一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法

信息来源:电力国际信息参考  发布时间2016-08-03

【研究内容】

一、      技术方案

技术领域

      本发明涉及一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法,属于电力系统电磁暂态仿真技术领域。

背景技术

      机电暂态仿真从原理上采取了简化,并且直流模型采用的是准稳态模型,因此,在研究交直流相互影响、多直流落点系统的动态特性时就体现出一定的局限性。电磁暂态仿真能精确模拟电力系统中各种元件的暂态特性,特别是可以精确模拟含有HVDCFACTS等电力电子装置的开关特性,能精确分析交直流电网中的各种机电和电磁暂态现象。因此大规模交直流电网电磁暂态仿真建模技术,成为学术研究和工程应用研究的热点。在建立南方电网电磁暂态仿真模型过程中发现,由于电磁暂态仿真原理上是建立在离散化微分方程、小步长、递推计算的基础之上,大规模交直流电网电磁暂态仿真存在一个非常突出的技术问题,即电磁暂态仿真初始稳定状态的建立和调试问题。电磁暂态仿真首先要对所有元件初始化,使得全网元件初值平衡并进入稳定的初始状态,然后再施加故障,模拟其后的暂态过程。如果在建模过程中有参数录入错误、网络接线错误、初值不平衡等问题,电磁暂态仿真不收敛,预期的初始稳定状态无法建立。由于网络规模大、仿真运行速度非常慢,查找和排除这些问题耗时费力、效率低下,有时甚至无法找到错误。因此本发明提出一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法。目前,国内外常用的电磁暂态仿真程序有EMTPElectro-Magnetic Transient Program)、加拿大Manitoba直流研究中心的PSCAD/EMTDC、中国电科院的EMTPE和德国西门子公司的NETOMAC等,其中加拿大Manitoba直流研究中心PSCAD/EMTDC由于友好的工作界面和准确的仿真结果以及强大的模型自定义功能得到电力行业的认可和广泛应用。

发明内容

      本发明提出了一种应用于PSCAD/EMTDC的交直流大电网电磁暂态仿真模型的分片调试方法,目的是减少大规模交直流系统电磁暂态模型的调试时间,利用较少的时间使模型的初始稳定状态达到目标稳定状态,并保证模型中发电机释放以后系统能继续保持稳定运行而不产生数值振荡,为后续电磁暂态过程故障仿真提供保证。同时,采用分片调试的方法可以达到协同工作的目的,提高工作效率。本发明的实现与PSCAD/EMTDC的初始化过程密切相关,PSCAD/EMTDC经过以下步骤后达到初始稳态:(1)根据设定的发电机节点的电压幅值和相角,各发电机先以理想电压源的模式启动从而达到稳定状态; (2)模型达到稳定状态后释放发电机的励磁和调速器,完成从理想电压源到发电机的转变。 一种交直流大电网电磁暂态仿真的分片调试方法,包括以下步骤: 1)分别将目标电网中的交流部分、直流部分进行分区,得到多个交流分区与多个直流分区; 2)采用机电暂态仿真计算得到目标电网的初始稳定状态,将该初始稳定状态作为目标稳定状态,同时计算出目标电网中每台发电机的端电压和相角; 3)各个交流分区、直流分区均作为独立电网,对各个独立电网建模; 4)对各分区间的边界电网进行处理; 5)对各个交流分区调试,使每个交流分区稳定状态与目标稳定状态相一致;对各个直流分区调试,在各个直流分区的送端和受端加理想电压源模拟送端和受端的交流系统,并分别设置理想电压源的电压幅值和相角; 6)全网合并,将各个交流分区、直流分区合并到一个大电网,各分区的边界电网处用导线进行连接。由于各分区稳定状态已与目标稳定状态一致,合并后的大电网与目标稳定状态基本接近,只需进行微调即可达到目标稳定状态。所述步骤1)对交流部分的分区按最小割集划分,同时保证各分区的规模在50~100个节点之内。最小割集是指将一个网络分割成两个互不连通的子网络的一组支路的最小集合,可见采用最小割集的方法可以使各交流分区间的联络支路数最少。所述步骤1)对直流部分的分区是以每一回路的直流作为一个直流分区。 所述步骤3)采用机电暂态仿真软件BPA的潮流计算数据,并在PSCAD/EMTDC中分别建立相应的模型。 所述步骤4)各分区之间的边界电网处理分为两种情况: 4-1)功率送入的边界电网处,采用理想电压源代替,设定该节点处的电压幅值和相交来实现相应功率的送入; 4-2)功率送出的边界电网处,采用恒功率负荷代替,设定负荷的有功功率和无功功率来实现相应功率的输出; 4-3)交流分区与直流分区的整流站连接处,采用负荷代替; 4-4)交流分区与直流分区的逆变站连接处,用电压源代替。对于情况4-1)由于PSCAD/EMTDC中发电机出口处的升压变一般采用Y/D11接线方式,而BPA稳态潮流计算结果中不考虑变压器高压侧和低压侧的相角差30°,PSCAD/EMTDC中设定电压源参数前要对电压相角进行转换。

