交直流混合电力系统（精选十篇）
交直流混合电力系统 篇1
根据规划,西南水电将通过向家坝—南汇、溪洛渡右—浙西、锦屏—苏南等特高压直流输送到华中与华东电网,同时金沙江的溪洛渡电站、向家坝电站及锦屏Ⅰ、Ⅱ级电站将与四川电网通过500 k V交流线路实现互联,四川西部水电将通过1 000 k V特高压交流线路送往华中及华东地区,从而形成特高压交直流并列运行的格局。为保证规模大、系统特性复杂的交直流电网安全可靠运行,必须采用合理的仿真手段对其展开多方面的深入研究[1]。
同时,随着计算机技术、微电子技术、电力系统仿真技术的飞速发展,各种仿真工具和手段应用到了电力系统研究领域,概括起来主要有物理模拟仿真、数字仿真(离线和实时)、数字物理混合仿真。物理仿真与数字仿真各有所长,将两者结合起来将会更有效和更真实地反映原始系统信息。实践证明,用全数字实时仿真模型仿真大部分交流系统和一部分直流输电系统,用物理模型仿真需要深入研究物理响应特性的交、直流输电系统,并将它们连接起来形成大规模交直流输电仿真电网,是目前进行特高压大电网规划仿真试验研究的最佳方案[2]。
为了对规划中的国家特高压电网进行研究,特别是对西南水电外送的系统接入和受端交直流系统相互影响特性以及华中—华北—华东特高压同步电网进行深入研究[3],国家电网仿真中心数模混合仿真实验室建立了大规模特高压交直流电网数模混合实时仿真系统,模拟特高压交直流跨区大电网。实时仿真系统选用Linux操作系统,采用Hypersim全数字实时仿真软件,通过信号接口和功率接口实现了全数字仿真程序与一次直流物理仿真装置和二次控制保护装置的互联,基于SGI超级计算机实现了大规模交直流电网的数模混合实时仿真,并将其应用于多个实际工程。实践表明,数模混合实时仿真系统能够为特高压交直流大电网的研究提供强有力的技术支持。
1 系统结构
我国特高压电网的发展,要求实时仿真系统能够在以下方面提供强有力的研究手段[3,4]:提高电网运行可靠性、安全稳定控制技术,初期、中期和远期国家电网特高压骨干网架的仿真实验,特高压交、直流混合输电系统规划方案的试验,直流多馈入受端系统交、直流系统相互影响,直流控制保护系统集成试验,特高压交/直流输电系统运行特性试验研究等。
为满足对特高压交直流大电网进行深入研究的要求,并充分利用仿真中心现有技术设备,综合采用目前最先进的计算机技术、通信技术、电子技术等,本文提出了基于SGI超级计算机和全数字仿真程序Hypersim的特高压交直流大电网数模混合仿真系统。据此搭建的特高压交直流电网数模混合仿真系统如图1所示。
仿真平台由软件平台和硬件平台组成。软件平台基于Linux操作系统,核心是大型电力系统电磁暂态仿真软件Hypersim。硬件平台由多个超级并行计算机SGI以及高速数据采集卡组成,主要完成计算和数字量与模拟量的输入/输出。SGI超级计算机的计算能力与Hypersim的强大功能为实现大规模电网数字物理混合实时仿真提供了有力保障。下面将从系统、硬件资源和软件资源3个方面详细阐述仿真系统的具体实现。
2 系统实现
2.1 软件实现
实现数模混合实时仿真的关键在于数字网络的分网并行计算,以及采用合适的接口实现实际物理仿真装置与数字仿真系统的信号和功率交互。系统的硬件与软件资源是实现数模混合实时仿真的保障。
2.1.1 软件平台及操作系统
操作系统是计算机与用户之间的接口,作为操作人员与SGI并行计算机联系的桥梁。服务器的作用至关重要。服务器操作系统对于混合仿真的速度、实时性、稳定性各方面都会产生重要影响。Linux操作系统支持多用户、多进程,实时性好,功能强大而且稳定,同时具有良好的兼容性和可移植性。在相关软件的支持下,可实现WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail等服务。由于Linux具有实时内核以及稳定性方面的优异表现,实时仿真系统选择Linux操作系统为并行计算操作的软件环境。
2.1.2 全数字实时仿真程序Hypersim
实现交直流电网的数模混合实时仿真,必须选择合适的仿真软件。根据前面分析,首先,软件能够仿真的系统规模要足够大;其次,为详细研究交直流系统相互影响,特别是直流输电系统的电磁暂态过程,仿真软件应为电磁暂态实时仿真软件。Hypersim是加拿大HYDRO-QUEBEC公司开发的一种基于并行计算技术、采用模块化设计、面向对象编程的电力系统全数字实时仿真软件,目前具有Unix、Linux、Windows等版本[5]。这种实时仿真软件,既可在SUN Unix工作站或Linux/Windows PC机上进行离线仿真计算,也可运行在SGI Unix超级计算机或Linux PC Cluster上与实际的电力系统安控装置联接进行实时在线仿真。
Hypersim由一系列软件组成,除Hypersim的核心程序外,还包括Testview、Hyperview和Scopeview等程序。Hypersim组织结构框图如图2所示。图中,Testview负责定义仿真任务,数据通过应用接口传递给Hypersim核心程序,仿真计算的数据通过Esi服务器保存在结果数据库中。此外,Testview可以通过编程连接到任何类型的仿真器和定义各种不同的仿真任务,采用Java语言实现对断路器等各种元件的操作。
Hyperview是Hypersim的集中控制平台,主要完成潮流计算、实时监控、Snapshot等功能。Scopeview是图形化的数据采集和处理软件,能够实时读取Hypersim软件的数据信息,同时通过时序操作也可实现对Hypersim中数字模型的控制。
由于输电线路传输信号具有传输延迟,且这种延迟随线路长度变化而变化。因此,当仿真步长小于传输延迟时,对电站和线路进行并行仿真是可行的。此外,电站控制系统的时间常数远大于仿真步长,因此,这些控制系统也可独立仿真,与电站节点方程并行处理,整体准确性不受影响,如图3所示。执行仿真任务时,Hypersim利用传输信号的延迟对网络方程进行解耦,把网络分解成多个可在并行处理器上求解的子任务。每一仿真时步开始时,并行处理器分别计算每个子任务。当仿真时步结束时,各子任务相互交换信息。
2.2 系统硬件构成及其实现
2.2.1 SGI超级计算机
为保证交直流大电网数模混合仿真的实时性,计算能力显得尤为重要。传统的PC机已无法满足大规模实时仿真对计算能力的需求,超级计算机和服务器已成为主流。SGI Altix 4700就是分布式共享存储结构DSM(Distributed Shared Memory)中的杰出代表。
SGI Altix 4700将高带宽、低延迟的Craylink互联技术与可扩展IRIX操作环境充分结合,创造了一种先进的体系结构,将分布式存储并行处理及集群处理的诸多优点集于一身。SGI Altix 4700服务器都基于NUMA并行结构(见图4),采用超标量MIPS R10000及更高一级的处理器,运行基于Linux的64位操作系统,Hypersim与SGI Altix 4700通过以太网通信,此外,通过在SGI自带软件内部定义端口,经由A/D、D/A板卡可实现数字信号与模拟信号的交互。
国家电网仿真中心数模混合仿真实验室现有4台SGI Altix 4700、1台SGI Altix 450和1台SGI Origin350,一共6台超级计算机。目前系统配置了128个Intel安腾Ⅱ1.6 GHz/8 MB双核处理器,共256个核;2.4 TB的共享内存,安装SUSE Linux操作系统,并配有磁盘阵列,作为数据交换和存储之用。既可用单个SGI计算机单独完成小规模电网计算任务,也可将多个SGI计算机合并完成大规模电网的仿真计算,SGI超级计算机的计算能力和灵活性为实现大规模交直流电网的数字物理混合实时仿真提供了强有力的硬件支持。
2.2.2 高速通信网络
