基于PSCAD软件±500kV直流输电系统操作过电压仿真研究

黄译丹+++邱雪梅

摘 要：以某直流输电系统工程为例，根据其参数利用电磁暂态软件PSCAD/EMTDC建立仿真模型，模型主要包括等值交流系统、换流变压器、交直流滤波器、平波电抗器、直流输电线路及接地极等各电气设备。运用模型对几种典型故障进行仿真，结果表明：此模型能够准确的模拟出直流输电系统，并为其输电工程的绝缘、故障分析以及过电压仿真提供了先决条件与依据，具有很大的实践意义。

关键词：直流输电工程；PSCAD；过电压

1 概述

随着我国国民经济的飞跃发展，电力系统作为国民经济发展不可分割的一部分，其规模发展越来越大，对其安全要求也越来越高。随着科研人员的潜心研究，电压等级越来越高、输送容量越来越大的直流工程在我国建成，等级越高则换流站设备的过电压水平就越高，从而导致事故出现几率增大，设备更容易损坏甚至也更加容易造成停电事故，以致于威胁电网运行[1-3]。如何让所建的直流工程安全运行是电网工作人员需要解决的重要问题，因而研究直流过电压有着至关重要的意义。

本文通过该模型对高压直流的典型故障如交流母线单相接地、换流站Y/Y换流变压器阀侧绕组接地和直流极线中点接线故障等进行仿真研究，为高压直流工程提供依据，为后续高压直流工程绝缘优化设计提供参考。

2 PSCAD/EMTDC仿真软件介绍

程序PSCAD/EMTDC是目前世界上被广泛使用的一种电力系统分析软件。在本仿真中主要运用的元件有：交流电源、电阻、电感、变压器、换流阀、输电线路等，这些元件直接从元件库选择简单又方便。除此之外，PSCAD还具有一项高级的功能即可以自行创建所需的元件，然后可以将所建元件封装成为一个新元件，或者采用Fortran或C语言编写创建一个新元件。只要熟练运用各种元件模型库，就能搭建所需要的模型。

PSCAD/EMTDC的建模步骤为：

（1）新建一个工程文件，将具体的仿真模型搭建在该工程文件中；（2）搭建完整的仿真所需电气主接线图，对其中的元件进行参数设置和对仿真环境进行设置等；（3）保存模型参数，进行编译；（4）运行并调试模型；（5）分析输出数据，验证模型。

3 模型介绍

直流输电系统主要由换流站和直流输电线路组成，其中换流站又包括整流站和逆变站。该直流输电系统为双极对称结构，主要的模块包括换流变压器、换流器、交直流滤波器、平波电抗器、直流输电线路和接地极等[4]。其主电路的结构图如图1所示。

4 仿真结果及分析

根据模型仿真计算结果可得，当交流系统发生单相接地故障时，换流站母线A相电压降低，这将使换相角增大，出现短时振荡现象。另外，会引起线电压过零点相对移动，使某些阀的关断越前角减小，故障后逆变侧γ角降为0°，小于最小关断越前角，此时发生换相失败故障。通过仿真可以清楚地发现极Ⅰ上出现电压振荡，在故障清除后快速恢复到额定运行状态。

当换流变阀侧A相发生金属性接地故障后，经过仿真研究得到，不论是在换流站整流侧还是在换流站逆变侧，直流系统的中性端与接地点之间经过未发生故障的两相构成短路回路。以A相作为故障相，当发生Y/Y换流变阀侧单相接地短路故障时，直流场内需要释放直流滤波器和直流极线上的能量，會引起过电压现象。

当直流线路中点极Ⅰ发生对地短路故障时，极Ⅰ与极Ⅱ的中点极线对地电压波形如图2所示。仿真计算得到，由于线路的耦合与感应作用，健全极即极Ⅱ上的电压波形出现明显的振荡过程，并且出现了明显的过电压且极Ⅱ产生过电压高达的708kV。若过电压超过线路的耐受电压时，会损毁导线，造成严重的事故。

5 结论

运用PSCAD对500kV超高压直流输电工程建模，并验证其正确性。双极运行时，当系统发生以上三种典型故障时，均会产生短时间的振荡，出现过电压，但在故障及时清除后，系统能快速恢复到额定运行状态。同时双极运行方式下，各种故障情况下的过电压均在设备允许范围内，符合工程的绝缘水平，为以后的高压直流输电工程设计提供依据。

参考文献

[1]梁旭明，张平，常勇.高压直流输电技术现状及发展前景[J].电网技术，2012，36（4）：1-9.

[2]曾南超.高压直流输电在我国电网发展中的作用[J].高电压技术，2004，30（11）：11-12.

[3]赵畹君.高压直流输电工程技术（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2011.

[4]谢海滨，屠幼萍，杨鹏程，等.±500kV直流输电系统双极运行时的内部过电压研究[J].宁夏电力，2009（1）：1-5.