基于工業(yè)控制平臺(tái)柔性直流輸電仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康建爽，周群英，曹森，郝俊芳，孫寶丹，蔣懷震

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

將式6帶入4可得：

基于工業(yè)控制平臺(tái)柔性直流輸電仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康建爽，周群英，曹森，郝俊芳，孫寶丹，蔣懷震

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

針對(duì)傳統(tǒng)柔性直流輸電工程換流器橋臂開關(guān)頻率高、橋臂模塊間動(dòng)態(tài)均壓困難、系統(tǒng)能耗大等缺點(diǎn)，提出將模塊化多電平控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際柔性直流輸電工程。結(jié)合模塊化換流器橋臂結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析其充電過程及換流站電路結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)柔性直流有功功率、無功功率控制算法，并通過實(shí)際工業(yè)級(jí)控制平臺(tái)完成換流器橋臂控制器設(shè)計(jì)；結(jié)合主流RTDS仿真平臺(tái)搭建實(shí)際閉環(huán)仿真系統(tǒng)，完成工業(yè)級(jí)柔性直流控制器控制功能仿真測試并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程對(duì)今后柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)有實(shí)際借鑒意義。最后，對(duì)柔性直流推廣應(yīng)用進(jìn)行展望。

工程應(yīng)用；工業(yè)控制；MMC；RTDS；DQ變換；解耦

0 前言

柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于高壓直流輸電工程，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于相控高壓直流輸電技術(shù)，具有諸多優(yōu)勢。如換流器件采用全控型器件IGBT代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶閘管，無需電網(wǎng)提供換相電壓，不存在換向失敗問題，適用于無源網(wǎng)絡(luò)或弱電網(wǎng)系統(tǒng)中[1-5]等諸多優(yōu)勢。

目前，國際上已投運(yùn)的柔性直流輸電工程，主要是基于兩電平、三電平技術(shù)開發(fā)而成。存在換流器橋臂模塊開關(guān)頻率高，達(dá)到2 000 Hz～3 000 Hz；換流器損耗大；IGBT模塊間均壓困難等不足。而基于模塊化理論柔性直流輸電技術(shù)大幅降低系統(tǒng)模塊的開關(guān)頻率，有效降級(jí)了換流器的能耗；采用分布式電容代替直流雙極母線間電容，有效地解決了模塊間均壓的難題[6-7]，更加符合未來市場需求。

對(duì)模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)研究大都基于Matlab或PSCAD等純軟件建模仿真完成，與實(shí)際工業(yè)控制應(yīng)用聯(lián)系并不緊密。本文采用實(shí)際工業(yè)控制平臺(tái)完成模塊化多電平控制器設(shè)計(jì)，并通過在RTDS平臺(tái)上搭建的換流站一次仿真模型構(gòu)成閉環(huán)仿真系統(tǒng)，完成對(duì)上述控制器控制性能優(yōu)化驗(yàn)證，更加貼和實(shí)際工業(yè)控制應(yīng)用。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及充電分析

模塊化多電平換流器單相橋臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，毎個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊 (SM sub model)串聯(lián)橋臂電抗器構(gòu)成。每個(gè)子模塊由兩個(gè) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)、兩個(gè)二極管、一個(gè)模塊電容、一個(gè)保護(hù)晶閘管以及一個(gè)高速旁路開關(guān)組成。

換流器作為柔性直流輸電系統(tǒng)功率輸送的核心器件，在進(jìn)行直流功率傳輸前，首先必須完成換流橋臂子模塊電容充電。具體充電過程可以分為兩個(gè)階段，即換流器閉鎖階段充電、換流器解鎖階段充電。

圖1 單相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

換流器在閉鎖階段充電是通過續(xù)流二極管構(gòu)建充電回路來完成的。以圖2所示分析，設(shè)定交流電壓Ua＞Uc＞Ub，則換流器上下橋臂A相、B相同時(shí)導(dǎo)通。對(duì)于上橋臂，通過A相各子模塊續(xù)流二極管完成對(duì)B相子模塊電容充電；對(duì)于下橋臂，通過B相各子模塊續(xù)流二極管完成對(duì)A相子模塊電容充電。經(jīng)第一階段充電后直流母線電壓為交流母線線電壓的峰值[7]。以 A、B相為例，具體充電過程及電流流向如圖2箭頭所示：

