一種交直流大電網電磁暫態仿真的分片調試方法

信息來源:電力國際信息參考  發布時間2016-08-03

【研究內容】

一、      技術方案

技術領域

      本發明涉及一種交直流大電網電磁暫態仿真的分片調試方法,屬于電力系統電磁暫態仿真技術領域。

背景技術

      機電暫態仿真從原理上采取了簡化,并且直流模型采用的是準穩態模型,因此,在研究交直流相互影響、多直流落點系統的動態特性時就體現出一定的局限性。電磁暫態仿真能精確模擬電力系統中各種元件的暫態特性,特別是可以精確模擬含有HVDCFACTS等電力電子裝置的開關特性,能精確分析交直流電網中的各種機電和電磁暫態現象。因此大規模交直流電網電磁暫態仿真建模技術,成為學術研究和工程應用研究的熱點。在建立南方電網電磁暫態仿真模型過程中發現,由于電磁暫態仿真原理上是建立在離散化微分方程、小步長、遞推計算的基礎之上,大規模交直流電網電磁暫態仿真存在一個非常突出的技術問題,即電磁暫態仿真初始穩定狀態的建立和調試問題。電磁暫態仿真首先要對所有元件初始化,使得全網元件初值平衡并進入穩定的初始狀態,然后再施加故障,模擬其后的暫態過程。如果在建模過程中有參數錄入錯誤、網絡接線錯誤、初值不平衡等問題,電磁暫態仿真不收斂,預期的初始穩定狀態無法建立。由于網絡規模大、仿真運行速度非常慢,查找和排除這些問題耗時費力、效率低下,有時甚至無法找到錯誤。因此本發明提出一種交直流大電網電磁暫態仿真的分片調試方法。目前,國內外常用的電磁暫態仿真程序有EMTPElectro-Magnetic Transient Program)、加拿大Manitoba直流研究中心的PSCAD/EMTDC、中國電科院的EMTPE和德國西門子公司的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準確的仿真結果以及強大的模型自定義功能得到電力行業的認可和廣泛應用。

發明內容

      本發明提出了一種應用于PSCAD/EMTDC的交直流大電網電磁暫態仿真模型的分片調試方法,目的是減少大規模交直流系統電磁暫態模型的調試時間,利用較少的時間使模型的初始穩定狀態達到目標穩定狀態,并保證模型中發電機釋放以后系統能繼續保持穩定運行而不產生數值振蕩,為后續電磁暫態過程故障仿真提供保證。同時,采用分片調試的方法可以達到協同工作的目的,提高工作效率。本發明的實現與PSCAD/EMTDC的初始化過程密切相關,PSCAD/EMTDC經過以下步驟后達到初始穩態:(1)根據設定的發電機節點的電壓幅值和相角,各發電機先以理想電壓源的模式啟動從而達到穩定狀態; (2)模型達到穩定狀態后釋放發電機的勵磁和調速器,完成從理想電壓源到發電機的轉變。 一種交直流大電網電磁暫態仿真的分片調試方法,包括以下步驟: 1)分別將目標電網中的交流部分、直流部分進行分區,得到多個交流分區與多個直流分區; 2)采用機電暫態仿真計算得到目標電網的初始穩定狀態,將該初始穩定狀態作為目標穩定狀態,同時計算出目標電網中每臺發電機的端電壓和相角; 3)各個交流分區、直流分區均作為獨立電網,對各個獨立電網建模; 4)對各分區間的邊界電網進行處理; 5)對各個交流分區調試,使每個交流分區穩定狀態與目標穩定狀態相一致;對各個直流分區調試,在各個直流分區的送端和受端加理想電壓源模擬送端和受端的交流系統,并分別設置理想電壓源的電壓幅值和相角; 6)全網合并,將各個交流分區、直流分區合并到一個大電網,各分區的邊界電網處用導線進行連接。由于各分區穩定狀態已與目標穩定狀態一致,合并后的大電網與目標穩定狀態基本接近,只需進行微調即可達到目標穩定狀態。所述步驟1)對交流部分的分區按最小割集劃分,同時保證各分區的規模在50~100個節點之內。最小割集是指將一個網絡分割成兩個互不連通的子網絡的一組支路的最小集合,可見采用最小割集的方法可以使各交流分區間的聯絡支路數最少。所述步驟1)對直流部分的分區是以每一回路的直流作為一個直流分區。 所述步驟3)采用機電暫態仿真軟件BPA的潮流計算數據,并在PSCAD/EMTDC中分別建立相應的模型。 所述步驟4)各分區之間的邊界電網處理分為兩種情況: 4-1)功率送入的邊界電網處,采用理想電壓源代替,設定該節點處的電壓幅值和相交來實現相應功率的送入; 4-2)功率送出的邊界電網處,采用恒功率負荷代替,設定負荷的有功功率和無功功率來實現相應功率的輸出; 4-3)交流分區與直流分區的整流站連接處,采用負荷代替; 4-4)交流分區與直流分區的逆變站連接處,用電壓源代替。對于情況4-1)由于PSCAD/EMTDC中發電機出口處的升壓變一般采用Y/D11接線方式,而BPA穩態潮流計算結果中不考慮變壓器高壓側和低壓側的相角差30°,PSCAD/EMTDC中設定電壓源參數前要對電壓相角進行轉換。