为实现资源共享和保证超级计算机与服务器之间、工作站与服务器之间、服务器与服务器之间的高速通信,需要构建合适的通信网络。基于经济性和安全性的考虑,选择以太网技术实现整个数模混合实时仿真系统的局域网络通信。以太网主要通信媒介为双绞线以及相关的路由设备,通过在服务器中定义各个网络节点的IP地址及用户权限管理,实现网络资源的分配和访问。
数模混合仿真平台网络结构示意图如图5所示,其中,工作站与服务器之间、工作站与工作站之间、服务器与SGI计算机之间的访问均通过以太网通信。SGI超级计算机主要用来计算,用户通过服务器访问SGI Altix和编译Hypersim的仿真任务,计算结束后,Hypersim软件将计算结果输出给Scopeview或保存为相应格式的数据文件,在Scopeview里通过加载数据即可实时查看监测信号波形和参数。
3 全数字仿真程序与物理仿真装置的互联
3.1 全数字仿真程序与二次控制保护装置的互联
直流输电系统的控制保护装置是直流仿真系统的核心部分。在实现全数字仿真程序Hypersim与直流仿真系统控制保护装置互联时需要选择相应的接口和适当的通信方式进行互联。
全数字仿真程序Hypersim与控制保护装置交互的仅为(控制)信号量,电压一般在-15~+15 V之间,此时的接口为信号接口。接口交互的信号量主要有换流阀触发脉冲、变压器分接头位置及控制信号、交直流场开关状态信号、交直流场开关投切信号等。由于信号量大多转换成电平信号,电压水平与A/D、D/A、D/I、D/O接近,经过相应电平转换芯片即可实现信号量的交互,仿真程序经D/A或D/O将输出控制信号送给直流控制保护装置,直流控制保护装置将开关量、分接头位置信息等通过A/D、D/I反馈至仿真程序,交互信号传输由专用电缆实现,保证信号不失真。全数字仿真程序与控制保护装置的互联如图6所示。
3.2 全数字仿真程序与一次物理仿真装置的互联
在实现全数字仿真程序Hypersim与一次物理仿真装置(HVDC或FACTS装置等)的互联时,需完成两者之间的功率传递。由于数字侧输出端口的功率为毫瓦级,而物理仿真装置端口的功率一般在几十瓦左右,因此必须选择适当的能量转换装置。由于此时接口交互的为功率信号,故接口也被称为功率连接接口。
基于Hypersim的数模混合仿真功率连接接口的硬件实现如图7所示,数字侧将计算得到的节点电压通过D/A转换送出,通过功率放大器和变压器后给模拟仿真装置提供电源。模拟侧接口处电压、电流信号经电流互感器测量后作为反馈模拟量经A/D转换后注入数字仿真系统,从而实现数字侧与模拟侧功率的交互。
4 系统的应用
特高压交直流电网数模混合实时仿真系统的实现为研究交直流电力系统提供了强有力的技术支持,目前该系统已在多个项目中得到应用,主要包括:
a.呼辽直流系统次同步振荡问题分析及数模混合仿真研究;
b.三华特高压电网数模混合实时仿真研究;
c.特高压电网送受端交直流相互影响的仿真研究;
d.电力系统控制保护装置的试验研究;
e.直流输电工程仿真研究及系统调试;
f.特高压直流电关键技术的仿真试验研究。
实践证明,特高压交直流电网数模混合实时仿真系统具备了对特高压交直流电力系统进行全方位试验研究的能力,能够满足目前电网发展的需求。
5 系统的扩展
仿真系统接口的标准化和功能的通用性也是集成化仿真系统的设计目标,通过硬件资源的配置和重构来尽可能多地满足各种应用。系统的扩展性是衡量其是否具有通用性的重要依据,仿真系统扩展示意图如图8所示。
采用功率连接接口和信号量接口,可方便地实现全数字仿真程序与物理HVDC、UHVDC、VSC-HVDC、背靠背直流、直流控制保护系统以及系统安稳装置和各种继电保护装置等的互联。同时,仿真系统应充分考虑与其他仿真设备的接口,如TCSC、STATCOM等电力电子设备,风力发电、太阳能发电等可再生能源以及储能装置等。数字装置与物理装置的互联既可对大规模交直流输电系统进行实时的仿真研究,未来还将实时地跟踪电网的数据变化,与整个大电网的安全控制、在线监测系统有机地融为一体。混合仿真系统的实现也将进一步扩大数模混合仿真的研究领域和应用范围,如控制系统、动力系统等。
6 结论
为满足我国特高压电网发展对仿真手段的要求,国家电网仿真中心数模混合仿真实验室利用实验室现有设备,采用各种先进技术手段,构建并实现了适合特高压交直流大电网数模混合仿真试验系统。实际应用表明,所设计的平台在硬件和计算资源方面都有良好的扩展性,能较好地满足不同应用场合的要求。由于实际电网规模庞大,完全模拟实际电力系统在现阶段是不可行的,因此,如何对实际电网进行有效等值,如何简化接口设备,扩展数据采集通道,扩展平台运算能力,提升平台的利用率和仿真规模,这些将是下一步的研究方向。
摘要：国家电网仿真中心数模混合仿真实验室建立了特高压交直流电网数模混合实时仿真系统,模拟特高压交直流跨区大电网。实时仿真系统选用Linux操作系统,采用Hypersim全数字实时仿真软件,通过信号接口和功率接口实现了全数字仿真程序与一次直流物理仿真装置和二次控制保护装置的互联,基于SGI超级计算机实现了大规模交直流电网的数模混合实时仿真,并将其应用于多个实际工程。实践表明,数模混合实时仿真系统能够为特高压交直流大电网的研究提供强有力的技术支持。
关键词：电力系统,数模混合,仿真,功率连接,接口,交直流大电网,特高压输电
参考文献
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交直流混合电力系统 篇2
摘要：交直流混合输电为电网运营在技术上的更新与管理上的模式带来新的挑战。文章分析交直流混合输电模式，对其电磁暂态仿真模型进行构建与分析，首先进行交流系统电磁暂态仿真模型分析，包括数据的转换与录入以及电磁暂态仿真模型的搭建，然后对直流系统电磁暂态仿真模型进行分析。
关键词：交直流混合电网；电磁暂态仿真；模型构建
中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0107-04
1 概述
我国的能源需求在地理分布上并不均匀，因此建设特高压以及超高压的骨干网架，是电力系统发展的大趋势。当前，随着电力建设进程的发展，高压直流输电已经逐步被引入到跨区域的输电系统之中，交直流混合电网项目也逐步在全国各地上马动工。然而应该看到的是：这种输电的模式一方面能够为国家经济与电网企业带来明显的效益，另一方面也使得电网结构日趋复杂化，并为其在技术上的发展与管理上的模式带来了新的挑战。在交直流混合电网中，直流系统与交流系统最大的区别就在于其特殊的运行特性，例如基于直流的输电模式，其控制系统的响应时间普遍短于交流系统，直流输电往往能够在毫秒级别的时间之内完成响应，因此在交流系统的交织下，可以把直流输电模式看作一个典型的大负荷。正是由于直流输电具备与众不同的运行特点，并且能够传输相对较大的功率，因此在交直流混合电网中由于交流和直流的互相作用，便可能面临各类难以解决的技术难点。包括：如果处于直流输电网络范围之内的交流部分出现故障或者障碍时，便有可能导致直流输电系统中换流器无法实现正常换相。在换相的过程里，涉及到复杂度比较高的电气量变化，会在很大程度上影响其附近的继保设备，甚至使之误动。因此，如何提高大规模交直流电网的可靠性和经济性，是一个亟待解决的问题。本文以山东电网为例，分析其在纳入直流输电模式之后，一旦电网中的直流系统发生故障，有可能为交流带来何种影响。并以含国家电网公司达标投产的重点工程，也是全国第一条±660千伏电压等级的输电工程——宁东至山东±660千伏的交直流混合电网为例，对其电磁暂态仿真模型进行构建与分析，首先进行交流系统电磁暂态仿真模型分析，包括数据的转换与录入以及电磁暂态仿真模型的搭建，然后对直流系统电磁暂态仿真模型进行分析，包括直流系统基本概况的介绍以及各类设备参数的选择，最后在此基础上阐述了电网混合系统潮流、短路电流的调节的思路。本文的成果可以给交直流混合输电网络中的故障瞬态特征分析提供比较好的理论支持与实践借鉴。
2 交流系统电磁暂态仿真模型分析
