基于PSCAD/EMTDC仿真平臺的特高壓直流輸電控制系統(tǒng)研究

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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 智能變電站技術(shù)實驗室,廣西 南寧 530004)

1 引言

高壓直流輸電快速可控的特點使得高壓直流輸電的控制部分在高壓直流輸電系統(tǒng)中占有重要的地位。特高壓直流控制體系結(jié)構(gòu)與常規(guī)直流工程相比,必須保證其有更高的可靠性和系統(tǒng)可用率，因此，需要考慮新的層次結(jié)構(gòu)。例如,要充分考慮站層控制,避免對控制保護(hù)系統(tǒng)造成整體影響;要求雙極控制層、極控制層獨立配置,避免相互影響;確保閥組控制層設(shè)備的獨立性等,而由此所帶來的信號傳輸網(wǎng)絡(luò)和信號接口也更為復(fù)雜。分析清楚特高壓直流系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)、功能以及特高壓直流系統(tǒng)的控制特性下不同控制方式對特高壓直流系統(tǒng)運行的影響,對于進(jìn)一步研究特高壓直流系統(tǒng)的控制策略對其所連交流電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響、直流系統(tǒng)控制方式對擾動后交流系統(tǒng)電壓和功率恢復(fù)的影響具有非常重要的作用。

目前針對直流輸電的電磁暫態(tài)仿真研究基本上均基于CIRGE標(biāo)準(zhǔn)測試模型，其控制方式簡單，仿真結(jié)果與實際工程差距較大。由于特高壓直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，要準(zhǔn)確地研究特高壓直流輸電的動態(tài)行為、分析故障特性，進(jìn)行直流保護(hù)定值校核，研究交直流系統(tǒng)的相互影響，就必須建立詳細(xì)、準(zhǔn)確、與實際系統(tǒng)特性一致的控制保護(hù)系統(tǒng)仿真模型。

本文在詳細(xì)分析特高壓直流系統(tǒng)分層控制模式和各控制環(huán)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，通過對實際控制保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理，分析和總結(jié)出特高壓直流輸電系統(tǒng)所需的核心控制功能,以PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真程序為仿真平臺,建立能夠反映特高壓直流輸電控制系統(tǒng)特性的數(shù)字仿真模型。并通過多種運行模式、故障方式的仿真波形與實際錄波的對比，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。

2 特高壓直流控制原理及原則

±800kV云廣特高壓工程采用了兩極雙閥組，即高壓閥組與低壓閥組串聯(lián)運行、雙十二脈動的接方式原理圖如圖(1)。

圖1 特高壓直流輸電系統(tǒng)的原理圖

圖(2)為特高壓直流輸電系統(tǒng)的等值電路圖,由等值電路圖可以看出，穩(wěn)態(tài)直流電流為：

(1)

整流側(cè)和逆變側(cè)的直流功率為：

(2)

圖2 特高壓直流輸電系統(tǒng)的等值電路圖

特高壓直流輸電系統(tǒng)可通過控制整流器和逆變器的內(nèi)電勢來控制線路上的直流電壓及電流(或功率)。因此，特高壓直流輸電的基本控制手段就是通過調(diào)節(jié)Vdor、α、Vdoi、β這四個量以滿足直流輸電系統(tǒng)的運行要求。直流輸電系統(tǒng)的控制方式主要分為換流器角度控制方式和換流變壓器分接頭控制方式。

通過調(diào)節(jié)加到換流閥控制級的觸發(fā)脈沖相位來實現(xiàn)直流線路電壓、電流和功率的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)角α或逆變器的觸發(fā)越前角β(或熄弧角)。這種方式具有調(diào)節(jié)范圍大、控制速度快(一般1～10ms)等優(yōu)點，換流器的快速控制可防止直流電流的劇烈波動，是保證高壓直流輸電線路穩(wěn)定運行的重要要求，是直流輸電系統(tǒng)主要的控制手段。

通過調(diào)節(jié)加在換流器上的交流電壓，即調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭來實現(xiàn)對直流線路電壓、電流和功率的調(diào)節(jié)。分接頭控制模式包括角度控制模式和電壓控制模式。換流器的分接頭開關(guān)是機(jī)械式的，調(diào)節(jié)一檔的時間通常需要5～15s的時間，響應(yīng)時間較長，所以分接頭調(diào)節(jié)只能作為輔助調(diào)節(jié)手段[3]。

