柔性直流配電網的RTDS 仿真試驗研究

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102）

0 引言

目前城市供電面臨用電負荷激增、可靠性要求高、電能質量要求高、土地資源緊張、環保要求高等現狀。同時，交流配電網也遭遇到一系列難題，比如短路電流過大、電磁環網問題、潮流控制乏術、負荷中心電壓支撐弱、交流電纜損耗大、故障傳導風險增大等。

隨著柔性直流技術的不斷成熟、完善，將其靈活潮流控制特點應用于交流配電網，構建兼顧交直流優點的混合配電網已經成為實現安全、可靠、高質量配電網的理想方案，也是對現有配電網升級改造的有效途徑[1-2]。因此直流配電網技術目前已是國內外學者的熱門研究課題[3-4]，并且近幾年來國內已有不少直流配電網工程成功投運并取得了良好的示范效應。

實時數字仿真是研究直流配電網最有效和便捷的手段之一，具有方便搭建、方便參數修正、占地小、易擴展等優點，尤其適用于復雜電網的高精度仿真，以及包含電力電子設備或元件的小步長仿真[5]。在目前各種實時數字仿真系統中，RTDS（實時數字仿真器）是優秀的數字仿真系統之一，是計算機并行處理技術和數字仿真技術發展的產物，是一套專門用來對電力系統電磁暫態與機電暫態過程進行全數字模擬的裝置。RTDS可用于進行自動控制和保護等設備閉環試驗，完成系統分析研究、設備研發和試驗，以及運行人員、工程師和學生的培訓。它是一種取代暫態網絡分析儀和模擬式或數模混合式裝置的經濟而高效的方案。

目前已有很多文獻分別針對直流配電網的系統設計、運行控制[6]、潮流分析[7]、故障特性與繼電保護[8-10]等方面進行了研究，也有文獻針對直流配電網的物理動模仿真試驗研究進行了分析[11-12]。本文對直流配電網RTDS 數字仿真試驗系統進行了介紹，并通過仿真模型的建立和仿真結果說明了試驗方法的有效性。

1 杭州大江東直流配電網示范工程簡介

理論上，直流配電網的拓撲結構有輻射型、手拉手型、環網型、背靠背型等類型。綜合考慮供電可靠性、建設成本、工程實施難度及工程實用性等因素，目前國內已投運的直流配電網示范工程大多采用三端或四端，各端通過公共直流母線實現背靠背互聯的方案。其中，杭州大江東工程是最具有示范意義的直流配電網工程之一。

杭州大江東新城位于杭州市蕭山區東北部的沿錢塘江區域。本直流配電網示范工程結合該區域配電網建設現狀，利用柔性直流裝置將10 kV和20 kV 兩個不同電壓等級配電網連接起來，解決不同電壓等級電源間互聯以及相同電壓等級、不同相角的電源間的互聯問題，使得10 kV 和20 kV 互為備用，而且可以通過遠程操作，控制潮流的流向，改善電網結構，實現負荷的不停電轉供。

杭州大江東直流配電網示范工程采用的是如圖1 所示的三端換流站（背靠背互聯）及一條直流線路的接線方式。全系統由4 個模塊組成，T1—T3 是三端換流器，每端換流器連接到不同的交流配電分區，直流端連接到公共的直流母線，一般中壓直流配電網的直流母線電壓等級選擇在10～20 kV。T4 包含直流斷路器、直流變壓器、平波電抗器、直流線路等設備，連接到直流負荷。本文中所介紹的直流配電網RTDS 試驗模型即是基于圖1 所示的拓撲結構搭建的。

2 RTDS 仿真建模

2.1 RTDS 整體建模

圖1 大江東直流配電網系統主接線

柔性直流配電網的仿真建模涉及到全控型半導體開關器件的建模，要求在較高的開關頻率下實現較高的仿真精度，因此本模型采用RTDS 中的小步長模塊搭建，步長典型值為1.4～3.75 μs。

由于受到小步長模塊節點及仿真運算能力的限制，該模型需要通過若干個小步長模塊組合在一起進行建模。根據如圖1 直流配電網系統主接線拓撲結構，很自然地將模型劃分為4 個小步長模塊，模型中每個小步長模塊對應于圖1 中每個設備模塊（T1，T2，T3，T4），模型整體結構如圖2所示。

圖2 柔性直流配電網RTDS 仿真模型整體結構

2.2 直流配電網換流閥建模

柔性直流換流閥及其控制保護單元是全控電壓源型換流系統的核心設備，它基于全控型電力電子器件和脈寬調制技術，實現有功和無功的四象限快速、靈活控制。電壓源型柔性直流換流閥主要有三相兩電平、三電平以及MMC（模塊化多電平換流器）[13-14]等幾種類型。其中，由于MMC無需全控型開關器件直接串聯，而是采用子模塊級聯實現多電平輸出，在中高壓變流領域得到了廣泛的應用。目前國內投運的幾個柔性直流配電網工程，換流閥基本上都是采用MMC 結構。