对交直流混合电网进行仿真，首先应进行数据源格式的统一化，然后搭建电磁暂态仿真模型。本研究是基于PSCAD/EMTDC环境的，因此所有的数据均应能符合该环境之下的要求。本部分关注的是电网中一旦发生直流输电系统的障碍或者故障，以其瞬态特征为研究对象，评估当直流换相不成功的时候会为交流保护带来怎样的影响，为其构建仿真模型。所以，首先应该把基于PSASP的所有数据进行转换，使之成为基于PSCAD的数据，从而便于在电力系统仿真分析软件的环境中进行电磁暂态仿真模型的搭建。此类模型的搭建目前的研究成果和实践案例并不多，因此结合山东电网的特点以及交直流混合输电的具体方案，本文通过以下的思路进行电磁暂态仿真模型的构建：第一步：进行数据格式的转换，把基于电力系统分析综合程序的数据映射为基于电力仿真软件PSCAD的数据。第二步：结合电网的具体情况，以典型的电网方案为基准，构建交流仿真模型。在进行不同环境之下格式转换的时候，需要考虑的电器参数包括网内的电源、变压设备以及无功补偿设备等。第三步：对程序进行调试，使所构建的仿真模型开始运行，同时对于电网中潮流和短路电流分布进行调整，使数据转换前后的电气环境保持一致。
2.1 数据的转换与录入
2.1.1 变压设备的数据转换过程。在PSCAD环境中，涉及到变压器设备电磁暂态环境的数据，需要转换的有：变压器的容量、变压器工作频率、变压器绕组方式等等。采用的具体方法为：
（1）对于基于电力系统分析综合程序的变压设备所有绕组的短路电压参数，可以将其直接转换为基于PSCAD环境的中漏电抗。
（2）对于变压设备由磁滞损耗和涡流损耗组成铁耗与铜耗，应通过转换，将有名值映射到标幺值。举例来讲，电力系统分析综合程序中，若铁耗值为24725kW，便能够映射为PSCAD环境中的标幺值01003495p.u.。如果是将PSASP电力系统分析综合程序中的铜耗映射到基于PSCAD的环境，方法是首先将三组短路损耗进行求和并除二，获取其有名值，然后将此有名值映射为标幺值。
2.1.2 输电线路的数据转换过程：
（1）确定输电线路模型。由于本研究主要针对的是输电线路在动态方面的属性，所以确定以分布参数的模型来描述输电线路。由于是研究电磁暂态下的属性，因此经过综合比较，Phase模型适用于频率变化范围较大的环境，因此本研究以Phase模型作为线路模型的描述与仿真方式。
（2）确定输电线路参数。在基于PSCAD的分析模式下，我国大部分地区的超高压及以上电网均为水平排列方式；在Phase环境里涉及到的输电线路数据包括：输电杆塔的高度、电力线路以及接地线，这些数据均应进行转换。对输电数据进行格式转换的方法是：第一步：对输电线路的物理参数进行确定，并对所有数据进行合理的修正，保证电力系统分析综合程序中所获取的输电线路参数和基于PSCAD环境的参数保持一致。第二步：对于接地线涉及的土壤电阻率，则首先选定其缺省值，然后结合具体情况作出必要的调整。在做好以上步骤之后，PSCAD支持通过物理参数获取所对应的电气参数。
2.1.3 无功补偿数据转换过程。在对混合电网的无功补偿进行数据转换时，必须了解的数据包括无功补偿装置的一些主要参数，例如电容值以及电抗值等等。所以必须把电力系统仿真分析软件之下的此类参数的标幺值进行转换，使之成为电容值以及电抗值。一般情况下，高压输电采用的接线方法均为星形接线。因此本研究也将星形接线方式作为无功补偿装置电容、电抗数据转换的接线方式。具体思路为：根据阻抗值计算式以及阻抗基准计算式，最终经过推导，得到无功补偿的电容值计算式为：
电抗值计算式为：
2.2 电磁暂态仿真模型的搭建
2.2.1 确定电源的主接线。对于电网内的大型发电厂而言，其接线方式均选用了安全性相对较高的单元接线。考虑到该地区电网之内的发电厂绝大部分的单机容量超过了300MW，因此其电源的主接线全部是单元接线。
2.2.2 确定变电站的主接线。结合（原）水利电力部西北电力设计院《电力工程电气设计手册电气一次部分》的规定，根据电网的变电站实际情况进行接线方式的设置，500kV变电站和220kV变电站接线方式有所不同，前者采取的是规定中的第三类接线方式，后者则为第一类接线方式。如图1所示：
2.2.3 确定无功补偿接线方式。在电网建设的工程实践中，以星形接线作为电力电容器组接线方式的最优选择。所以，本研究中，对无功补偿装置选择了单星形方式。
2.2.4 低电压电网的等值。为使研究结论更加明晰，主要将电网里500kV中的直流系统落点以及和直流关系较大的交流纳入等值计算，而其他低等级交流适当简化。对于和直流关系较大的交流，则精确地纳入其网架结构、重要负荷等内容。简化的前提是不对电网的重要电气特性造成较大的影响，简化之后的结果能够进一步降低仿真的工作量，并在很大程度上增强仿真效率。本研究结合文献中成熟的等值法，把电压级别较低的电网等值为一个独立负荷，如下图2所示：
等值之后，一方面能够降低电网的复杂度，另一方面还能突出网络动态特性。
2.2.5 电网结构的确定。在电网网架的确定中，首先将全部500kV等级的变电站以及主力电厂纳入，通过等值处理，把220kV电网等值为电压源，从而构建出暂态仿真模型所需的电网网架结构。
3 直流系统电磁暂态仿真模型分析
3.1 系统概况
在基于PSCAD的软件下，下图3所示为本研究所涉及的直流输电系统。系统中的主要部件，包括变压器、直流线路等全部为详细暂态模型。
3.2 系统参数的确定
3.2.1 换流变压器参数。系统以单相双绕组作为两侧换流变压器，两侧分别有十二台主变压器。结合工程实践中直流输电系统换流站主回路中换流变压器短路阻抗的参数选择原则及方法，将阻抗百分比定位于18%。
3.2.2 平波电抗器参数。结合电网建设工程实践中的高压直流经验，对于平波电抗器参数的计算并无公式可循，需要经过一个逐步逼近最佳值的过程值。本研究所关注的是远距离高压直流输电，结合相关文献以及工程经验，一般将平波电抗器参数工频电抗标幺值设置在0.2～0.7的区间之中。本研究取280mH。
3.2.3 直流线路参数的确定。由于存在电晕的约束，本文所研究电压等级的直流线路为避免电晕，必须选择6分裂导线；为了电磁环境达标以及可听噪声符合相关行业和环保标准，本文所研究电压等级的直流线路导线截面应高于500mm2，综合考虑所有因素之后，导线参数选择6×500mm2。
3.2.4 控制系统参数的确定。本研究在确定控制系统参数时，结合我国目前比较成熟的高压直流输电系统，其在控制系统的配置方面，一般由3个层次组成，分别是：极控制层、换流器层以及单独控制层。其中，极控制层的功能是分析并转译由电力调度部门传输来的直流功率相关指令，对这些指令进行必要的分析之后，向换流器控制层传输指令；换流器层的主要功能是将来自极控制层的指令进行分析和译码，使之成为触发角指令的格式，并进一步传送至所有的阀组控制部件；单独控制层的功能是控制换流器的分接头以及无功补偿等等。只有来自高层的指令能够被下面的层次准确译码并执行，电网才能协调准确地安全运行，为了实现此目标，就应该注意到这些场次在响应时间上存在着很大区别，随着层次变高，其在响应时间方面也会变长。举例来讲，对于处于较高层次的极控制层而言，其功率阶跃响应的时间量级往往是0.1秒，而处于较低层次的换流器层的响应时间一般在4毫秒以内。
（1）极控制层参数分析。在本研究的建模过程中，极控制层所需的电流指令是系统预先给定的，因此在这种情况下不必对电网调度部门的功率进行数值模拟。因此在本研究中不必对这一层的参数进行分析。
（2）换流器层参数的确定。在本研究所设计的输电系统里，换流器控制一方面属于断网的基础控制功能，另一方面也是技术的核心，其控制过程是将触发脉冲作为指令，实现对电网传输功率的配置。
