做好模型方案的准备工作。 2 0 浙江大学硕士学位论文 第二章交直流系统稳定计算的数学模型 参考文献 【1 】徐政交直流电力系统动态行为分析 m 】北京：机械工业出版社，2 0 0 4 f 2 】浙江大学发电教研组直流科研组直流输电【m 】北京：水利水电出版社， 1 9 8 2 3 】o n l i n ed o c u m e n t a t i o np s s e 一3 0 p o w e rt e c h n o l o g i e sl n c a u g u s t2 0 0 4 ( 4 】松浦虔士电力传输工程 m 1 北京：科学出版社，o h m 社，2 0 0 1 【5 】倪以信，陈寿孙，孙宝霖动态电力系统的理论和分析 m 】北京：清华大学 出版社，2 0 0 2 【6 】浙江大学马大强电力系统机电暂态过程 m 北京：水利电力出版社，1 9 8 8 【7 西安交通大学李光琦电力系统暂态分析第二版【m 1 北京：水利电力出 版社，1 9 9 3 【8 邵伟，徐政励磁系统参数整定研究【j 】中国电机工程学报，2 0 0 2 ，2 2 ( 1 0 ) ： 1 2 1 7 浙江大学硕士学位论文 第三章基于p s s e 的暂态稳定仿真 第三章基于p s s e 的暂态稳定仿真 p s s e ( p o w e rs y s t e ms i m u l a t o rf o re n g i n e e r i n g ) 是由s i e m e n s 旗下的美 国电力技术公司( p o w e rt e c h n o l o g i e si n c ) 自7 0 年代推向市场后，经不断修改、 完善的电力系统商业仿真软件。它主要用于电力系统机电暂态仿真分析，包括潮 流计算、短路电流、动态模拟仿真( 包括长过程稳定) 、潮流优化、线性网络及 小干扰信号分析等，其中又以潮流计算为核心，将稳定、短路电流分析等功能集 成在一个软件包内。p s s e 具有高度模块化的结构，是个优化的数据结构与一 系列计算工具的结合体，用户可以交互地使用这些计算工具，或者通过将这些工 具按照一定的顺序加以组合，来处理围绕“潮流和稳定”这个主题变化的一系列 问题。p s s e 的功能模块结构如图3 一l 所示。 图3 一l p s s e 功能模块结构图 本文对华东电网多馈入直流输电系统的稳定性仿真研究是基于最新的第3 0 版p s s e 程序。 3 2 p s s e 的常规稳定仿真 如前所述，p s s e 具有多个功能模块以对应不同的计算研究的需求，在常规 的稳定仿真计算中需要用到的是潮流计算和动态仿真模块，必要时还可以使用图 形绘制及处理模块p s s p l t 。 浙江大学硕士学位论文第三章基于p s s e 的暂态稳定仿真 3 2 1 潮流计算 在p s s e 一3 0 中，潮流计算模块有两种界面，一种是传统的p s s l f 4 ，另一种 是新推出的整合图形界面p s s e 。前者通过在p s s e 一3 0 命令提示符窗口中键入 “p s s l f 4 ”启动，也可以在动态仿真模块p s s d s 4 中使用潮流连接命令l o f l 启动； 后者则通过在命令提示符窗f 1 中键入“p s s e ”启动，也可以在p s s l f 4 或p s s d s 4 界面中使用n e wi n t e r f a e e l a u n c hn e wi n t e r f a c e 菜单选项来启动。与p s s l f 4 相比，图形界面p s s e 具有以下优点：1 具备潮流单线图绘制功能；2 所有输入 数据能够以e x c e l 表格的形式显示出来，方便查询和修改：3 进程窗口和报表窗 口是分页并排显示的，便于分类查看；4 可以对更多的潮流计算参数进行修改， 如每次迭代的最大次数、零阻抗线路的门槛值等。因此对于潮流计算使用图形界 面p s s e 更加直观、方便、灵活性更大。 在潮流计算方法上，p s s e 提供了5 种方法，分别是：完全的n e w t o n r a p h s o n 法( f n s l ) 、解耦的n e w t o n r a p h s o n 法( n s o l ) 、快速的n e w t o n r a p h s o n ( f d n s ) 、 g a u s s s e i d e l 法( s o l v ) 及改进的g a u s s s e i d e l 法( m s l v ) 。