基于ADPSS大區電網混合仿真的直流系統輔助控制建模

，

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2.河南電力試驗研究院，河南 鄭州 450052)

0 引 言

隨著中國西電東送和跨大區聯網戰略的逐步實施，直流系統的運行控制特性對電網安全穩定運行所造成的影響程度和影響層面越來越突出[1-4]。

當前使用較為廣泛的仿真軟件均考慮直流輸電環節。機電暫態仿真軟件(常見的有BPA、PSASP和PSS/E等)采用的直流準穩態模型無法實現對直流系統動態特性的精確仿真[5-6]。PSCAD/EMTDC是目前公認較權威的包含直流輸電系統的電磁暫態仿真軟件，但其所能模擬的系統規模較小，需要對電力系統進行等值簡化，降低了計算分析的準確性[7-10]。

近年來，中國電力科學研究院研究并開發的電力系統實時仿真裝置(advanced digital power system simulator，ADPSS)在含HVDC的大電網仿真研究中的應用得到廣泛關注。ADPSS可應用于機電-電磁混合仿真的模式，既詳細模擬HVDC內部快速暫態變化過程，又不需要對外部網絡簡化等值，大大提高仿真分析的準確性[11-13]。但是ADPSS電磁暫態程序ETSDAC提供的直流控制系統模型缺乏相應的直流輔助功能控制模塊，控制特性較工程實際尚有較大差距。

為了解決上述問題，利用ADPSS電磁暫態程序ETSDAC的用戶自定義功能，以Simens的直流輔助控制為參考，建立了換流變壓器分接頭控制和換流站無功控制的輔助控制模型；探討了直流系統無功消耗、關斷角、換相角、直流電流等變量之間相互關系，提出分接頭調整和無功補償裝置投切的聯合控制策略；在此基礎上，將輔助控制應用到含HVDC的實際大電網進行混合仿真分析，驗證了模型的有效性，分析了輔助控制模型對直流系統穩定性的影響，為交直流大電網運行特性的仿真研究提供參考。

圖1 分接頭控制框圖

1 輔助控制模型及控制策略

1.1 換流變壓器分接頭控制(TCC)建模

換流變壓器分接頭控制的基本控制原則是保持整流側觸發角、逆變側熄弧角和直流電壓運行在指定范圍內[14]。模型的主要結構見圖1，可分為輸入信號選擇與處理、滯環比較控制、輸出脈沖控制三個層級。

模型基本控制模式有兩種，可手動切換。

1)角度控制

整流側分接頭采用角度控制時，觸發角α維持在指定范圍內(15°±2.5°)，以保證觸發角留有可調范圍的同時盡量提高換流器的功率因數；逆變側分接頭角度控制則保持一周期12個關斷角中的最小值γmin不超出指定范圍(18°±2°)。

2)電壓控制

對于直流電壓Ud的控制，當其偏離指定范圍(0.98～1.02)且超過時滯時間時，分接頭動作調節電壓。

模型根據控制模式的設定選擇輸入信號，并通過一階平滑器PT1濾除干擾信號。與經典分接頭控制相比，模型控制參數的指定范圍由自定義雙回環滯環比較器LVM2確定，采用這種方法對控制量的上限和下限分別設定兩個門檻值，從而避免了當測量值接近臨界值時，測量值的誤差信號使分接頭控制誤動作。模型考慮了分接頭動作的時滯時間(3 s)，在時滯時間內控制量短時超出指定范圍分接頭不切換，主要目的是為了防止調節機構來回頻繁動作。

1.2 無功控制(RPC)建模

無功控制為濾波器投切控制模式之一，主要功能是通過投切交流濾波器組或電容器組實現交直流無功功率交換的平衡[15-16]。換流站與交流系統的無功交換Qsys可以表示為

Qsys=Qdc-Qfilteract

(1)