（3）单独控制层参数的确定。单独控制层的主要功能是对变压器分接头以及无功补偿等进行控制。其中，对分接头进行控制，具体内容是对分接头的位置进行自动调整，从而精确地将逆变器的关断角控制在安全范围以内，在实现此功能时，应和换流器本身的控制过程进行配合，具体来看，变压器的分接头通常有两种控制模式，分为角度模式与电压模式。前者的优势在于可以让换流器在许多类别的运行条件中能够拥有比较理想的功率因数。如果电网输送的直流功率相同，则被换流器所消纳的无功一般并不多，则分接头调节的空间变得比较大；而其不足之处在于分接头的动作过多，因此电网的检修次数也增多，耗费了人力物力。此外，目前比较成熟的换流器，其开关依旧为机械原理，对其进行调节的耗时往往多于5秒钟，可见其响应时间并不理想。通常只将角度模式作为电网的备用调节方法。综上所述，考虑到单独控制层缺点是响应时间不理想，因此在进行建模的时候并不纳入此种功能。
4 混合系统潮流的调节
结合以上的分析，本研究给出交直流混合输电系统潮流调节的步骤：
（1）遵循事先拟定的交直流电网运行模式，在电力仿真软件的支持环境下获取这种运行方式的具体潮流情况。
（2）然后，基于PSCAD的环境，以第（1）步里完全一样的交直流混合电网运行方式，不断对电源出力进行调节，并调节等值负荷，目的是使电力仿真软件的支持环境下与PSCAD环境下潮流达到一致。
在PSCAD环境中设置负荷模型时，关键的步骤是选定一些参数，包括dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ等，并将其取值区间设定为[-5，5]。具体到本研究，将PSCAD环境中dV/dP、dV/dQ、dF/dP、dF/dQ均设置为0，含义是恒功率负荷。同时，对于有功无功的功率均应集合具体的潮流进行适当的调节，从而使潮流分布能够保持一致。
5 混合系统短路电流的调节
在电力仿真软件的支持环境下以及在PSCAD中潮流分布大体相同的条件下，对交直流混合电网的短路电流进行调节。具体的过程为：
（1）在电力仿真软件的支持下，为混合电网设定特定运行模式，并基于这种模式来获取三相短路故障的时候全网的短路电流实际分布情况。
（2）进入PSCAD的环境，并设置单位故障与电力仿真软件相同，通过对次暂态电抗的值进行渐进性的调整，使电力仿真软件的支持环境下与PSCAD环境下短路电流分布达到一致。两种方式之下的短路电流实际分布及误差比较如下表1所示，可见误差在工程误差允许的范围内。
6 结语
本研究在电力仿真软件的支持环境下，研究交直流混合输电系统的电磁暂态仿真模型，以宁东至山东±660千伏的交直流混合电网为例，在PSCAD环境下搭建了含直流馈入的电网仿真模型。在仿真模型里对电网所涉及的各类主要设备进行了模拟，包括火力发电厂、变压设备、电力线路等；然后对电网涉及到的电源、电气接线以及无功补偿等设计了其接线。在电力系统仿真分析软件的支持下，进行电网混合系统潮流、短路电流的调节。本文的成果有助于提升对于交直流系统的特性分析水平，具有比较好的理论价值与实践意义。
参考文献
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交直流混合电力系统 篇3
现代电力系统正向着高电压、大规模、智能化方向飞速发展,电网事故有时会造成非常严重的后果[1,2,3,4]。研究电网实际故障最重要、最有效的手段就是系统仿真[5,6,7],它可以在实验室中再现实际系统的复杂运行,具有良好的可控性、无破坏性和经济性。通过仿真平台将实际故障再现,将有助于运行人员分析故障原因,研究故障后电网中出现的暂态过电压和过电流,也将为今后避免发生同样的故障、制定故障后正确的限制和保护措施奠定坚实的基础。
为此,国内外电力工作者进行了大量的实验,通过各种仿真工具,对电网实际故障进行模拟,但其结果大多不能令人满意[8,9,10,11]。2004年内蒙古电网500 kV丰万Ⅰ线发生C相短路接地事故,事故后期的仿真实验无法准确再现故障当时的电压跌落[12]。2005年龙政直流系统因交流保护故障导致双极闭锁,并引起了逆变侧交流网络频率下降,在后期的仿真研究中,由于采用了简化的直流系统模型,限制了仿真结果的精确性,使之与实际录波之间存在明显的差距[13]。如何保证在仿真中准确再现实际故障过程,已成为电力工业界和学术界很关心和希望解决的难题。
本文基于国际公认的实时数字仿真器RTDS[14,15,16],根据实际电网结构和负荷特性,搭建了等值电网仿真模型。介绍了仿真建模中的关键问题,提出了RTDS元件模型的选择原则。将RTDS与实际直流输电控制保护装置连接,建立了一个交直流混合系统实时仿真实验平台。在此基础上,对实际发生的2个典型故障进行了仿真研究。通过仿真实验成功再现了实际故障的全过程,并且分析得到事故的真实原因,提出了合理的改进建议。通过仿真结果与实际录波的对比,证明所建立的交直流混合系统仿真模型是准确、可信的,能够比较真实地反映实际系统的动态特性。
1 仿真系统建模
1.1 交流系统建模
鉴于RTDS硬件设备非常昂贵,而RTDS的基本组成部分即每个组(rack)的计算能力有限,不可能对整个电网进行仿真计算。因此,根据现有的RTDS硬件资源和所需研究的具体问题建立详细程度适当的电网模型是非常重要的。本实验的重点是分析由各种故障引起的直流系统暂态过电压、过电流和直流控制保护装置的响应特性。因此,必须对直流输电系统建立详细的模型。对交流系统则可在系统等值的基础上进行简化,这样在保证仿真结果可信性的基础上,将大大节省实验资源。
仿真实验模型是根据2007年南方交直流混合电网的结构和负荷特性建立,如图1所示,其中包含了全部500 kV交流母线和输电线路,同时也包含天广、高肇和江城3条直流输电系统,而220 kV及以下交流网络和江城直流整流侧交流系统均进行了简化。
1.2 直流系统建模
RTDS对直流输电系统各元件都进行了详细而准确的模拟,包括换流阀、换流变压器、直流线路、平波电抗器和交直流滤波器等。但RTDS中的模型并非十分完善,本文以直流输电系统最核心的换流阀组模块为例,对其模型和算法进行了详细的分析,提出了元件模型的选择原则。
1.2.1 换流变压器模型
换流变压器是直流输电系统的核心设备,但是RTDS阀组模块中的换流变压器采用理想变压器模型,该模型中仅含有串联电感和变比环节,不含励磁支路,不能模拟变压器饱和特性。而换流变压器饱和特性对直流系统的暂态过程有重要的影响。本文采取在换流变压器交流母线处并联非线性电抗器的方法来模拟其饱和特性,具体结构如附录A所示。
目前RTDS元件库中非线性电抗器模块有2种:SHARC_NLinductor3和SHARC_TRF3PSAT模块,其中后者在对曲线进行分段线性化处理时采用了更多的数据点,因此理论上该模块更加准确。
在额定和考虑饱和2种情况下,对2个模块分别进行了仿真实验。结果表明:前者所得磁化曲线中空心线圈电感值要大于设定值;后者如采用饱和模型satV3选项,所得磁化曲线中空心线圈电感值与设定值一致。由此说明,仿真实验结果和理论分析一致,选用SHARC_TRF3PSAT模块对换流变饱和特性的模拟更加准确。
1.2.2 点火脉冲算法
RTDS通过数字量输入时标(DITS)采集卡将外部控制器的6位触发脉冲信号送给换流阀,其接收到点火脉冲的时刻是随机的。而计算程序是在接收到点火脉冲后下一个时步的开始时刻做出响应。所以RTDS从接收到点火脉冲到响应的时间误差在0~1个时步之间。如果仿真步长采用50 μs,由此产生的误差相当于0.9°电角度,进而会引发以下问题:
1)RTDS不能对换流器触发角的微调产生连续响应。
2)产生实际系统中并不存在的非特征谐波。
为了解决上述问题,本文采用改进点火脉冲算法。当RTDS接收到触发脉冲后1个时步内,在阀的导通电阻上串接一个反向的电压源Vr。在仿真器接收脉冲信号1个时步后,该电压源被置0。其中Vr由下式计算得出:
式中:Δt为仿真步长;Vp为换流阀的预测正向电压;f为脉冲分度,其数值在0~1之间;Δf为脉冲分度变化量。
由于DITS卡的采样步长可达60 ns(相当于0.001 08°),因此可以精确得到脉冲分度的数值。改进点火脉冲算法原理如图2所示。
