基于RTDS的高压直流输电系统的建模与仿真

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 VDC

1

22005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

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

2

2东北电力技术 2005年第10期