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1、一5 4 6 2 0 0 8 中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集 特高压直流输电系统实时闭环仿真建模研究 高鹏1 ，胡铭1 ，蔡汉生2 ，田杰1 ，陈松林1 ( I 南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市，2 1 1 1 0 0 ；2 中国南方电网公司技术研究中心，广东省- e d 市，5 1 0 6 2 3 ) 摘要：基于R T D S 仿真器和南瑞继保研制的$ O O k V 直流控制保护样拟搭建了云广直流输电系统“孤岛”运行方式实时闭环仿真捌。 为验证所建j 羹型的有效性和可侈| 生，与非实时电磁暂态戢许P s c A D 日仃D c 对单电气元件特性、云广直流输电系绒稳态潮流和暂态
2、犄征 进行了仿真校核和分析。校核结果显示，两种仿真t 射期取的电气元件特J | 生、系统稳态潮流和暂态特征基本一致，从而表明了搭建的 实时闭环云广直流输电系统的可信l 生。由于考虑了实际I J H V D C 控制与保护设备的控制作用，所搭建的闭环云广直流仿真系统将更能反 映实际交直流系统的动态特l 生和更具备实际工程的参考价值。所迷的闭环云广直流输电仿真系统已成功应用于云广特高压直流输电工 程相关的多项关键刑罚颐目，为云广特高压直流输电系统的建设和运行提供了有力的技术支持。 关键字：特高压直流实时数字仿真；控制与保护；建模 0 引言 随着中国电力需求的增长，输电电网应具备更高 的输电能力和输
3、电效率，以满足安伞可靠、经济合理 的大容量、远距离输电的需要。研究表明，8 0 0 k V 电压等级直流输电可以加快推进我国电网技术升级， 提高远距离、大容量输电的效率和经济性，节约输电 走廊资源，为我国后续两电东送项日输电规划奠定坚 实的基础“。 本文介绍了基于R T D S 仿真器与南瑞继保公司自 主研发设计的U I W D C 控制及保护系统样机搭建的闭环 控制仿真试验环境。为验证所搭建的闭环仿真系统的 有效性和可靠性，与P S C A D 哪电磁暂态软件对电 气元件模型、云广直流输电系统“孤岛”运行方式稳 态潮流和暂态特征进行了仿真比较分析。仿真校核结 果基本一致，从f 酊验证了所建闭
4、环云广直流输电系统 电磁暂态仿真模型的可信性。本文所述的闭环云广直 流输电仿真系统已成功应用于完成云广特高压直流输 电I ：程相关的多项关键科研项目，为云广特高压直流 输电系统的建设和运行提供了有力的技术支持。 1 仿真工具及建模 1 IR T D S 仿真器简介 R 7 r D S 是世界L 优秀的实时数字仿真系统之一。 叶。_ 五”国家科技支撑计划特高压输变电系统开发与示范” 项目( 课题编号：2 0 0 6 B A A 0 2 A 1 8 ) 盯D S 采用并行处理的硬件结构和高速D S P 芯片，利用 数学上可分隔f 系统的概念在各运算芯片或芯片组之 间分担计算任务，各子系统之间的联结
5、使用传输线模 型或变压器模型。R T D S 是计算机并行处理技术和数 字仿真技术发展的产物，是套专门用来对电力系统 电磁暂态过程进行全数字模拟的仿真装置。R T D S 仿 真能够经D A 转换后通过高性能的电压、电流放大器 实时地输H ，可用于进行自动控制和保护等设备的闭 环试验，完成系统分析研究，设稀研发及各种培训。 基于相似原理的物理动模仿真系统保留了实际 系统的物理特征，仿真结果受到广泛认町。但其模拟 电机的参数变化范围有限，难以满足具体不同机组的 仿真需求，且参数调整和匹配困难；动模P I 型线路品 质因数较低，长线路模拟可能会暂态特性失真；与过 电压研究息息相关的换流变饱和特性等