改进点火脉冲算法避免了随机误差的产生,可以在50 μs的仿真步长下,取得2 μs的阀组模拟精度。通过测量得到的脉冲分度,实现了对触发角微调的连续响应,很好地改进了直流仿真系统的运行稳定性。但同时,该算法增加了一个固定时步的延迟。另外,从换流阀关断到导通状态的转换,内部计算程序采用的梯形积分法需要0.5个时步的计算时间。因此,从触发脉冲发出到换流阀导通总的等效延迟为1.5个时步。解决延迟的办法有2种:
1)使锁相环发出的相位信号增加,其增加的角度应与1.5个时步对应。如果步长是50 μs,系统频率是50 Hz,则对应的角度为1.35°。
2)触发延迟角α减小,减小的角度也与1.5个时步对应,即1.35°。
1.3 直流输电控制和保护装置
直流输电控制器是直流输电系统的核心,其特性很大程度上决定了直流输电系统的稳态和暂态响应。因此必须精确地模拟直流控制器,才能真实反映出交直流电力系统的运行特性。而应用现有的仿真工具,所搭建的各种直流控制器模型都进行了不同程度的简化,无法完全真实地反映实际直流控制器的响应特性。
本文利用南方电网公司电网仿真实验室的一体化综合仿真平台即RTDS与实际直流输电控制保护装置连接,构成闭环实验系统,建立交直流混合系统实时仿真实验平台。该套装置包含直流站控屏、直流极控屏和直流保护屏,采用与现场设备一致的软件逻辑,实现了对直流场断路器、开关和接地刀闸的模拟及触发脉冲信号的产生和直流保护等功能。
以上各控制保护屏柜之间、屏柜与RTDS之间通过硬件连接实现数据和信息交换。该套控制装置基本真实地反映了实际直流输电系统的特性,也为实际故障的成功再现奠定了基础。
2 仿真实验及结果分析
基于所建立的RTDS交直流混合系统实时仿真实验平台,对2004年7月3日500 kV莞鹏线B相跳闸、2004年10月8日高肇直流极1单极换相失败2个典型故障进行了仿真实验。特别是,2004年10月8日高肇直流极1共连续发生了4次单极换相失败,后期的仿真实验也一直没有能完全重现实际故障过程。
2.1 仿真实验1
2004年7月3日13:07,广东电网500 kV莞鹏线B相发生接地短路故障,线路保护跳闸,故障消除后,重合闸成功。故障持续期间造成高肇、天广和三广直流输电系统换相失败。
根据事故原因和顺序事件记录器(SER)的现场记录进行仿真实验。以高肇直流输电系统为例,图3给出了其逆变侧极2各电气量仿真实验结果和实际录波对比。500 kV莞鹏线B相电流仿真实验结果和实际录波对比如图4所示。
从实验结果可以看出,莞鹏线B相电流和高肇直流系统各电气量仿真实验波形均与实际故障录波的结果完全一致。说明通过仿真实验比较成功地再现了实际故障的全过程。由此证明,所建立的RTDS南方交直流混合电网仿真模型是准确、可信的,能够比较真实地反映实际系统的动态特性。
2.2 仿真实验2
2004年10月8日11:42:30,高肇直流系统极1发生单极换相失败。约40 ms后,换相失败自动恢复正常运行。此后极1又接连发生了3次单极换相失败。事故的原因一直未能查明,后期的仿真实验也没有能成功再现实际故障过程。由于没有任何现场故障报告作为参考,因此只能通过对实际录波的分析来推测事故原因。
经过对逆变侧换流母线交流电压、极1和极2直流电压、直流电流实际录波的分析得出,该次换相失败不应是由交流系统故障引起。理由是:
1)逆变侧换流母线交流电压下降仅为5%,如此小的电压降落不足以引起换相失败。
2)如果逆变侧交流系统发生故障,则应该引起双极而不是单极换相失败。
3)从时间顺序上,应是先发生了换相失败,然后引起了电压跌落。
由此推断故障的原因应该在于直流系统本身。实际录波显示,竖琴脉冲完好无损,说明直流极控发给阀基电子设备(VBE)的触发脉冲正确。而VBE发给换流阀的触发脉冲可能会有丢失的现象。图5所示为高肇直流逆变侧极1(Y,y接线)换流变压器阀侧三相交流电流实际录波,从中可以观察到是3号阀到5号阀换相过程失败。由此可以推断是VBE发给该换流桥5号阀的触发脉冲丢失引起了极1换相失败,进而影响了交流系统和极2的正常运行。
仿真实验结果和实际录波对比如图6、图7所示。从实验结果中可以看出,仿真实验波形与实际故障录波完全一致。由此说明,推测的故障原因正确无误,仿真实验比较真实地反映了实际故障过程。引起换相失败的原因有很多,除了常见的交流系统故障外,触发脉冲丢失也会引起换相失败,而且在实际运行过程中是有可能出现的。
以上仿真实验仅模拟了第1次换相失败的过程。通过对该时间段内所有故障录波的分析发现,4次故障均是因同一个阀(极1(Y,y接线)换流变压器所连接的换流桥5号阀)未能正确触发造成的。实际故障录波显示竖琴脉冲均正常,由此推测当时实际触发脉冲发生装置VBE可能存在故障,需要检修或更换。
3 结语
本文基于RTDS根据南方电网结构和负荷特性,搭建了等值电网仿真模型。介绍了仿真建模中的关键问题,提出了RTDS元件模型的选择原则。将RTDS与实际直流控制保护装置连接,建立了交直流混合系统实时仿真实验平台。在此基础上,对500 kV莞鹏线B相跳闸、高肇直流极1单极换相失败2个典型故障进行了仿真研究。仿真实验成功再现了实际故障过程。通过仿真结果与实际录波的对比,证明所建交直流混合系统仿真模型是准确、可信的,能够比较真实地反映实际系统的动态特性。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
直流输电系统故障分析与保护 篇4
【关键词】直流输电;过电压;交流滤波器
前言
在二十一世纪的今天，随着用电量的不断增加，在输电线路形式上不断改革，提升输送电力的容量和电压时满足人们日益增长用电需求的重要手段。然而如何在直流电的输送过程中对直流输电系统做好防护措施，是目前电力工作者所不得不面对的一个难题。本文通过对直流输电系统的主要故障进行了分析，并且提出了相对应的保护措施，希望能为相关工作人员提供一定的参考和借鉴。
一、过电压的存在与保护
在我国实际的直流输电的过程中，由于受到自然恶劣的环境影响或者是认为的失误出现故障等形成过电压，过电压严重影响了在直流电输送系统的运行，甚至威胁者整个电力系统的安全，所以必须要及时发现和解决。在目前中国的实际情况来说主要以过电压保护器和避雷针为保护措施。对于避雷针来说，由于其构造简单，价格便宜而又耐用的优点成为现在应用最广泛的防过电压的手段。但是避雷针也有自身无法克服的缺陷，其在应用的过程中没有自动灭弧能力，而且放电电压小稳定。因此在自流输送系统中有着完善的控制调节系统，在保护间隙之后能够自动降低电压。为了降低设备绝缘水平，必须降低避雷器额定值，因此为了保证避雷器本身安全必须串联间隙，因此仍然带来了小确定性。
二、绝缘配合缺陷的存在与保护
绝缘配件是根据整个电力系统设备上出现的电压水平，对其进行分析预估后用来进行电压阻隔，以保护电压保持在一个安全水平现内的电气。多个绝缘配件就形成了绝缘配件组，在摸个绝缘设备发生故障，如不能承受电压长期过高、或者发生因为雷电或操作耐受电压忽然变得极高的情况下，绝缘体发热烧坏，同时使与之配合的绝缘配件组都陷入极大的工作压力下，着种情况对整个电力系统的安全都会勾着极大的威胁。由于电压输送过程中电压等级不断增加，电器设计从主接线、绝缘配件、设备选型等方面都有了明显的变化。
目前我国由于直流输电技术仍然处于发展的阶段，在许多的应用方法方式上都没有晚上，仍然是当前电力系统中的不充电和缺陷点。 换流变压器具有四总结构：三相组合式;三相双绕式;单相祝贺式和单相双绕组式，每一种的形式都有具有其特有的优势和特点，当然也有其不足的地方，我们在实际的电网设计中在选择换流变压器的时候要根据实际情况，选择最适合实际工程的换流变压器，比如 在面对电压特别高、电压等级大、容量大的工程的时候我们一般都会采用单相双绕组变压器。而面对电压比较小的电网工程一般来说会选择三相结合或者单相组合的交流变压器。
三、交流滤波器故障分析
作为直流输电换流站的重要组成部分——交流滤波器的运行情况直接影响着整个直流电输送系统的情况。交流滤波器主要是连接在换流变压器侧母线上的，平时需要承受相当高的电压，而且因为交流滤波器需要通过大量的基波及谐波电流，因此对于其稳定性与电流绝缘的能力要求十分的高，对于这一设备的故障问题的研究也就十分的重要。