各种算法以及相关的 限制条件( 如对可投切电容器、变压器分接头的控制，发电机无功出力的限制) 在计算过程中可以自由切换，以方便用户在初始点不太理想的情况下能够求得潮 流收敛值。需要注意的是，当网络中的小阻抗线路( 用来模拟开关的作用) 过多 时有可能导致p s s e 潮流计算不收敛，这时可以通过降低零阻抗线路的门槛值 ( 甚至使其为零) 来减少潮流计算中等效零阻抗线路的数量。 在潮流计算求得收敛值之后，通过c o n g 命令将发电机转换为n o r t o n 等效电 路，并将当前计算工况储存为算例文件 s a y ，然后将在此基础上进行故障分析 或者动态仿真。 3 2 2 动态仿真分析 p s s e 动态仿真模块的主体结构如图3 2 所示，其中p s s e 主框架的功能包 括数据输入、输出、数值积分和网络方程求解，但不包括微分方程的求解。设备 模型的微分方程计算包含在子程序库中，其中每一个模型库中的模型都有一个了 程序与其对应。这些模型子程序在主体p s s e 需要相应的微分值时被调用，绝大 浙江大学硕士学位论文 第三章基于p s s e 的暂态稳定仿真 多数的模型由p s s e 自动调用。值得注意的是在2 9 版之前的p s s e 程序，其直 流线路的动态模型是需要在连接子程序c o n e c ，c o n e t 中手工加入调用语句 ( c o n e c ，c o n e t 本质上可看作是p s s e 主框架和模型微分数值之间的接口程序， 是在p s s e 主框架运算中调用相应的模型子程序) ；而在3 0 版p s s e 中由于考虑 到直流线路的应用与仿真场合的逐渐增多，而将直流线路动态模型归入了p s s e 自动调用的模型一类，从而使仿真更加方便。 图3 2p s s e 动态仿真模块的主体结构 p s s e 动态仿真模块由“p s s d s 4 ”命令启动，动态仿真的操作流程和机器处 理流程分别如图3 3 和图3 - 4 所示。对其中的重要步骤说明如下： 启动动态仿真模块p s s d s 4 进入潮流界面( l o f l 命令) 稳态工况的潮流计算或凄入已 求解的潮流算例文件_ s a v 返回动态仿真模块p s s d s 4 读入动态模型数据文件+ d y r 或快 照文件* s n p 数据查询和检查( d o c u ) 输出通道选择和屏幕输出选择 初始化 主 仿真运行 故障加入和切除 图3 - 3p s s e 动态仿真的操作流程 浙江大学硕士学位论文第三蕈基于p s s e 的暂态稳定仿真 数据修改和 输入信号 数据归一化 d y r e r s t r l o a df 1 0 wa c t i v i t i e s 初始化 s t r t c o n e t c o n e c 网络方程求解 ( 得出机组电流 和母线电压) 瞬时番篓鉴态条f r u n 件输出 “1 t 所有鉴蠢善的微i r u n c o n e c 分计算l “w - 乙“ 数值积分 图3 - 4p s s e 动态仿真的机器处理流程 动态仿真读入的潮流算例文件十s a v 中存储的必须是己将发电机转换为 n o r t o n 等效电路的算例，另外还可以对算例进行负荷转换c o n l 、节点 优化排序o r d r 、三角因式分解f a c t 和三角化y 矩阵网络求解t y s l ( 可 选) 。其中负荷转换c o n l 命令是将潮流计算中负荷的恒功率部分按指定 配额分配给恒阻抗与恒电流部分，如图3 5 所示。在动态仿真中综合静 态负荷将按照c o n l 分配所得的新的构成比例来计算。此外综合静态负 荷模型也可以在动态数据输入文件丰d y r 中指定。后者的指定方式更具 通用性因为三种负荷成分的构成比例可以任意指定，而c o n l 只能朝着 恒功率负荷比例减小的方向进行。 模型参数检查命令( d o c u ) 以及动态仿真的初始化( s t r t ) 是p s s e 动 态仿真过程中两个重要的查错环节，前者主要是对模型参数是否越限进 行检查；而后者则是对动态仿真的初始运行点进行计算和核准。在s t r t 过程中进程窗口会显示一些重要的错误提示信息，这些信息分为两大 类：一类是积分所得初始状态量的越限信息，比如励磁系统输出电压e f d 和调速器输出功率量v 的超限问题，这类错误在控制系统输出量的门限 浙江大学硕士学位论文第三章基于p s s e 的暂态稳定仿真 3 4 2 i p l a n 所调用的p s s e 内部函数 i p l a n 程序可以直接使用自己的内建函数，如一些常见的数学运算和变量操 作等，而对于p s s e 程序的内部函数则必须使用c a l l 语句