式中，Qdc為換流站吸收的無功；Qfilteract為投入運行的濾波器實際提供的無功。

直流系統運行狀態發生變化時，無功控制就將換流站與交流系統間的無功交換限制在允許范圍內。

實際上，交流電網隨著全網負荷水平的不同而不斷變化，投入運行的無功濾波器的出力也不是一成不變的，實際無功出力可由式(2)得到。

Qfilteract=(Uac/UacN)2Qtotal

(2)

式中，Uac為實際交流母線電壓；UacN為無功設備設計時考慮的交流母線額定電壓；Qtotal為當前狀態下已投入總的無功補償設備的額定容量。

通過運行人員工作站(QWS)可以確定當前運行點的理想不平衡無功Qac和允許不平衡無功ΔQ，換流器消耗功率由式(3)求出。

(3)

式中，Ud和Id分別為直流電壓和電流；α為整流側觸發角；μ為換相重疊角。當換流器位于逆變站時，用熄弧角替換式中的α。

當滿足Qdc-(Uac/UacN)2Qtotal+Qac≥ΔQ時，發出無功補償設備投入命令。

當滿足(Uac/UacN)2Qtotal-Qac-Qdc≥ΔQ時，發出無功補償設備切除命令。

為防止濾波器無功出力在投切控制臨界點造成濾波器頻繁投切，雙回環滯環比較器對無功交換設定上限和下限分別設置兩個門檻值。模型主結構如圖2所示。

圖2 無功控制框圖

考慮到交流母線電壓在無功控制過程中的變化，模型設置電壓限制投切功能，當電壓達到“隔離”或者“跳閘”級別時，無論不平衡無功是否在指定范圍內，都將自動分閘，直到只剩下最小濾波器，保證系統安全。此外，在換流母線發生交流短路故障時，無功控制功能將自動閉鎖，以避免開關頻繁誤動。

1.3 TCC與RPC聯合控制

基于ADPSS的特高壓直流輸電控制系統模型的基本控制方式是，整流側由定電流控制和αmin限制兩部分組成，逆變側配有定電流控制、定電壓控制和定關斷角γ控制，此外，整流側和逆變側都配有低壓限流控制(VDCOL)。其穩態方程如下。

(4)

式中，Ud1和Ud2為整流站和逆變站的直流電壓；U1和U2為整流站和逆變站換流變壓器閥側空載線電壓有效值；Id為直流電流；Xr1和Xr2為整流站和逆變站每相的換相電抗；α為整流器觸發角；γ為逆變側關斷角。

正常運行時，整流側為定電流控制模式，逆變側為定γ控制，一般直流換流器控制靠改變換流器的觸發角來間接調節Id和γ達到整定值(1～10 ms)。

當直流電流整定值Idref發生大幅改變時，由式(4)可知，若要在電流達到指令值的同時使得直流系統維持正常的換流器控制模式，需人為調整換流變壓器閥側空載線電壓值(U1、U2)，通過改變換流變壓器的變比k或換流母線的電壓Uac來調節直流的穩態運行特性，此類調整一般由改變換流變壓器分接頭檔位和投切無功濾波器實現，且兩種輔助控制之間相互影響[17]。

換流器對于交流系統而言是一種無功負荷，其功率因數由式(5)確定。

(5)

其中，換相重疊角

(6)

由式(5)和式(6)可知，若調節換流變壓器檔位，閥側電壓U1改變，μ和tanΦ的數值均會發生變化，從而影響換流器消耗的無功量，導致換流母線的電壓Uac和直流運行參數發生波動。反之，運行參數的改變又將影響分接頭控制的輸出，可能引起分接頭位置的再次變化。因此分接頭檔位的調整和無功補償裝置的控制需要相互配合來確定最終的穩定運行狀態。