1.短路故障。所谓短路故障就是交流滤波器设备内部的线路短路或者设备的外连线接地出现短路的情况，交流滤波器设备的特性问题可以判断其出现间接的短路情况不存在。现短路的情况的时候会造成元件因为受到了电流的冲击而损坏。出现短路的情况的时候，可以根据母线侧电流的通过率与接地线侧电流的通过率之间的差来判断。
2.电容器故障。所谓电容器故障就是指电容器背部的原件出现了损坏。作为交流滤波器的主要构成部分——电容器具有两种连接方法一种是H型连接：另一种是分支连接。不管采用什么方式进行电容器的连接，电容器的内部每一个节点的构成都是由同量的点容易组合而成的，不管对于那一台电容器来说其内部每一个原件的损坏都意味着电容器的故障。如何找出究竟是哪一个的原件损坏就需要通过相对比的方法，通过和正常的电容器惊醒对比发现问题，另外还可以准备一个配用的点容易以免发生意外。
3.设备承受的负荷过大。这里指的主要是电容器、电抗器、电阻器的负荷过大。由于交流滤波器在工作环境下承受的特殊的情况，可能是其在长时间因为大量的流过谐波电流，出现电容器、电抗器、电阻器的热量过高而破坏，在一般的情况下，交流滤波器能够承受的谐波电流是基波电流的20%～30%之间，当出现频率较高的电流的时候，时间越长电容器、电抗器、电阻器的温度就越高，导致超负荷的承受，例如一般的交流滤波器的每个设备环节的电负荷通过率是正常值的50%，如果电压的不稳定导致过高的膨胀使通过率超过50%的时候就出现元件的损伤，当然每一个元件还有一定的承受范围，如果在基础的范围内超出10%～20%的时候就是超负荷的工作，这个时候的各个元件就会出现问题，产生故障。
4.滤波器故障。滤波器故障主要是指滤波器实际的调谐频率与电网系统所需要的谐波频率之间有一定的误差。导致这一问题出现的主要原因就是滤波器的内部元件的结构参数考察值和整个电网系统的变化频率之间的偏离程度，一般的偏离程度是5%到10%不等。这个时候滤波器就会达不到原有的滤波要求，导致整个直流输电换流站的不能正常运转。这就要求在的使用过程中对于滤波器的内部元件的变化在早期的时候及时的进行一些常规的检测与监控，同时元件的后期检测也相当的重要。
对于以上的四种故障，我们应该更具实际情况进行分析，在日常的工作中判断出交流滤波器问题究竟出现在哪里，为能够开速的解决问题创造条件，以保证直流输电站系统正常的运行，于此同时，对相关工作人员进行技术理论培训，为我国的直流输电系统的不断完善做出贡献。
四、结语
由于二十一世紀科学技术的发展，计算机不断普及广泛的运用大各行各业中，在直流输电系统中，由于线路较长，而且大多在露天的野外，是如何监控本文中问题的出现问题的出现是一个巨大的难题，这就要充分的利用计算机技术加强对于可能出现的问题进行监控，及时的处理。直流输电系统在应用中提高输电效率，保证自身的良好运行，为人们生活提供基础保证，是对于每一个电力工作中的的工作要求，我相信随着我们的努力，在不久的将来中国的直流输电系统会越来越完善。
参考文献
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交直流混合电力系统 篇5
关键词：直流输电,电压源换流器,VSC-HVDC,静态状态估计,交直流混合系统
0 引言
随着电力系统规模的扩大和电力市场的发展,对能量管理系统EMS(Energy Management System)分析结果的可靠性和精度的要求越来越高,状态估计已经成为EMS中不可或缺的部分[1,2,3,4]。近年来,直流输电在电力系统的研究和电网的实际运行中正扮演着越来越重要的角色[5,6,7],交直流混合系统的状态估计研究引起了国内外学者的重点关注,已有一些文献对交直流混合系统的状态估计的模型和算法做了研究,主要可分为两大类:同时迭代求解法[8,9]和解耦迭代求解法[10,11,12]。
以全控型开关器件和电压源换流器(VSC)为基础的新一代高压直流输电(HVDC)逐步应用,由于VSC-HVDC与传统直流输电在物理模型和工作原理上都有本质区别,因此研究含VSC-HVDC的交直流混合系统的状态估计具有重要的现实意义。
本文首先介绍VSC-HVDC的稳态模型和常用的基本加权最小二乘(WLS)算法,在此基础上通过确定交直流混合系统的量测函数、状态变量和雅可比矩阵,建立含VSC-HVDC的交直流混合系统的状态估计同时迭代求解法。最后,针对换流器的4种控制方式,通过对经过修改的IEEE 14、IEEE 30、IEEE57节点系统算例进行仿真计算,验证算法的实用性和有效性。
1 VSC-HVDC的稳态模型
两端VSC-HVDC输电系统中第i个VSC的单相示意图如图1所示。其中,Usi=Usi∠θsi为第i个VSC与交流系统连接处的电压相量;Uci=Uci∠θci为第i个VSC的输出基波电压相量;Ri为第i个VSC内部损耗和换流变压器损耗的等效电阻;j XLi为换流变压器的阻抗;j Xfi为交流滤波器阻抗。
假设流过换流变压器的电流为Ii,方向如图1所示,则
交流系统流入换流变压器的复功率S軌si满足如下关系式:
其中,Psi和Qsi分别为交流系统流入换流变压器的有功功率和无功功率。
假设忽略Ri,将式(1)代入式(2),可得:
为讨论方便,令式(3)(4)可进一步推导得到:
其中,Uci由PWM的直流电压利用率μ(0<μ≤1)、调制度M(0
同理,可以推导得到流入换流桥的有功功率Pci和无功功率Qci分别为
由于VSC的换流桥臂的损耗已经由Ri等效,所以直流功率Pdi应该与注入换流桥的Pci相等:
对于复杂的多端直流网络,用节点方程可以表示为
其中,Gd是直流网络的节点电导矩阵;Id是直流电流向量;Ud是直流电压向量。
式(1)~(11)构成了VSC-HVDC的稳态模型。
2 WLS状态估计算法
国内外许多学者以数学和其他新理论为基础,并结合电力系统的特点,提出了一些电力系统的状态估计模型。本文主要介绍WLS算法,其基本思想是以量测值z和量测估计值之差的平方和最小为目标准则。该方法模型简单,收敛性能好,估计质量高,是目前在电力系统状态估计中应用最为广泛的方法之一。
在给定网络参数、接线和量测系统的情况下,量测方程为
其中,z为量测向量;x为系统状态变量;h(x)为由基尔霍夫等基本电路定律所建立的量测函数方程;v为量测误差随机向量,假设其服从均值为零、方差为σ2的正态分布。
给定量测向量z,状态估计向量就是使目标函数式(13)达到最小时的x值。
由于式(12)中量测函数方程h(x)是x的非线性函数,所以式(13)无法直接求解,解决此类问题的思路是首先将h(x)线性化,然后在此基础上迭代求解,由此可以得到WLS状态估计的迭代公式如下:
其中,k为迭代序号;H为量测函数的雅可比矩阵,且
3 含VSC-HVDC的交直流混合系统状态估计模型
3.1 交流系统的状态变量及量测方程
系统的状态变量是可以表征系统过去、现在和将来情况的量,而且是其中数量最少的一组变量。对于交流系统而言,其状态变量就是各个节点电压的幅值和相角,当这组状态变量已知,就可以方便地求出线路上的功率、电流以及网络损耗。
在交流系统状态估计中,量测量包括节点电压的幅值、节点注入有功功率和无功功率、交流支路首末端有功功率和无功功率。
对于含VSC-HVDC的交直流混合系统,首先按照节点是否接有换流变压器,将节点分为直流节点和纯交流节点。直流节点是指换流变压器的一次侧所连接的节点;纯交流节点是指不与换流变压器相连的节点。设系统的节点总数为n,假设其中VSC的个数为nVSC,则直流节点数为nVSC,纯交流节点数为nac=n-nVSC。
对于系统中的纯交流节点,其量测方程与传统的量测方程相同;对于系统中的直流节点,其量测方程为
其中,i、j表示第i、j个节点,i=1,2,…,nVSC;下标t表示此节点为直流节点;U、θ为节点电压幅值和相角;G、B为节点导纳矩阵的实部和虚部;Pmti、Qmti分别为第i个直流节点的有功量测和无功量测;vPti、vQti分别为其相应的量测误差。