三相MMC 主電路拓撲結構如圖3 所示，包含3 個相單元，每個相單元包括上下兩個橋臂，每個橋臂由若干個功率SM（子模塊）和一個換流電抗器串聯組成。子模塊有半橋結構和全橋結構兩種類型。圖3 所示的MMC 換流閥結構中采用的是最常見的半橋結構的MMC 功率子模塊，它由兩個IGBT 器件和一個直流儲能電容并聯組成。

圖3 三相MMC 拓撲結構

MMC 結構的換流閥在RTDS 試驗系統中采用叫做MMC-SUPPORT-UNIT（GTFPGA）的外設來進行仿真，在RTDS 模型中，也有專門為MMC換流閥開發的小步長模塊rtds_vsc_ MMC.def（如圖4 所示），其具有非常豐富的參數設置（如圖5所示），可以完全模擬實際MMC 換流閥正常運行和故障等各種工況。一個rtds_vsc_MMC.def 模塊對應于一臺MMC-SUPPORT-UNIT 仿真單元，同時對應于直流配電網系統中的一個換流站。

圖4 RTDS 中的MMC 模型

圖5 RTDS 中MMC 模塊的主要設置

2.3 直流斷路器建模

直流斷路器是柔性直流配電網中的關鍵設備，起到高速分斷故障電流的作用。直流斷路器主要有機械式、固態式和混合式3 種類型。在高壓柔性直流輸電領域，混合式直流斷路器[15-18]已經投入使用。混合式直流斷路器經過結構和功能的優化，也可以應用于中壓直流配電網領域（10～20 kV）。

中壓直流配電網混合式直流斷路器的典型電路拓撲結構如圖6 所示，主支路包括相互串聯的高速機械斷路器和主支路閥組（包含正反兩個方向），轉移支路由橋式整流型拓撲構成，單相IGBT閥組由IGBT 單相串聯，二極管整流橋由二極管閥組串聯組成。耗能支路由避雷器組成。

圖6 中低壓混合式直流斷路器拓撲

混合式直流斷路器的RTDS 模型也在小步長模塊中建立，即圖2 中的S4 模塊。考慮到小步長模塊中的資源和節點限制，模型在保證直流斷路器正確的外特性的前提下，對其拓撲結構加以簡化。圖7 所示為混合式直流斷路器的簡化RTDS模型結構。

圖7 混合式直流斷路器的RTDS 簡化模型結構

如果仿真試驗的研究對象側重于直流配電網的控制保護，為了避免增加不必要的仿真資源和難度，也可以直接使用RTDS 中的斷路器小步長模型rtds_vsc_BKR_RES1（如圖8 所示）。斷路器的通態和斷態電阻、滅弧電流能力等重要參數可在其模型參數中直接設定，斷路器的關斷時間、開通時間等參數可以在斷路器的分合閘邏輯模型中設定。

圖8 RTDS 中斷路器模型及參數

3 RTDS 仿真器及其連接

直流配電網的RTDS 仿真試驗平臺是一種半實物的架構，RTDS 仿真系統通過對模型的運算來實現一次系統的功能，其與工程實際使用的控制保護設備的連接如圖9 和圖10 所示。

圖9 柔性直流配電網RTDS 實驗平臺整體架構

圖10 控制保護設備與RTDS 的連接

試驗平臺的核心設備是RTDS 仿真處理器。RTDS 采用并行處理的硬件結構和高速DSP 芯片，利用數學上可分隔子系統的概念，在各運算芯片或芯片組間分擔計算任務，各子系統之間的聯結使用傳輸線模型或變壓器模型。RTDS 硬件的基本單元稱為RACK，RACK 相互連接可以組成較大規模的仿真器，可以模擬較復雜的、較大規模的電力系統。

此外，試驗平臺所需要的接口設備還包括處理器外設GTFPGA、仿真接口板卡及功率放大器、接口繼電器等。

RTDS 有豐富的模擬量輸出、高速數字輸入輸出等IO 設備，主要的接口卡有：GTAO（模擬量輸出卡）、GTDI（數字量輸入卡）、GTDO（數字量輸出卡）等。

RTDS 將運算所得的、控保設備所需要采集的模擬量通過GTAO 輸出給控保系統，由于GTAO輸出為0～10 V 的小信號，必須通過功率放大器轉化為控制保護裝置可以采集的0～100 V 電壓信號或0～1 A（或5 A）的電流信號。斷路器、隔離開關等開關量狀態則通過GTDO 傳送，同時控保設備經GTDI 將開關量信號送給仿真系統。