6、参数难以与实 际匹配。因此，动模在基于实际系统参数的系统研究 分析中，越来越被方便、快捷和灵活的数字仿真所取 代。与B P A 、S i m p o w 和P S S E 等数字机电暂态程科日 比，R T D S 仿真器提供的暂态仿真结果要深刻得多，能 够详细地模拟出一些在机电暂态程序中没有的现象， 且R I D S 仿真得到的系统特性包含了一个很大的频率 范围( 直流达几千赫兹) ，在这个频率范围内，R r I D S 仿 真系统是精确分析电力系统现象的理想工具3 l 。因此， 国内一些学者提出“未来柔性交流输电技术F A C T S 的 各种电力电子装置的样机试验将首先考虑在实时仿真 器L
7、 进行”】。 1 2 特高压直流控制保护系统样机简介 2 0 0 8 中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集 5 4 7 本次闭环控制仿真所用的特高压直流控制保护 系统样机采用南瑞继保公司研制的+ 8 0 0 k V 直流摔制 保护样机，该样机经过8 0 0 k V 直流数字和物理仿真 模型的验证，能够满足特高压直流控制和保护功能的 要求。图1 所示是该U H V D C 控制保护系统的层次结构 示意图。 图18 0 0 k V 直流控制保护系统的总体层次结构 魄1 船狮 y o f 土8 0 0 k V 【j D c o 叫删柚d 呻恤咖1s y s t e m 1 3 特高压直流控制保护样
8、机与R T D S 的连接 分别片j 一个R A C K 模拟特高压直流输电系统的整 流侧和逆变侧一次的电气系统，两个r a c k 之间通过直 流输电线路连接。直流控制保护系统采用实际 】 t V D C 控制保护样机。R T D S 通过接口板卡与控制保护系统直 接连接，形成闭耶控制，具体连接如图2 所示。另外， 医 1 卜挟流变二次侧蹙漉电漉 c一D D A C 卜一交流母线电压+ L j 直流滤渡器电巍， 直 R 碹A 流C K 站JE 厂1 一断路器、隔离开关开，合命夸一 蠢 匕一D O c F c r O 卜换流变分接头升，降命夸一 控 l - 控制方式选择 匡 _ 一D o P
9、r or 斯路嚣隔离开关的开7 台状务 慑 o c L 挟流变分接头位置状杏 护 际 E 屯亘卜叫发脉忙 统 R A C K 2 逆：啦站 图2 吣控制保护设备与R I 0 8 的连接示意图 R 9 2 S l 【e l d l d i a 粤o f 她h n k0 f I J H 、，D c m o l 删硎 咖卸d n l e 麟 再利H j 两个R A C K 分别模拟小湾电厂铆金安桥电厂交 流输电系统，并通过电厂交流出线与整流站R A C K 联 系，直流受端系统采用考虑系统强度的电压源模拟， 从而形成云广直流输电“孤岛”运行方式闭环仿真模 型。 2R T D S 与E M T D C
10、 仿真模型校核 m S 和E 盯D c 虽然都属于电磁暂态仿真，但是 R T D S 由于其实时仿真、快速计算的需要，其计算方法、 元件特性模拟及实现等与啪c 电磁暂态计算有一定 区别。为保证R T D S 仿真模型的可靠性，有必要利用 E M T D C 非实时迭代仿真工具校核模型。 2 1 发电机模型校核 发电机相关模型主要来源于设计单位。肿S 和 F 2 帆 D C 都采用7 阶水轮机模型。因不涉及电机内部故 障仿真，E f f r x 2 发电机模型没有模拟电机饱和特性， 其他参数基本致。E f f D c 自定义与K I D S 致的励磁 和调速模型。采用发电机经升压变带恒定负荷的1
11、 机 2 节点交流模型，通过模拟负荷有功突降， 图3 系统频率变化轨迹比较 图4 系统电压变化轨迹比较 F i 9 4 恤哪豳o f s y s t e m v o l t a g e c u r v e s 去校核发电机的动态特性。图3 和图4 分别是R T D S 和哪模拟的系统频率及升压变高压侧电压仿真轨 迹比较图。两图显示，R T D s 和日| n D C 仿真轨迹及其变 化趋势基本一致，说明所用的发电机模型动态特征基 本一致。 5 4 8 2 0 0 8 中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集 2 2 线路和滤波器模型校核 2 2 1 线路和滤波器模型校核方法 _ 一 图5 楚雄D