3.2 VSC-HVDC的状态变量及量测方程
根据图1所示的VSC-HVDC示意图所建立的稳态模型方程中,共出现11个变量,即Udi、Uci、Usi、Mi、δi、Idi、Psi、Qsi、Pci、Qci、Pdi。其中,Usi是交流系统的状态变量之一,由交流系统状态估计计算得到;由式(7)(11)可知,如果直流系统电压Udi给定,就可以求出换流变压器低压侧节点电压幅值Uci和直流系统电流Idi;观察式(5)~(10)可得,Psi、Qsi、Pci、Qci、Pdi可由其他变量推算得到。综上所述,选择Udi、Mi、δi或Idi、Mi、δi作为VSC-HVDC系统的状态变量。在此选择Udi、Mi、δi作为系统的状态变量进行讨论。
通过分析所建立的VSC-HVDC稳态模型,可以得出直流系统的量测方程为
其中,Umdi、Imdi、Pmdi、Pmsi、Qsmi分别代表第i个电压源换流器的直流电压量测、直流电流量测、直流功率量测、交流有功量测和交流无功量测;vUdi、vIdi、vPdi、vPs i、vQs i分别代表其相应的量测误差。
VSC-HVDC本身作为一种控制元件,在进行电力系统状态估计时通常已知其控制目标值,而状态变量值随系统的运行状态和控制目标的不同而不同,这也正是需要通过状态估计所确定的量。目前,VSC一般有4种控制方式[13],因此可以增加以下伪量测方程。
a.定直流电压、定无功功率控制:
b.定直流电压、定交流电压控制:
c.定有功功率、定无功功率控制:
d.定有功功率、定交流电压控制:
式(16)~(24)组成了VSC-HVDC的量测方程,通过之前的分析,VSC-HVDC的状态变量为3个,量测方程为7个,因此满足了电力系统状态估计量测冗余度的要求,有利于状态估计算法的进行。
3.3 含VSC-HVDC的交直流混合系统的雅可比矩阵
根据上节的描述,可将量测向量z分为3部分,表示为
其中,zac为mac维交流系统量测向量,包括节点电压幅值Ui、交流节点注入功率Pai、Qai及支路首末端功率Pij、Qij、Pji、Qji;zac-dc为2 nVSC维直流节点的注入功率量测向量,包括Pti、Qti;zdc为mdc维直流系统量测向量,包括直流电压量测Ud、直流电流量测Id、交流有功量测Ps、交流无功量测Qs、直流功率量测Pd以及直流伪量测;hac为mac维交流系统量测函数方程;hac-dc为2nVSC维直流节点的注入功率量测函数方程;hdc为mdc维直流系统量测函数方程;vac为mac维交流系统量测误差向量;vac-dc为2nVSC维直流节点的注入功率量测误差向量;vdc为mdc维直流系统量测误差向量;xac=[U1,θ1,…,Un,θn]T,n为交流系统的节点个数,一般把平衡节点作为已知量不参与计算,因此xac为2(n-1)维;xdc=[Ud1,δ1,M1,…,Ud n VSC,δn VSC,Mn VSC]T,则xdc为3nVSC维。
则式(14)中雅可比矩阵可以写为
其中,雅可比矩阵H的维数为(mac+2 nVSC+mdc)×(2 n-2+3 nVSC);子矩阵Ha-a的维数为mac×(2 n-2);子矩阵Ha-d的维数为mac×3 nVSC;子矩阵Had-a的维数为2 nVSC×(2 n-2);子矩阵Had-d的维数为2 nVSC×3 nVSC;子矩阵Hd-a的维数为mdc×(2 n-2);子矩阵Hd-d的维数为mdc×3 nVSC。
雅可比矩阵中各子矩阵有如下3个特点:
a.hac为交流系统量测函数方程,因此不含直流系统状态变量,故子矩阵Ha-d=0;
b.hac-dc为换流变压器所连交流母线的注入功率量测函数方程,包含直流状态变量,故子矩阵Had-d不为0;
c.hdc为直流系统量测函数,其中包含换流变压器所连交流母线的电压幅值向量Ut,因此,子矩阵Hd-a中只对换流变压器所连交流母线的电压幅值的偏导数不为0。
由上面的分析,可将雅可比矩阵改写为
3.4 同时迭代求解法
根据WLS算法的迭代修正式(14),可以写出含VSC-HVDC的交直流混合系统状态估计模型为
其中,状态变量x分为交流系统状态变量xac和直流系统状态变量xdc,H为交直流混合系统的雅可比矩阵,具体形式如式(26)所示。R-1为量测量的加权系数对角阵,按照量测量的分类可表示为
其中,Rac-1为对应zac的mac维加权系数对角矩阵;R-1ac-dc为对应zac-dc的2 nVSC维加权系数对角矩阵;Rdc-1为对应zdc的mdc维加权系数对角矩阵。
采用同时迭代求解法求解式(28),即将交流系统状态量和直流系统状态量联立进行迭代修正,该算法严格计入了交直流系统之间的耦合因素,因此算法的数值收敛性好,精度高。该算法的具体步骤如图2所示。其中,迭代前交直流系统状态变量的初始值需分别进行设定。
a.交流系统状态变量的初始值由设定值给出。
b.直流系统各状态变量的迭代初值根据式(3)(4)可得:
其中,Ω为所有定直流电压控制VSC的集合;ref表示为设定值;N表示为额定值。
对于定直流电压控制的VSC,由于计算前直流系统损耗未知,Psi可由式(33)估计得到:
4 算例分析
为了验证本文模型的有效性,分别对经过修改的IEEE 14、IEEE 30和IEEE 57节点的交直流混合系统进行了仿真计算,其中量测数据是在统一迭代法的潮流计算结果的基础上叠加相应的正态分布的随机量测误差所组成。各系统的量测配置信息如表1所示。为了便于比较,将测试系统的计算结果以极坐标形式给出。同时,为了验证本文所提出的2种模型的有效性,计算如下的性能指标:
其中,ERi=VMi-VEi为残差;EMi=VMi-VTi为量测误差;EEi=VEi-VTi为估计误差;VMi为第i量测量的量测值;VEi为第i量测量的估计值;VTi第i量测量的真值;nm为量测量个数。
由文献[2]可知,量测误差统计值SM应接近1,估计误差统计值SB应小于1,SB小于SM且目标函数值J与量测冗余度基本接近时,才能表明该状态估计算法具有良好的滤波效果。
4.1 IEEE 14节点交直流混合系统
以图3所示的修改后的IEEE 14节点交直流混合系统为例进行仿真,其中,VSC1、VSC2分别连接于节点13、14上,且参数一致;换流变压器阻抗XL=0.15 p.u.;换流器内部损耗和换流变压器损耗的等效电阻R=0.006 p.u.;直流电阻Rd=0.03 p.u.;交流滤波器电抗Xf=0.01 p.u.。
由于每个VSC可以有4种不同的控制方式,为了验证算法对于不同控制方式的有效性,对以下4种情况进行计算分析。
方案1:VSC1采用定直流电压(Ud1ref=2.000 0 p.u.)、定交流无功功率(Qs1ref=0.122 0 p.u.)控制;VSC2采用定交流有功功率(Ps2ref=-0.899 3 p.u.)、定交流无功功率(Qs2ref=0.173 4 p.u.)控制。
表2为交流系统的状态估计结果,表3为直流系统的状态估计结果及其精度比较(表中,U、Ud、Ps、Qs为标幺值;下同)。由表2、3可见,在有一定系统随机量测误差的情况下,同时迭代求解法的计算结果与真值相差较小,可以满足工程上的精度要求。另外,由表3可见,本文提出的状态估计模型可收敛于各VSC的控制目标。
对于方案1,保持其余控制参数不变,只改变VSC2的有功功率设定值或者无功功率设定值,通过同时迭代求解法求得的VSC-HVDC各直流系统的状态变量变化曲线如图4所示。可见,本文提出的状态估计算法对于不同的控制目标均有良好的收敛性,其计算结果与真值相差较小,可以满足工程上的精度要求。同时,状态估计计算的结果也体现了VSC-HVDC的有功、无功功率独立控制的运行特性,也从另外一个侧面验证了所提算法的有效性。
方案2:VSC1采用定直流电压(Ud1ref=2.000 0 p.u.)、定交流无功功率(Qs1ref=0.122 0 p.u.)控制;VSC2采用定有功功率(Ps2ref=-0.899 3 p.u.)、定交流母线电压(Us2ref=1.018 6 p.u.)控制。表4为交流系统的状态估计结果,表5为直流系统的状态估计结果及其精度比较。