TCC與RPC的聯合控制策略如圖3所示，將換流站的控制分為3個層次，第1層為直流系統換流器控制層，第2層為無功控制層，第3層為換流變壓器分接頭控制層。第2層與第3層的輔助控制之間的控制級別為：第2層優先，第3層次之。即直流系統運行參數發生改變時，首先控制無功補償裝置的投入使無功不平衡量和換流母線電壓回到規定范圍；然后調整換流變壓器分接頭，將α、Ud2等直流參數調節到正常值；由于直流參數的變化對于系統無功消耗存在影響，必要時，需重新改變無功補償的投入，再次調整分接頭。

圖3 聯合控制策略

2 仿真分析

2.1 算例情況與仿真方案

仿真數據基于華中電網2014規劃冬大方式，該數據中含有16 698個節點、8 686條交流線路、1 725臺發電機和14條直流輸電線路。其中哈密—鄭州直流輸電工程額定功率8 000 MW，額定電壓±800 kV，將成為中國輸送容量最大、輸送距離最遠的特高壓直流，其穩態運行特性成為影響華中電網安全穩定性的重要因素。

為精確模擬換流器、直流控制系統物理過程，同時保留大電網運行特性，對系統采取混合仿真。機電暫態接口位置選在與HVDC直接相連的交流母線，直流部分劃分到電磁子網，交流系統劃分到機電子網。輔助控制模型通過自定義模塊(UDM)的“接口變量”與仿真主系統連接，實現模型在主系統中的“安裝”及調用。輔助控制的配置如下：整流側換流變壓器分接頭采用角度控制，逆變側采用電壓控制；送端換流站位于電廠附近，可利用交流系統的部分無功源，因此只考慮逆變側的無功控制以維系該側換流母線電壓。

2.2 輔助控制的動作特性及機理分析

考慮運行狀態Ⅰ：直流系統自5 s開始進入持續時間為2 h的短期過負荷狀態。輔助控制的動作過程及對直流運行參數的影響如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，直流功率提升后，所建的無功控制自定義模塊能夠正確響應，投入13組無功補償裝置，為直流系統提供無功支撐。此時換流站其他運行參數(直流電壓、觸發角等)存在越界的現象，兩側換流變壓器分接頭控制自定義模塊同時發出動作指令，分接頭檔位分別降低至-3和-2，從而提高兩端換流變壓器閥側繞組電壓，使得觸發角回升至14°，直流電壓穩定在0.99 p.u.。分接頭調整過程中，逆變側空載直流電壓的增大導致換流站無功需求增加，因此在逆變側換流變壓器分接頭第二次動作時，無功控制模塊根據新的檔位對無功補償進行調整，增加投入1組無功補償裝置，使不平衡無功重新達到規定范圍。調整后，逆變側直流電壓仍控制在理想范圍內，換流變壓器分接頭不需要再次動作。

圖4 直流過負荷期間輔助控制的動作

圖5 輔助控制對直流運行參數的影響

2.3 輔助控制的影響分析

表1對比了無輔助控制與投入輔助控制兩種情況下的直流穩態運行參數。

表1 不同控制策略下直流穩態參數

注：控制1為無輔助控制；控制2為投入輔助控制。

可以看到，在直流過負荷的運行方式下，投入TCC與RPC的聯合控制，在維持直流系統逆變側無功平衡和換流母線電壓穩定方面效果顯著，同時換流站運行參數被控制到指定范圍內，直流系統的穩態運行性能得到大大改善。

在運行狀態Ⅰ的基礎上假設故障：逆變站交流母線“豫鄭州換”母線三相短路接地，接地電阻為60 Ω，開始時間為20 s，結束時間為20.1 s。比較表1兩種情況下的逆變側閥電流波形，如圖6所示。

圖6 兩種控制模型下逆變側閥電流波形

由圖6的閥電流波形可以看到，輔助控制的投入避免了故障期間“換相失敗”現象的發生。這是因為：在直流過負荷的運行方式下，TCC與RPC的聯合控制提高了逆變器的換相電壓，增大穩態時的關斷余裕角，從而減少“換相失敗”發生的風險，使得直流系統對交流系統故障導致的“換相失敗”承受能力更強。

