基于RT DS 的高压直流输电系统的建模与仿真M odeling and Emulation of HVDC System Based on RT DS张凤鸽1,张宏强2(1.武汉大学电气工程学院,湖北 武汉 430072; 2.二炮驻8602厂军代室,湖北 武汉 430034)摘要:介绍了高压直流输电(H VDC )系统的基本结构和工作原理。
利用RT DS 建立一典型单极6脉冲桥H VDC 系统的仿真模型,并仿真了该系统直流母线发生对地短路故障时的暂态过程,证实该模型和仿真方法实时、有效、直观。
关键词:高压直流输电系统;RT DS;模型;暂态过程[中图分类号]T M744[文献标识码]B[文章编号]1004-7913(2005)10-0021-03图1 HVDC 系统结构模型 高压直流输电(H VDC )技术是一种不同于常规交流输电方式的全新技术,与常规交流输电方式相比具有许多优点。
因此,世界上大功率长距离输电、海底电缆送电、交流系统间非同步联网等都广泛采用直流输电技术。
在我国,随着“西电东送、南北互供、全国联网”电力格局的形成,高压直流输电技术应用前景非常广泛。
目前,已有多个直流输电工程投产和在建。
实时数字仿真器RT DS (Real T ime Digital Simu 2lator )是为实现实时仿真电力系统暂态过程而专门设计的并行计算机系统。
RT DS 的数值仿真不仅具有很高的准确性和实时性,而且还能将网络状态方程的解通过D/A 转换,以物理量形式输出,与实际设备相连接,构筑灵活方便的数字—物理实验回路,进而对实际的控制装置和保护设备进行测试试验,是电力系统研究、规划、设计和运行分析的重要手段。
1 HV DC 系统的基本结构与工作原理H VDC 系统由换流站(包括整流站和逆变站)和H VDC 线路组成,有多种接线方式。
图1所示是1个单极6脉冲大地回流背靠背(BACK T O BACK )换流站系统构成图,主要包括以下设备。
a.换流变压器(换流变)。
变交流电压为桥阀所需电压。
b.换流器。
由晶闸管组成,用作整流和逆变。
换流器一般采用三相桥式线路,每桥有6个桥臂。
c.滤波器。
交流侧滤波器一般装在换流变压器交流侧母线上。
6n±1次谐波,高通滤波器吸收高次谐波。
直流侧滤波器一般装在直流线路两端,用有源滤波器广频谱消除谐波,单桥时吸收6n 次谐波,双桥时吸收12n 次谐波。
d.无功补偿器。
通常由静电电容器(包括滤波器电容)、静止无功补偿器向系统提供无功。
e.直流平波电抗器。
减小直流电压、电流的波动,受扰时抑制直流电流的上升速度。
在H VDC 系统中,可通过控制整流侧的触发延迟角α和逆变侧的逆变角β来控制电压、电流和功率的输送。
整流侧常用定电流I s 控制(I s 为给定值),其约束方程为直流电流I d =I s ,通过比较I d 和I s 的偏差来调节α,使二者偏差趋于零,达到控制目的。
逆变侧常用定熄弧角(γs )控制,保证晶闸管的可靠关断,其约束方程为γd =γs 。
2 HV DC 系统的仿真模型211 HV DC 一次系统模型利用RT DS/PSC AD 对一典型单极6脉冲H VDC122005年第10期 东北电力技术背靠背系统进行建模和仿真。
整流侧为额定电压60kV 交流系统网络,通过换流变压器后由单极6脉冲整流器整流,再通过H VDC 线路将电能输送到额定电压为345kV 的逆变侧交流系统。
为简化仿真模型,忽略直流侧滤波器和直流母线阻尼器。
交流系统额定频率为50H z ,换流站输送功率为102124MW ,额定直流电压为5618kV ,额定直流电流为316kA 。
4台换流变容量均为14412898MVA ,阀侧电压均为24kV ,直流母线两端平波电抗器的电感为014H 。
212 控制系统模型H VDC 的一次系统模型不能脱离极控系统而单独模拟运行,直流电压和直流电流的V d —I d 特性曲线是直流控制调节的基础,决定直流系统的稳态工况及受扰动时的动态特征。
整流侧最常用的控制方法是以I d 为控制对象,与αR (整流侧触发角)形成反馈控制,即所谓的定电流调节点火滞后角。
控制电路为比例-积分PI 调节电路,据此建立的αR 调节器仿真模型如图2所示。
图2 比例-积分定电流α调节器模型图3中,用I d 的测量值与参照值I d 1set (额定运行为I dN )的偏差ΔI d 经PI 环节确定αR 。
当I d 1meas <I d 1set 时,αR 减小,使I d 增大。
αR 的下限值(αR min )在工程中一般取5°,上限值(αR max )则取闭锁阀组时的90°(控制器停止状态时的αR 缺省值)。
同时在整流侧的控制中还加入了VDC L (低压限流)环节,当直流电压U DCmeas 过低时,控制器不会再继续保持电流恒定,而是适当地降低电流,避免系统发生连续的换相失败。
逆变侧调节器的定γ控制电路模型设计与整流侧的定电流控制模型类似,也是通过PI 调节形成γ—α1(逆变侧触发角)反馈电路,只是α1的取值范围为90°～155°,其中αI min =90°是由逆变与整流反相要求决定的,而αI max =155°是为了让逆变器的触发越前角(β)不小于25°,熄弧角(γ)不小于15°。