高壓直流輸電要求控制保護(hù)系統(tǒng)要完成以下基本的控制保護(hù)功能:(1)直流輸電系統(tǒng)的起停控制，高壓直流輸電系統(tǒng)的起動或停運是通過一定順序?qū)恢绷鏖_關(guān)設(shè)備的操作,換流器的解鎖或閉鎖,完成功率按給定速率上升或下降等操作來實現(xiàn)。(2)輸送功率的大小和方向控制，對輸送功率大小的控制是通過改變電流整定值來實現(xiàn)的,而直流功率的反向輸送則是通過改變直流電壓的極性來實現(xiàn)。(3)抑制換流器非正常運行及對所連交流系統(tǒng)的干擾，當(dāng)多端HVDC系統(tǒng)的直流側(cè)發(fā)生故障時,應(yīng)迅速判斷故障的線路并將其切除，使剩余系統(tǒng)盡快恢復(fù)運行。(4)直流輸電保護(hù)控制，發(fā)生故障時,進(jìn)行控制系統(tǒng)切換以及保護(hù)動作,來保護(hù)換流站設(shè)備,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。(5)信息監(jiān)控，對換流站、直流線路的各種運行參數(shù)以及控制系統(tǒng)本身的信息進(jìn)行監(jiān)視,有利于及時發(fā)現(xiàn)異常,進(jìn)行控制及保護(hù)。

除上述的基本控制功能外,直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)中還具備滿足交直流系統(tǒng)動態(tài)性能要求和幫助系統(tǒng)自愈等功能,其主要內(nèi)容如下:(1)諧波和無功控制，通常是根據(jù)系統(tǒng)性能需求裝備合適容量和組數(shù)的交、直流濾波器組以及電容器組,或使用多脈動換流器,以此降低和避免對交流系統(tǒng)的不良影響。(2)變壓器分接頭控制，交流系統(tǒng)電壓是換流變壓器、換流器以及直流系統(tǒng)性能設(shè)計的重要依據(jù),其變化影響到觸發(fā)角的控制,也可能使直流系統(tǒng)無法運行,并威脅到設(shè)備的絕緣安全。為降低和避免交流電壓對直流系統(tǒng)造成的不良影響,換流變壓器分接頭控制是解決上述問題的重要功能之一。(3)通信故障時提高系統(tǒng)動態(tài)性能，遠(yuǎn)距離直流工程兩端換流站間的通信通道應(yīng)保證可靠快速,用以傳輸整定值、保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等信號。為提高直流系統(tǒng)可靠性,在站間通信通道失去時,仍允許整流側(cè)按故障前指令、逆變側(cè)按實際測量為參考指令進(jìn)行功率或電流的自動控制。

3 特高壓直流分層控制系統(tǒng)

直流輸電通常采用分層方式來實現(xiàn)不同級別的控制，以提供高效而穩(wěn)定的運行、在不危及設(shè)備安全的前提下最大限度地提高功率控制的靈活性。

直流輸電系統(tǒng)四層控制方式包括:(1)總控制，對直流系統(tǒng)每一個換流站提供控制指令，使直流系統(tǒng)按照要求運行。(2)站控層，構(gòu)成完整的整流站與逆變站的控制、監(jiān)視、和保護(hù)系統(tǒng)的公共部分，并對換流站內(nèi)每一個極進(jìn)行相互協(xié)調(diào)控制；負(fù)責(zé)執(zhí)行交直流設(shè)備的投切、起停、運行方式轉(zhuǎn)換、狀態(tài)監(jiān)測等功能。(3)極控制，使換流站內(nèi)每一個極的換流單元的控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，是提供的被調(diào)量指令只產(chǎn)生最小的諧波量。(4)橋控制(閥控制)，用于控制換流器每個閥的觸發(fā)。

其中,站控制系統(tǒng)主要功能包括:(1)與調(diào)度中心通信聯(lián)系,接受中心的控制指令,向中心輸送運行信息;(2)根據(jù)調(diào)度中心的輸送功率指令分配各直流回路的輸電功率,當(dāng)某一直流回路故障時,將少送的輸電功率轉(zhuǎn)移到正常的線路,盡可能保持原有輸送功率;(3)緊急功率支援控制;(4)潮流反轉(zhuǎn)控制;(5)各種調(diào)制控制,用于抑制交流系統(tǒng)振蕩的阻尼控制,功率/頻率控制;(6)決定雙極的功率定值;(7)功率傳輸方向控制;(8)極功率/電流指令計算(含過負(fù)荷限制),向極控制層提供功率指令;(9)穩(wěn)定控制功能;(10)極間功率轉(zhuǎn)移(PPT)控制功能;(11)接地極電流平衡控制(CBC)功能;(12)換流站無功功率和交流母線電壓控制功能。

極控制級主要功能包括:(1)從系統(tǒng)控制級接收極電流/功率參考值,由此計算產(chǎn)生換流器層控制所需要的直流電流、直流電壓、熄弧角控制設(shè)定值;(2)極的解鎖/閉鎖控制;(3)極的起停控制;(4)極電流限制;(5)極電流協(xié)調(diào);(6)低壓限流環(huán)節(jié);(7)極的空載加壓實驗;(8)換流變分接頭控制;(9)換流器觸發(fā)相位控制;(10)故障處理控制,包括移相停運和自動再起動控制等。