3 結 論

(1)利用ADPSS用戶自定義功能建立的包括換流變壓器分接頭控制和換流站無功控制的直流輔助控制模型能夠正確響應直流系統運行狀態的變化，適用于實際大區電網的混合仿真分析。

2)考慮直流換流器參數與換流站無功調整之間的交互影響，模型對分接頭調整和無功補償裝置投切之間采用聯合控制，從而達到維持換流站無功平衡和保證直流理想運行參數的雙重控制目標。

3)與ADPSS原有直流輸電模型相比，輔助控制模型的投入對改善直流穩態運行性能效果顯著，有效減少“換相失敗”的風險，有利于維持直流輸電系統的安全穩定運行。

[1] 吳寶英,陳允鵬,陳旭,等. ±800 kV云廣直流輸電工程對南方電網安全穩定的影響[J]. 電網技術,2006,30(22): 5-12.

[2] 毛曉明,管霖,張堯,等. 含有多饋入直流的交直流混合電網高壓直流建模研究[J]. 中國電機工程學報,2004,24(9): 72-77.

[3] 汪隆君,王鋼,李海鋒,等. 交流系統故障誘發多直流饋入系統換相失敗風險評估[J]. 電力系統自動化, 2011,35(3): 9-14.

[4] 周俊,郭劍波,胡濤,等. 高壓直流輸電系統數字物理動態仿真[J]. 電工技術學報，2012,27(5): 221-228.

[5] 徐政,蔡曄,劉國平. 大規模交直流電力系統仿真計算的相關問題[J]. 電力系統自動化，2002,26(15): 4-8.

[6] 李秋碩,張劍,肖湘寧,等. 基于RTDS的機電電磁暫態混合實時仿真及其在FACTS中的應用[J]. 電工技術學報，2012,27(3): 219-226.

[7] 劉文焯,湯涌,萬磊,等. 大電網特高壓直流系統建模與仿真技術[J]. 電網技術,2008,32(22): 1-3.

[8] 于占勛,朱倩茹,趙成勇,等. 高壓直流輸電換相失敗對交流線路保護的影響 (一)含直流饋入的山東電網EMTDC建模與仿真[J]. 電力系統保護與控制,2011,39(24): 58-64.

[9] 龍霏,蔡澤祥,李曉華,等. 含多饋入直流的廣東電網EMTDC仿真建模[J]. 電力系統自動化,2010,34(3): 53-57.

[10] 慈文斌,劉曉明,劉玉田. ±660 kV銀東直流換相失敗仿真分析[J]. 電力系統保護與控制，2011, 39(12): 134-139.

[11] 岳程燕,田芳,周孝信,等. 電力系統電磁暫態-機電暫態混合仿真的應用[J]. 電網技術,2006,30(11):1-5.

[12] 田芳,李亞樓,周孝信,等. 電力系統全數字實時仿真裝置[J]. 電網技術,2008,32(22): 17-22.

[13] 朱旭凱,周孝信,田芳,等. 基于電力系統全數字實時仿真裝置的大電網機電暫態-電磁暫態混合仿真[J]. 電網技術,2011,35(3): 26-31.

[14] 王峰,徐政,黃瑩,等. 高壓直流輸電主回路穩態參數計算[J]. 電工技術學報. 2009, 24(5): 135-140.

[15] 張嘯虎,曹國云,陳陳. 高壓直流系統低功率運行時的無功控制策略[J]. 電網技術,2012,36(1): 118-122.

[16] 張望,郝俊芳,曹森,等. 直流輸電換流站無功功率控制功能設計[J]. 電力系統保護與控制,2009,37(14): 72-76.

[17] 劉崇茹,張伯明. 考慮換流變壓器和無功補償協調控制計算AC/DC系統有功-電壓曲線[J]. 電力自動化設備,2009,29(1): 50-53.