逆变器的控制除了定熄弧角控制外,也有定电流控制。
只不过逆变侧的定电流控制的电流整定值要比整流侧小一定的裕度。
在交流电压异常的情况下,逆变侧才可能获得电流控制权。
此时整流侧运行在αmin 控制范围,逆变侧的闭环电流调节器控制电流。
整流和逆变两侧的电流闭环控制器协调配合,在正常运行工况下,整流侧控制电流,逆变侧确定电压,这是在逆变侧的电流指令中减去一个电流裕度来实现的。
电流裕度值为额定电流值的10%,这样逆变侧的有效电流指令就比整流端低。
发生点火脉冲的关键是考虑如何与交流换相电压同步、触发脉冲是按相触发还是等间距触发。
首先,解决与交流换相电压同步问题,在实际中一般采用锁相环。
其次,为避免非特征谐波电流的产生,近30年来点火脉冲的触发均为等间距触发,即每一轮回α角的时间起始点等间隔、触发脉冲等宽度。
在PSC AD 的控制元件模型库中,有锁相环模型和等间距点火脉冲发生器模型,能方便地组合成切合实际的点火脉冲仿真模型。
6脉冲阀组(桥)的点火电路仿真模型如图3所示。
图3 点火脉冲模型3 HV DC 系统暂态过程的仿真与分析311 仿真结果模型编译通过后,在RUNTI ME 下设置仿真参数,并启动仿真,仿真步长为50μs 。
系统稳定运行后,在t 时刻发生直流母线对地短路故障,故障持续时间为0101s ,在故障发生的第t +01005s ,控制系统启动,关断了系统的所有阀组。
关断持续时间为011s ,之后故障解除系统开始恢复运行。
直流母线对地短路和恢复时,整流侧触发角(αR )、逆变侧熄弧角(γ)、直流电压(U DC )、直流电流(I d )、换流变阀侧A 相电流和整流侧母线电压的波形如图4所示。
312 分析结果H VDC 系统(见图2)的整流侧采用定直流控制,系统正常运行时,直流母线上电流I d =316kA ,基本恒定,整流侧U d 为5618kV ,当整流侧直流母线对地短路,负荷(逆变侧)被短路时,换流变阀侧电流和直流母线上的电流都会剧增。
短路电路是一交直流混合系统,其短路电流计算很繁杂,而仿真计算快捷、方便、准确(不像一般手工计算要作若干简化),同时给出变化波形。
由图4可22东北电力技术 2005年第10期图4 直流线路对地短路时的仿真波形(a)———整流侧触发角;(b)———逆变侧熄弧角;(c)———直流电压;(d)———直流电流;(c)———换流变阀侧A相电流;(f)———整流侧母线电压知,直流电流迅速升过316kA,换流变阀侧A相电流峰值接近10kA。
利用软件中TRACE工具,可以精确定位图中每一点的坐标,给出任意时刻变量的大小,以便做定量分析。
整流侧电流调节器用定电流控制,通过控制α来控制I d,通过比较实际I d和给定I s的偏差来调节α。
在整流侧直流母线对地短路的暂态过程中, VDC L的控制使用使α增大(由图4可见,此时α接近90°)。
同时两侧换流器仍能保持适当的电流(如图4换流变阀侧电流),消耗一定的无功功率,使换流站没有过多的剩余无功功率(由无功补偿设备产生的)流入交流系统,保持交流电压在允许范围内,所以交流母线电压波动不大(见图4)。
VD2 C L的控制有利于保持换流站无功功率的平衡。
正常工作状态下,逆变侧调节器的定γ控制,发生直流对地故障时,逆变侧进入定电流控制,定电流控制调节器的作用使故障发生时γ增大(见图4),阀组全部关断时,γ幅值达到180°。
故障发生的第01005s,保护控制系统启动,关断所有的阀组,整流器被阻断,I d被熄灭,并在极短时间内降到0。
整流侧输出电压变为零。
因VDC L的控制作用,直流系统对地短路故障并未使交流侧电压发生高频振荡,对交流系统扰动不大。
关断时间持续011s后,经过一段时间的调节,I d 逐渐恢复,重新达到316kA,U d振荡,并逐渐达到稳定值。
因直流母线两端未装设直流滤波器,故I d和U d所含谐波成分较大。
整个系统经过一段时间的调节,逐渐恢复正常的工作状态。
4 结束语利用RT DS能方便准确地对高压直流输电系统暂态过程中的动态特性进行建模和仿真,仿真时可实时显示各参数的变化,便于有效、直观地分析系统性能。
参考文献:[1] 廖 瑛,梁加红.实时仿真理论与支撑技术[M].长沙:国防科技大学出版社,2002.[2] RT DS T echnologies Inc.RT DS User M anual Set[R].Wuhan:Wuhan University RT DS test center,2001.[3] 倪以信,陈寿孙,张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京:清华大学出版社,2002.[4] 林良真,叶 林.电磁暂态分析软件包PSCAD/E MT DC[J].电网技术,2000.[5] 陈礼义,顾 强.电力系统数字仿真及其发展[J].电力系统自动化,1999.[6] 石 岩,张晋华,奚华中等.纯数字高压直流输电仿真培训系统的研究[J].电力系统自动化,1999.作者简介:张凤鸽(1980—),女,硕士,从事直流输电的研究工作。
(收稿日期 2005-06-22)322005年第10期 东北电力技术。