12、 T l1 2 4 型交流滤波器阻抗频率扫描轨迹比较 H 9 5 1 h c c 0 叫m d 湖10 f h 叫a 面咖磺l c y c u r v e so f A C f i l t e r s 研1 1 2 4 ) i n C h u X i o n gs t a t i o a ” 图6 楚雄D T l1 2 4 型交流滤波器相位频率扫描轨迹比 交 F i 9 6 叶B c o q ， I I i s 伽o f R o q 唧叫c I v e s o f A C f d t e r s ( D T l l 2 4 ) i n C h u X i o n gs t a t i o n
13、通过对交直流线路和滤波器的阻抗和相位进行频 率扫描并比较其轨迹，从而实现模型的特性校核。目 前，目棚) C 具有比较成熟、准确的频率自动扫描模块 ( H a r m o n i cI m p e d a n c eC o m p o n e n t ) ，但R T D S 没有相 应的频率自动扫描功能。经研究，可考虑利用频率可 控的电压源连接被测电气元件，通过线性变化频率或 者基于S c r i p t 语言编写自动扫描脚本文件去实现对 元件频率特性的轨迹扫描。基于M A T I A B 将R T D S 与 E M T O C 扫描的频率特性轨迹置于同一图中比较。图5 和图6 所示分别是基于
14、上述方法得到的楚雄换流站 D 1 1 1 2 4 型交流滤波器阻抗和相位频率特性轨迹比较 图。由两图可知，两种仿真工具模拟的元件频率特性 非常一致。 2 2 2 线路和滤波器模型校核结论 利用2 2 1 节所述方法，对仿真系统中直流极线、 两站接地极、电厂交流出线和整流、逆变腿站的交、 直流滤波器组等模 i ! ! 分别进行频率特性扫描和比对， 比较结果显示R 1 D s 和唧两种电磁暂态仿真上具仿 真的各电气元件频率特性基本致，从而校核了R T D S 对交直流线路和滤波器等仿真模拟的可信性。因篇幅 所限，咨频率特性对比轨迹不列出。 2 3 云广“孤岛”运行方式仿真校核 分别基于E M T
15、D C 和R T D S 仿真工具，对南方电 网8 0 0 k V 云广直流输电系统“孤岛”运行方式。进 行潮流计算和暂态稳定计算分析，对基于两种工具的 仿真计算结果进行比较和分析。 2 3 1 稳态潮流校核 云广“孤岛”运行方式，直流定功率控制腻额 定输送直流功率5 0 0 0 M W 。比较R T D S 和E M T D C 仿 真的稳态潮流结果，各交直流母线电压大小，创。发 电机的有功和无功出力，线路输送的有功等电气量基 本致。表1 和表2 所示分别为机组H 力和交流线路 输送有功功率的仿真比较，因篇幅所限，其他电气量 的比较不列出。 表1 机组出力 E 较表 T a b l e1m
16、c o m 脚o f o u t p u t so f g e n e r a t o r s 表2 交流线路有功功率比较表 T a b l e 2 T h e c o m p a r i s o n o f a c t i v ep o w e r o f A C l i n e s 2 3 2 暂态特性校核 为了校核所搭建的基于R T D S 和实际特高压直流 控制保护样机的闭环电磁暂态仿真系统的动态特性可 信性，选取一个典型故障扰动进行系统暂态特性对比， 分析比较基于E M T D C 和基于R T D S 两种工具的仿真 结果，以验证所建仿真模型的可靠性。 本次仿真强正选择的故障类型为云广直流额定运 行，小湾电厂单凹 b 线送端三相接地永久性故障， l O O m s 后主保护动作切除