針對直流配電網仿真工程，還需要外設MMC-SUPPORT-UNIT（GTFPGA），專門用于模擬MMC 結構的柔性直流輸電換流閥部分，其運行性能、仿真結果已得到業內的一致認可。

4 RTDS 試驗項目與結果

為了模擬杭州大江東直流配電網工程的實際運行，配合該工程控制保護系統的性能測試和出廠試驗，搭建了完全符合該工程拓撲和參數的RTDS 仿真模型和閉環試驗系統，試驗系統參數如表1 所示。

表1 柔性直流配電網仿真試驗電氣參數

該工程在實際現場與控制保護相關的所有運行工況、例行試驗以及一些風險較大而不便于進行的試驗（比如一些交直流保護試驗）都可以在本仿真平臺上模擬進行，主要包括但不限于以下試驗項目：分系統調試、換流站啟停、換流站穩態運行、動態階躍、控制模式切換、直流電壓控制接管、單站投退、孤島聯網互轉、孤島運行穩態及動態試驗等。以下僅列出部分重要試驗內容的結果與波形。

4.1 換流站的啟停及穩態運行

本項試驗是實現有源HVDC（高壓直流輸電）、無功動態調節STATCOM 的啟停及功率升降。

圖11 列舉的是換流站站1、站2 分別啟動解鎖后，由站1 控制直流電壓，站2 控制有功功率，站2 輸入的有功功率由0 上升到5 MW 期間的直流電壓、交流電流、有功功率波形，上升速率設定為50 MW/min。從波形可以看出，功率上升過程平穩，無過壓、過流現象，上升過程中直流電壓的波動不超過1.5%，在6 s 內有功由0 上升到5 MW，上升速率的實際值與指令值（50 MW/min）基本吻合，符合控制要求。

圖11 換流站（以站2 為例）解鎖后升有功波形

4.2 換流站的動態性能試驗

本項試驗的目的是驗證控制系統動態性能，在全工作范圍內，有功功率、無功功率、直流電壓等的階躍響應應快速且不對交流系統造成沖擊。需要分別對站1、站2、站3 進行有功、無功和直流電壓的階躍試驗，系統能對階躍變化的指令值做出快速準確的跟蹤，保證較快的上升時間和較小的超調量。

圖12 為換流站站2 的有功功率由-1 MW 階躍到4 MW 的有功、無功、直流電壓波形。從波形可以看出，有功上升時間約10 ms，超調量不超過20%，階躍結束達到新的穩態后，有功實際值與指令值（4 MW）基本吻合，可以認為是一次平穩、快速、精確的功率階躍。

4.3 換流站的單站投退試驗

本項試驗是驗證在直流配電網多端運行時，某單個換流站的投入或退出對運行中的交直流網絡無較大沖擊。

圖13 為直流配電網有源運行時，站1 正常停運且極隔離退出期間的波形。換流站單站投入、退出運行的整個過程中，直流網絡無沖擊現象，正負極開關分合瞬間無沖擊電流。

圖12 換流站（以站2 為例）有功階躍波形

圖13 站1 正常停運，極隔離退出時的波形

4.4 孤島聯網互轉試驗

圖14 為直流配電網有源運行，功率指令為有功2 MW，無功0，負載2.4 MW 時，站1 聯網轉孤島期間的交流電壓、交流電流、有功、無功波形。聯網運行時，站1 發出有功2 MW，轉為孤島后，由站2 和站3 向站1 供電，站1 吸收有功2.4 MW。轉換過程平穩，期間交流電壓和電流未出現諧波或發散。

4.5 孤島運行負載突變試驗

圖15 為站1 跟交流電網斷開，無源運行（站1 孤島方式）時，由站2、站3 給站1 供電，且站1負載由2.4 MW 突變到4.8 MW 時的交流電壓、交流電流、有功波形、無功波形。可以看出，在單端孤島且負載突變時，仍能保證可靠的供電質量和良好的動態性能。

圖14 站1 聯網轉孤島時的波形

圖15 站1 單端無源且負載突變的波形

從以上仿真試驗結果可看出，直流配電網工程的控制保護系統完全可以借助RTDS 仿真試驗平臺進行各項性能測試和出廠試驗，控制保護策略的正確性和性能的可靠性也可以在該試驗平臺上得以體現，從而為直流配電網控制保護系統的實際現場測試和順利運行奠定基礎。

5 結語

本文以杭州大江東直流配電網工程為背景，結合三端背靠背直流配電網拓撲結構，介紹了柔性直流配電網RTDS 實時仿真系統的建模及試驗平臺的搭建，基于此實時仿真試驗平臺，可對柔性直流配電網控制保護裝置進行性能驗證和產品測試。下一步將會把直流斷路器、直流變壓器等新型直流設備的詳細模型接入仿真系統，進一步測試研究直流配電網的故障及分斷、新能源及儲能系統接入等方面的特性。