二、与现有技术相比的主要优点

      将电磁暂态仿真应用于大规模交直流电力系统的分析,是我国电力系统发展、特别是直流输电技术大规模应用而提出的一个迫切需求。现有技术主要采用机电暂态仿真软件(例如BPAPSS/E等)对大规模交直流系统进行计算分析,虽然计算速度较快且对系统规模基本没有限制,但由于现有的机电暂态仿真软件中直流输电模型均采用准稳态模型,对于不对称故障等情况下直流输电的动态响应模拟不准确,特别是在分析多直流馈入的受端系统发生交流故障导致直流逆变器换相失败、以及故障清除后直流输电系统恢复过程时,不能够准确反映系统的动态特性,根据这样的计算结果指导实际系统运行具有较大的风险,因而不得不采取更为保守的运行策略。因此,需要更为精确的电磁暂态仿真来进行补充分析,并为机电暂态仿真中采用直流输电响应模型提供建模依据。在建立南方电网大规模交直流系统的电磁暂态仿真模型过程中发现,由于电磁暂态仿真原理上是建立在离散化微分方程、小步长、递推计算的基础之上,电磁暂态仿真初始稳定状态的建立和调试问题是一个非常突出的技术问题。交直流大电网电磁暂态仿真规模庞大,仿真运行速度非常慢,查找和排除问题好使费力、效率低下,有时甚至无法找到错误。为了保证电磁暂态仿真能够顺利启动并建立预期的初始化稳定状态,需要投入大量时间进行繁琐的调整。本发明提出的交直流大电网电磁暂态仿真分片调试的方法,目的是通过分片的思想将大电网的问题转化成小电网进行解决,不但节省调试时间,而且可以达到协同工作的目的,使调试时间大为缩短,为交直流大电网电磁暂态仿真精确初始化提供了快速有效的方法。该方法已在南方电网大规模交直流(等值)系统全电磁暂态仿真建模中应用,为2012年以后各个年度建立多种运行方式的大规模交直流(等值)系统电磁暂态仿真建模、使电磁暂态仿真在南方电网运行方式计算中参与校核分析得以顺利实现。

三、技术方案对本领域内技术革新、产品升级换代、解决本领域关键性、重要性技术问题的贡献程度等

      将电磁暂态仿真应用于大规模交直流电力系统的分析,是我国电力系统发展、特别是直流输电技术大规模应用而提出的一个迫切需求。应用电磁暂态仿真分析大规模交直流电力系统,是对传统机电暂态仿真分析的一个升级和补充。而进行大规模交直流电力系统电磁暂态仿真分析,首先必须解决系统建模和大系统电磁暂态模型的调试问题。本发明提出的交直流大电网电磁暂态仿真分片调试的方法,创新性地将交直流大电网的电磁暂态仿真初始化问题转化为多个独立小电网的初始化问题。专利成果解决了大规模交直流系统电磁暂态仿真必然会面临的一个关键技术难题,即电磁暂态仿真初始稳定状态的建立和大规模交直流系统调试问题。应用专利成果可大幅减少大规模交直流系统电磁暂态模型的调试时间,能够高效地使模型的初始稳定状态达到目标稳定状态,并保证模型中发电机释放以后系统能继续保持稳定运行而不产生数值振荡,为后续电磁暂态过程故障仿真提供保证。这一发明成果的应用使大规模交直流电力系统电磁暂态仿真进入实际应用阶段成为可能,为电磁暂态仿真技术开拓更为广阔的应用领域做出了的贡献。

【主要研究人员】

洪潮,赵勇,樊丽娟,夏成军

【主要完成单位】

南方电网科学研究院有限责任公司

【所获奖项】

南方电网科学研究院有限责任公司2015年专利奖二等奖