二、與現有技術相比的主要優點

      將電磁暫態仿真應用于大規模交直流電力系統的分析,是我國電力系統發展、特別是直流輸電技術大規模應用而提出的一個迫切需求。現有技術主要采用機電暫態仿真軟件(例如BPAPSS/E等)對大規模交直流系統進行計算分析,雖然計算速度較快且對系統規模基本沒有限制,但由于現有的機電暫態仿真軟件中直流輸電模型均采用準穩態模型,對于不對稱故障等情況下直流輸電的動態響應模擬不準確,特別是在分析多直流饋入的受端系統發生交流故障導致直流逆變器換相失敗、以及故障清除后直流輸電系統恢復過程時,不能夠準確反映系統的動態特性,根據這樣的計算結果指導實際系統運行具有較大的風險,因而不得不采取更為保守的運行策略。因此,需要更為精確的電磁暫態仿真來進行補充分析,并為機電暫態仿真中采用直流輸電響應模型提供建模依據。在建立南方電網大規模交直流系統的電磁暫態仿真模型過程中發現,由于電磁暫態仿真原理上是建立在離散化微分方程、小步長、遞推計算的基礎之上,電磁暫態仿真初始穩定狀態的建立和調試問題是一個非常突出的技術問題。交直流大電網電磁暫態仿真規模龐大,仿真運行速度非常慢,查找和排除問題好使費力、效率低下,有時甚至無法找到錯誤。為了保證電磁暫態仿真能夠順利啟動并建立預期的初始化穩定狀態,需要投入大量時間進行繁瑣的調整。本發明提出的交直流大電網電磁暫態仿真分片調試的方法,目的是通過分片的思想將大電網的問題轉化成小電網進行解決,不但節省調試時間,而且可以達到協同工作的目的,使調試時間大為縮短,為交直流大電網電磁暫態仿真精確初始化提供了快速有效的方法。該方法已在南方電網大規模交直流(等值)系統全電磁暫態仿真建模中應用,為2012年以后各個年度建立多種運行方式的大規模交直流(等值)系統電磁暫態仿真建模、使電磁暫態仿真在南方電網運行方式計算中參與校核分析得以順利實現。

三、技術方案對本領域內技術革新、產品升級換代、解決本領域關鍵性、重要性技術問題的貢獻程度等

      將電磁暫態仿真應用于大規模交直流電力系統的分析,是我國電力系統發展、特別是直流輸電技術大規模應用而提出的一個迫切需求。應用電磁暫態仿真分析大規模交直流電力系統,是對傳統機電暫態仿真分析的一個升級和補充。而進行大規模交直流電力系統電磁暫態仿真分析,首先必須解決系統建模和大系統電磁暫態模型的調試問題。本發明提出的交直流大電網電磁暫態仿真分片調試的方法,創新性地將交直流大電網的電磁暫態仿真初始化問題轉化為多個獨立小電網的初始化問題。專利成果解決了大規模交直流系統電磁暫態仿真必然會面臨的一個關鍵技術難題,即電磁暫態仿真初始穩定狀態的建立和大規模交直流系統調試問題。應用專利成果可大幅減少大規模交直流系統電磁暫態模型的調試時間,能夠高效地使模型的初始穩定狀態達到目標穩定狀態,并保證模型中發電機釋放以后系統能繼續保持穩定運行而不產生數值振蕩,為后續電磁暫態過程故障仿真提供保證。這一發明成果的應用使大規模交直流電力系統電磁暫態仿真進入實際應用階段成為可能,為電磁暫態仿真技術開拓更為廣闊的應用領域做出了的貢獻。

【主要研究人員】

洪潮,趙勇,樊麗娟,夏成軍

【主要完成單位】

南方電網科學研究院有限責任公司

【所獲獎項】

南方電網科學研究院有限責任公司2015年專利獎二等獎
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