圖2 子模塊充電框圖

對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用，經(jīng)過第一階段充電后直流電壓并不能滿足實(shí)際運(yùn)行中對(duì)直流電壓等級(jí)的需求，需要對(duì)換流器進(jìn)行二次充電來提高直流電壓，以滿足實(shí)際運(yùn)行要求。在換流器的二次充電階段，是通過對(duì)換流器施加觸發(fā)脈沖，采用定直流電壓的控制方式，使得直流電壓精確的達(dá)到預(yù)定值。換流器橋臂充電后第一階段、第二階段直流母線電壓波形如下圖3所示：

圖3 換流器充電后直流電壓波形圖

2 控制策略

對(duì)于傳統(tǒng)的基于晶閘管技術(shù)的柔性直流輸電工程，一般只需完成對(duì)系統(tǒng)有功功率控制，系統(tǒng)所需無功功率，需要通過投入或切除交流濾波器來完成。對(duì)于模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)除需完成對(duì)系統(tǒng)有功功率控制，還需要完成對(duì)系統(tǒng)無功功率控制，控制器設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。圖4所示為一柔性直流換流站等效結(jié)構(gòu)圖，以該圖示為例進(jìn)行系統(tǒng)有功、無功解耦控制策略理論推導(dǎo)設(shè)計(jì)[9-15]。

圖4 換流站等效簡化模型圖

如上圖4所示，由基爾霍夫定理可得：

其中：

將公式2帶入公式1并分相展開可得：

對(duì)公式3進(jìn)行d_q坐標(biāo)變化并移項(xiàng)重組可得：

式5表示等效電抗上的等效壓降，對(duì)該部分通過一階比例積分的形式進(jìn)行等效設(shè)計(jì)，即：

將式6帶入4可得：

其中：

id_ref：對(duì)應(yīng)系統(tǒng)有功功率參考

iq_ref：對(duì)應(yīng)系統(tǒng)無功功率參考

Vvc_d_ref：對(duì)應(yīng)閥側(cè)電壓有功參考

Vvc_q_ref：對(duì)應(yīng)閥側(cè)電壓無功參考

對(duì)式7進(jìn)行分析可知，換流器閥側(cè)電壓有功、無功，除受注入換流器有功、無功電流影響外，還受系統(tǒng)交流電壓以及相互間有功、無功電流耦合影響。

3 多電平控制器設(shè)計(jì)

由上述分析可知，系統(tǒng)有功、無功控制即受注入交流系統(tǒng)有功、無功電流影響，亦受系統(tǒng)本身電壓及有功、無功電流耦合交叉影響。為抵消系統(tǒng)本身電壓及電流交叉耦合影響，在具體控制器設(shè)計(jì)過程中，采用前饋控制環(huán)節(jié)彌補(bǔ)上述影響，具體控制邏輯如圖5所示。

圖5 換流器控制邏輯控制框圖

由圖5所示可知，引入前饋控制環(huán)后，通過控制注入交流系統(tǒng)有功、無功電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)有功、無功精確控制。在具體控制器設(shè)計(jì)過程中，在計(jì)算求得系統(tǒng)有功、無功參考分量后，需要通過DQ反變換環(huán)節(jié)，求得三相橋臂各自對(duì)應(yīng)調(diào)制電壓并發(fā)送到RTDS仿真裝置，由RTDS模擬完成換流器橋臂觸發(fā)過程，構(gòu)成整個(gè)閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

4 仿真模型構(gòu)建

本仿真系統(tǒng)以RTDS為基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建，并結(jié)合實(shí)際的控制保護(hù)裝置來完成整個(gè)柔性仿真系統(tǒng)構(gòu)建。RTDS具體完成對(duì)換流站兩側(cè)交流輸電系統(tǒng)、換流站、直流輸電電纜、換流器橋臂、橋臂電抗以及啟動(dòng)電阻等直流一次相關(guān)設(shè)備模擬。具體仿真模型如圖所示。

