±800 kV多端特高壓直流系統(tǒng)的建模與模擬

楊韋國,周 綱

(國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

當(dāng)前,高壓直流輸電(High Voltage Direct Current,HVDC)已經(jīng)被廣泛使用,并且是在更高功率水平下用于更長距離的有效的輸電系統(tǒng)。國內(nèi)有許多點(diǎn)對點(diǎn)高壓直流輸電線路,直流系統(tǒng)相互連接形成多端直流輸電系統(tǒng),可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性[1-2]。MTDC系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢為從廉價能源到遠(yuǎn)程負(fù)載中心的高能量轉(zhuǎn)移,高效的電力輸送,具有不同頻率的幾個交流系統(tǒng)的互連,以及提升大負(fù)載交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時,MTDC系統(tǒng)帶來了一些問題。因此,為了實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的有效操作性能,必須解決目前特定的問題。在早期階段,缺乏有效且經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的高壓直流斷路器是MTDC系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙。此外,該直流系統(tǒng)需要良好協(xié)調(diào)和高效的控制系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。

根據(jù)目前的技術(shù)要求,需要建立詳細(xì)的多端HVDC系統(tǒng)模型,以確保正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理解和評估所涉及的復(fù)雜控制器的行為,系統(tǒng)的調(diào)試以及可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。基于建模和仿真研究,可以探索各種操作模式下的轉(zhuǎn)換器配置、變壓器額定值、接地電極、無功功率補(bǔ)償、所需控制和保護(hù)、傳輸損耗等問題。

1 多端UHVDC系統(tǒng)

1.1 MTDC 系統(tǒng)

MTDC系統(tǒng)是一種用于輸電和連接多個電系統(tǒng)的系統(tǒng)。MTDC系統(tǒng)通常用于連接不同頻率的交流系統(tǒng)或者連接不同國家或地區(qū)的電網(wǎng)。MTDC系統(tǒng)分析需要考慮多種因素,包括電壓等級、輸電距離、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)控制和保護(hù)等[5]。

首先,需要對MTDC系統(tǒng)的電壓等級進(jìn)行分析。高壓直流輸電系統(tǒng)通常以幾十至數(shù)百千伏的電壓等級進(jìn)行傳輸,因此需要考慮輸電距離和輸電線路的電氣特性來確定合適的電壓等級。其次,需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到電壓和功率的控制以及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)的影響。因此,需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析,包括對系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究和仿真。此外,系統(tǒng)的控制和保護(hù)是MTDC系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容。MTDC系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)高級控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電壓和功率的控制,同時還需要考慮系統(tǒng)的保護(hù)裝置來應(yīng)對故障情況。MTDC系統(tǒng)分析需要綜合考慮多種因素,包括電氣特性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制和保護(hù)等,以確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和穩(wěn)定性。

1.2 MTDC系統(tǒng)的建模與表示

交流供電網(wǎng)絡(luò)由等效電壓和阻抗組成的戴維寧等效電路表示,2個三相雙繞組變壓器與每個整流器和逆變器的每個單極子一起使用。其中,一臺變壓器使用Y-Y型連接,另一臺變壓器采用的星-三角形連接。提供用于每個單極的交流(AC)濾波器以去除由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的諧波并向轉(zhuǎn)換器提供無功功率。所考慮的濾波器設(shè)計(jì)與文獻(xiàn)中描述的基準(zhǔn)系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)相同。無功功率補(bǔ)償取直流功率的60%。

每個換流器極的直流側(cè)由串聯(lián)直流線路電阻的平滑電抗器組成,整流器和逆變器的每個單極子的轉(zhuǎn)換器單元由12脈沖配置組成。該配置由2個串聯(lián)的6脈沖橋組成。變壓器連接到每個6脈沖電橋。實(shí)驗(yàn)計(jì)算了整流器和逆變器每極的不同參數(shù),并如表1所示給出了多端特高壓直流系統(tǒng)線路長度值,使用PSCAD/EMTDC環(huán)境開發(fā)了完整的MTDC系統(tǒng)。

表1 直流線路參數(shù)

1.3 采用MTDC控制策略

實(shí)驗(yàn)采用的控制策略是運(yùn)用廣泛的邊際分析法,是對雙端HVDC系統(tǒng)控制原理的擴(kuò)展。其中,1個換流站控制電壓,而其余的換流站控制電流模。電流指令(I1,I2…)具有等于電流裕度ΔI的代數(shù)和,如等式中(1)所示,從控制站發(fā)送到各個換流站。

(1)