閥控制級的主要功能有:(1)取觸發(fā)脈沖的同步信號功能,將換流站交流母線電壓輸入到鎖相倍頻器中,輸出同步信號;(2)控制脈沖發(fā)生功能產(chǎn)生滿足要求的觸發(fā)脈沖系列,送到閥基電子設(shè)備,從而觸發(fā)晶閘管閥;(3)閥觸發(fā)監(jiān)視功能。

4 控制系統(tǒng)仿真

為了驗證基于PSCAD/EMTDC 的直流控制保護(hù)系統(tǒng)仿真平臺搭建的直流控制系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型與實際工程的控制系統(tǒng)的功能與特性的一致性，本文以以糯扎渡—鶴山 ±800kV 特高壓直流輸電工程為對象，建立交流系統(tǒng)、換流器、換流變壓器、換流閥、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、輸電線路的仿真模型。實際工程的直流控制系統(tǒng)包括多個控制調(diào)節(jié)回路，主要包括直流功率和電流控制、電流裕度補償、定電流調(diào)節(jié)器、定直流電壓控制器、定熄弧角控制、換流變分接頭控制等，各個控制調(diào)節(jié)回路相互配合，共同實現(xiàn)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

本文所建立的特高壓直流輸電控制系統(tǒng)分為個層次:雙極控制層、極控制層和換流器控制層。雙極控制層接收來自調(diào)度中心的直流輸送功率指令,經(jīng)過電流指令計算以后發(fā)送一個直流電流期望值給極控制層,在極控制層中直流電流實測值與經(jīng)過調(diào)節(jié)過的電流期望值之間的差值輸入到電流調(diào)節(jié)器中,隨后經(jīng)過與電壓調(diào)節(jié)器和定角控制器三者之間相互協(xié)調(diào)控制后最終得到觸發(fā)角指令給各個換流器控制單元。

4.1 雙極控制建模

雙極控制層接收調(diào)度中心發(fā)來的功率指令,通過電流指令計算和控制模式的選擇,得出電流期望值,送入下一層極控中的電流調(diào)節(jié)器。控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 雙極控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

4.2 極控制層建模

4.2.1 整流側(cè)控制模型

圖4 整流側(cè)控制器

整流側(cè)采用帶有最小觸發(fā)角限制的電流調(diào)節(jié)器,同時投入低壓限流環(huán)節(jié)和電壓平衡環(huán)節(jié)。上一級輸出的直流電流期望值和經(jīng)過低壓限流環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)得到的電流值取小得到電流整定值。

由于特高壓直流系統(tǒng)采用雙極十二脈動換流器,每個換流器都有各自的控制單元,電壓平衡環(huán)節(jié)就是針對每個極兩換流器之間的平衡調(diào)節(jié)而存在的。根據(jù)整流側(cè)實現(xiàn)的相關(guān)功能原理,建立整流側(cè)控制器如圖4所示,包括實現(xiàn)定電流控制的電流調(diào)節(jié)器、低壓限流調(diào)節(jié)和電壓平衡控制等。

4.2.2 逆變側(cè)控制模型

逆變側(cè)主要采用定角控制、定電流控制和定電壓控制協(xié)調(diào)配合的控制方式,同時配有電流偏差控制和電壓平衡環(huán)節(jié)。逆變側(cè)控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。定角控制、定電壓控制與通過電壓平衡環(huán)節(jié)修正的定電流控制器所得觸發(fā)角信號做比較,取三者之間最小者來決定逆變側(cè)的最終控制模式。

圖5 逆變側(cè)控制器

4.3 換流器控制層建模

直流輸電換流器控制功能主要完成兩個功能:取觸發(fā)脈沖的同步信號,產(chǎn)生滿足要求的觸發(fā)脈沖系列以觸發(fā)晶閘管。通常觸發(fā)脈沖的同步信號由鎖相倍頻器(PLL)獲得,鎖相倍頻器的輸入信號取自換流站交流母線電壓,其輸出即為同步信號,應(yīng)嚴(yán)格與換流站交流母線電壓頻率保持確定的倍數(shù)關(guān)系。為了提供控制系統(tǒng)閥觸發(fā)回路可以直接使用的鋸齒波信號,通常在PLL后面加上一個壓控振蕩器,組成PLO系統(tǒng)。模型庫中6脈動晶閘管橋元件內(nèi)置的PLO就可較準(zhǔn)確的實現(xiàn)這一功能。

4.4 仿真結(jié)果分析

本文對直流系統(tǒng)瞬時故障的暫態(tài)特性進(jìn)行仿真實驗來驗證所建的直流控制模型,仿真步長為50μs,仿真時間為5s。雙極系統(tǒng)正常運行后3s,正極直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)直接接地短路,故障時間0.05s。各項電壓波形如圖6所示。

實際故障電壓波形如圖7所示。

結(jié)果表明,該模型設(shè)計合理,滿足正常穩(wěn)定運行時的各項穩(wěn)態(tài)指標(biāo)以及故障情況下的控制要求,可較準(zhǔn)確的反映特高壓直流系統(tǒng)的動態(tài)行為。

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