圖6 基于RTDS換流站等效模型

5 仿真及結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)際控制性能，分別在如下四種工況下驗(yàn)證控制器實(shí)際控制能力：

1)系統(tǒng)無功出力為0，系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)由當(dāng)前300 MW調(diào)節(jié)到-300 MW穩(wěn)定運(yùn)行；

2)系統(tǒng)有功出力為0，系統(tǒng)無功功率調(diào)節(jié)由當(dāng)前0 MVA調(diào)節(jié)到-300 MVA；

3)系統(tǒng)無功出力為0，系統(tǒng)有功功率300 MW下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況；

4)系統(tǒng)有功出力為0，系統(tǒng)無功功率200MVA下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。

按照上述要求運(yùn)行工況依次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 系統(tǒng)有功由300 MW到-300 MW調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)運(yùn)行工況

圖8 系統(tǒng)無功由0 MVA到-300 MVA調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)運(yùn)行工況

圖9 系統(tǒng)有功300 MW下穩(wěn)態(tài)工況

圖10 系統(tǒng)無功200 MVA下穩(wěn)態(tài)工況

對(duì)上圖7～圖10進(jìn)行總結(jié)分析可知，基于工業(yè)控制平臺(tái)柔性直流控制系統(tǒng)能夠精確實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)有功功率、無功功率解耦控制。在系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，直流母線電壓保持穩(wěn)定，系統(tǒng)功率按照預(yù)設(shè)速率進(jìn)行升降，交流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，交流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，直流母線電壓保持穩(wěn)定。對(duì)于有功功率控制，受子模塊充放電過程以及子模塊投切過程影響，直流電流小幅波動(dòng)。

6 結(jié)束語

將模塊化多電平直流輸電技術(shù)應(yīng)用于高壓直流輸電工程，在實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率解耦控制的同時(shí)，大幅降低了系統(tǒng)諧波分量。同時(shí)通過降低橋臂模塊的投切頻率，使得換流器損耗在系統(tǒng)損耗中比重大大降低。

在多端直流輸電領(lǐng)域，各個(gè)橋臂子模塊通過采用IGBT反并聯(lián)二極管連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了直流電流雙向流通。因此通過直流電流極性改變，即可實(shí)現(xiàn)直流功率的潮流反向，無需直流電壓極性改變，更易于大規(guī)模多端柔性直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

目前，由于 IGBT器件本身過流能力較差，在一定程度上限制了將柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于大容量直流輸電工程。隨科技進(jìn)步，IGBT器件本身過流能力提高以及相關(guān)替代產(chǎn)品的出現(xiàn)，柔性直流輸電技術(shù)有望取代現(xiàn)階段基于晶閘管換流直流輸電技術(shù)，應(yīng)用于高壓、特高壓直流輸電工程。

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Design of Flex HVDC System Based on The Industrial Control Platform

KANG Jianshuang，ZHOU Qunying，CAO Sen，HAO Junfang，SUN Baodan，JIANG Huaizhen
(XJ Electric Co.Ltd.，Xuchang，Henan 461000，China)

As the traditional flex HVDC project has the disadvantage of high switching frequency、the dynamic pressure balance between the bridge arm modules and high energy consumption and so on，the modular multi-level technology is put forward to use in the flex HVDC project.In this paper，a detailed converter bridge arm topology is structured，and specific analysis of the charge-discharge process of sub-modules of the bridge arm.From the converter station topology，analysis the active power and reactive power algorithm，and design the converter controller based on the industrial control platform；Test and analyze the simulation result got from the actual loop simulation system based on the mainstream RTDS simulation platform.Throughout the design process，it is useful for the industrial flex HVDC control and protection system design.Finally give the prospect of the application of flex HVDC system.

industrial application；industrial control；modular multi-level converter；real-time digital simulator；DQ Transformation；decouple

TM76

B

1006-7345(2014)06-0040-04

2014-06-23

康建爽 (1984)，男，碩士，工程師，許繼電氣股份有限公司，主要從事高壓直流輸電系統(tǒng)、柔性直流輸電系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域控制保護(hù)系統(tǒng)研究(e-mail)kangkang9336＠126.com。