上式,Ijref表節(jié)點(diǎn)j的參考電流,Im為電流指令。整流器電流被認(rèn)為是正極,而逆變器電流則被認(rèn)為是負(fù)極,具有最低上限電壓(cosα或cosβn)的站控制線路電壓。該站通常是以恒定消光角運(yùn)行的逆變器之一,其他3個轉(zhuǎn)換器以恒流模式運(yùn)行。

電壓控制站的電流指電流需求和電流裕度的代數(shù)差。如果其中一個以恒定電流運(yùn)行的站的最高直流電壓下降,那么該站將成為電壓控制站,其電流將減少電流裕度。MTDC系統(tǒng)的良好運(yùn)行還需1個始終運(yùn)行可靠的中央電流參考平衡器(CRB),需要中央站和每個換流站之間的雙向通信,在穩(wěn)態(tài)條件下,整流器和逆變器1以恒定電流控制操作,逆變器2以電壓控制模式操作。作為電壓控制器的逆變器1包括10%的電流裕度。此外,在每個整流器極上使用變壓器抽頭變換器,以將點(diǎn)火角保持在限制范圍內(nèi),而在逆變變壓器上,該極用于保持整流器直流電壓,以控制消光角。

2 MTDC系統(tǒng)的動態(tài)分析

模擬每個整流器和逆變器的每個單極子的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)行為,并將其與高壓直流基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比較,以確保轉(zhuǎn)換器和控制器運(yùn)行正常,并且仿真值在限制范圍內(nèi)。

2.1 逆變器交流母線上的三相接地故障

三相接地故障結(jié)果如圖1所示,逆變器交流母線三相接地故障影響MTDC系統(tǒng)不同極的電壓、電流和控制參數(shù)。電壓和電流受到很大干擾。電流峰值約6 kA,遠(yuǎn)高于單相故障的電流峰值。在故障期間,發(fā)生換向故障,導(dǎo)致直流電壓暫時下降。這導(dǎo)致低壓限流環(huán)節(jié)(VDCOL)將直流電流限制在最小值,控制參數(shù)的行為也顯示在結(jié)果中。故障持續(xù)一段時間后,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)值。圖1a表示極1處的逆變器直流電壓,圖1b表示極1處的逆變器直流電流,圖1c表示極1處的逆變器電角度,圖1d表示極4處的整流器直流電壓。

圖1 三相接地故障實(shí)驗(yàn)

2.2 逆變器直流母線正極線路接地故障

逆變器直流母線正極的線路接地故障在1.2 s時施加,持續(xù)時間為0.06 s。結(jié)果如圖2所示,逆變器直流母線正極的線路接地對MTDC系統(tǒng)不同極的電壓、電流和控制參數(shù)產(chǎn)生影響。故障發(fā)生后,電流立即急劇上升并達(dá)到最大值約11 kA,受影響極的直流電壓已降至0。控制器強(qiáng)制整流器各極的α和逆變器各極的β達(dá)到其最大值,逆變器各極α達(dá)到最小值,導(dǎo)致直流電流的減少。VDCOL將直流電流限制在最小值,直到直流電壓得到改善。圖2a表示極1處的逆變器直流電壓,圖2b表示正極逆變器母線處的直流電流,圖2c表示極1處的逆變器電角度,圖2d表示極4處的整流器直流電壓。

圖2 直流線路接地故障實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語

本文在PSCAD環(huán)境中開發(fā)、建模了多端特高壓直流系統(tǒng),主要研究了MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)詳細(xì)過程,所使用的控制器來自2個終端系統(tǒng)的擴(kuò)展。結(jié)果旨在深入了解系統(tǒng)運(yùn)行、數(shù)據(jù)以及需要的改進(jìn)之處,并評估所涉及的復(fù)雜控制器和設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù),以實(shí)現(xiàn)其連續(xù)、可靠穩(wěn)定運(yùn)行所需的專業(yè)體系。由直流線路故障條件的結(jié)果圖可知,在故障情況下,使用斷路器運(yùn)行MTDC系統(tǒng)時,VDCOL快速將直流電流的峰值降至最低。在無任何長期保護(hù)裝置或持續(xù)永久故障的情況下,一旦故障得到糾正,整個MTDC系統(tǒng)必須關(guān)閉并重新啟動。采用快速作用的HVDC斷路器可以快速熄滅直流故障電流并隔離HVDC鏈路,實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路器商用仍處于起步階段。未來的工作需要利用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)HVDC保護(hù)裝置,設(shè)計(jì)多端特高壓直流線路故障條件的解決方案,采取清除和隔離直流線路故障的不同措施。