方案3:VSC1采用定交流有功功率(P s1ref=0.919 4p.u.)、定交流无功功率(Qs1ref=0.122 0 p.u.)控制;VSC2采用定直流电压(Ud2ref=1.986 3 p.u.)、定交流母线电压(Us2ref=1.018 6 p.u.)控制。表6为交流系统的状态估计结果,表7为直流系统的状态估计结果及其精度比较。
方案4:VSC1采用定交流有功功率(Ps1ref=0.919 4p.u.)、交流母线电压(Us1ref=1.020 3 p.u.)控制;VSC2采用定直流电压(Ud2ref=1.986 3 p.u.)、定交流母线电压(Us2ref=1.018 6 p.u.)控制。表8为交流系统状态估计结果,表9为直流系统状态估计计算结果及其精度比较。
由表4~9可见,所提出的状态估计模型对于算例中VSC的不同控制方式组合均具有良好的收敛性。表10为同时迭代求解法的状态估计性能比较,可见,目标函数值J基本接近量测冗余,并且SB
4.2 其他算例
本文还对经过修改的IEEE 30、IEEE 57节点交直流混合系统进行了状态估计计算,表11为算法的性能比较。由表可见,随着网络规模的增大,该算法的有效性和准确性均是有保障的,滤波效果明显,并且迭代次数没有明显的影响。从测试结果可知,程序的运行效率可满足在线实时计算的要求。
5 结语
本文在电力系统状态估计的基础上,结合VSC-HVDC的稳态特性,从3个方面对含VSC-HVDC的交直流混合系统的静态状态估计问题进行了研究。
a.介绍了电力系统状态估计的基本概念和常用的WLS算法,在此基础上通过确定含VSC-HVDC的交直流混合系统的量测函数、状态变量和雅可比矩阵,并建立了含VSC-HVDC的交直流混合系统的状态估计模型。
b.提出了含VSC-HVDC的交直流混合系统状态估计的同时迭代求解法,该方法不区分交流和直流系统的量测量和状态量,对所有方程直接采用WLS同时对其进行求解,完整地考虑了交直流系统之间的耦合关系,因此精度高,具有良好的收敛性和可靠性。
混合直流输电系统的参数优化方法 篇6
关键词：电网换相换流器,电压源换流器,混合直流输电,拓扑结构,参数优化设计,Simplex算法
0 引言
传统电网换相换流器型高压直流输电 (LCC-HVDC) 以输电容量大, 有功功率快速可控, 线路造价低, 且没有交流线路的对地电容电流问题等得到了世界各国的广泛认可, 并得到了快速的发展, 但由于其依赖受端电网运行, 在受端电网发生严重故障时, 通常不能发挥作用[1,2,3]。20世纪90年代以后, 以全控型器件为基础的电压源换流器型高压直流输电 (VSC-HVDC) 得到了快速发展。正常运行时VSC-HVDC可以同时且相互独立地控制有功功率、无功功率, 可以工作在无源逆变方式, 不需要外加的换相电压, 受端系统可以是无源网络[4,5,6,7];但是其开关损耗较大、工程造价高, 目前在弱交流系统接入和新能源并网方案中具有优势[8,9]。
一端采用电网换相换流器 (LCC) , 另一端采用电压源换流器 (VSC) 的混合高压直流输电结合了LCC-HVDC和VSC-HVDC的优点[10,11]。整流侧采用VSC的混合直流输电系统相对于LCC-HVDC具有可以接入弱交流系统的优点, 可以对发送端进行交流母线电压控制, 在新能源如风电、光伏发电等领域具有优势;相对于VSC-HVDC具有开关损耗低、投资小等优点。逆变侧采用VSC的混合直流输电系统, 不仅可以改善受端交流系统的运行特性, 甚至可以向无源网络供电。目前关于混合直流输电的研究集中在拓扑结构、稳态特性、故障特性、向无源网络供电等方面[12,13,14,15], 也取得了很多有价值的成果, 而针对混合直流输电系统参数优化设计的研究很少。
本文分析了几种典型混合直流输电结构的技术特点与适用领域, 给出了平波电抗器L和直流电容器C的参数设计原则, 提出了一种基于Simplex算法对主电路参数和控制器参数进行同步优化的方法。本文针对整流侧为LCC换流站、逆变侧为VSC换流站的混合直流输电系统 (下文简称LCC-VSC混合直流系统) , 搭建了仿真模型, 并重点针对直流侧LC参数和比例-积分 (PI) 控制参数进行了优化, 仿真结果表明采用优化参数后, 系统的稳态和暂态运行特性都得到了一定程度的改善。
1 混合直流输电的结构
LCC-VSC混合直流输电系统的整流侧为12脉动LCC结构, 逆变侧VSC可以是两电平、三电平二极管钳位或模块化多电平换流器 (MMC) 结构。以VSC为两电平结构为例, LCC-VSC混合直流输电系统的结构主要有单极型混合直流输电、伪双极型混合直流输电和双极型混合直流输电。
1) 单极型混合直流输电
单极型混合直流输电结构如图1所示, LCC侧由一极接地的12脉动换流桥构成, VSC侧由一极接地的VSC构成。其特点是一极承受全部直流电压, 另一极对地电压为0, 可以省去一条直流输电线, 线路造价降低, 但其运行的可靠性和灵活性均较差, 同时对接地极要求较高。由于LCC的电压等级、传输容量均高于VSC, 因此该接线方式的混合直流输电只适用于低电压、小容量输电领域, 也可用于下文介绍的双极型混合直流输电的分阶段建设。需要注意的是, 该接线方式的换流变压器存在直流偏置问题。
2) 伪双极型混合直流输电侧由双极中性点接地方式的6脉动或12脉动换流桥构成, VSC侧由两极直流电容间中点接地的换流器构成。其特点是两条直流线路承受的电压大小相等、极性相反;VSC侧换流变压器不存在电压偏置, 绝缘要求降低;不能单极运行, 运行可靠性不高, 因此称其为“伪双极”, 不具备传统双极接线方式的单极运行模式;传输容量仍受VSC容量限制。
伪双极型混合直流输电结构如图2所示, LCC侧由双极中性点接地方式的6脉动或12脉动换流桥构成, VSC侧由两极直流电容间中点接地的换流器构成。其特点是两条直流线路承受的电压大小相等、极性相反;VSC侧换流变压器不存在电压偏置, 绝缘要求降低;不能单极运行, 运行可靠性不高, 因此称其为“伪双极”, 不具备传统双极接线方式的单极运行模式;传输容量仍受VSC容量限制。
3) 双极型混合直流输电
双极型混合直流输电结构如图3所示, LCC侧由双极中性点接地方式的12脉动换流桥构成, VSC侧由两组换流器串联构成, 两组换流器间中性点接地。其特点是两组VSC组合, 提高了混合直流输电的传输容量与电压等级;运行可靠性提高, 可运行于双极平衡、双极不平衡、单极大地回线等方式;但VSC侧的换流变压器存在直流偏置问题。
综上所述, 根据混合直流输电的不同结构, 其应用领域有所不同。前两种LCC-VSC混合直流输电系统电压和容量受到VSC的限制, 即使VSC侧使用MMC结构可以提高电压等级和容量, 但要与传统直流输电相匹配, 仍非常困难, 可用于输电容量较小、对运行可靠性要求较低的场合。第3种LCC-VSC混合直流输电适用于输电容量较大、对运行可靠性要求较高的场合, 因此本文以第3种LCC-VSC混合直流输电系统为例, 研究混合直流输电的参数优化设计与运行特性。本文提出的优化方法是针对电气参数和控制参数进行优化, 对混合直流输电系统的结构没有特殊要求, 因此, 优化方法同样适用于前两种混合输电系统。
2 混合直流输电的参数设计与优化
LCC由换流变压器、滤波器、12脉动换流桥、平波电抗器L等组成。VSC由换流变压器、换流电抗器、换流桥、直流电容器C等组成。混合直流输电系统两侧换流站的参数设计方法相对已经比较成熟, 而由于混合直流输电系统通过直流侧耦合, 因此, 有必要对其系统参数进行设计与优化。本文重点针对直流侧的平波电抗器L与直流电容器C的参数进行初步设计, 然后基于Simplex算法对LC参数以及两侧控制器的PI参数进行了同步优化, 以期获得更好的系统特性。
2.1 直流侧LC参数的初步设计
2.1.1 LCC直流侧平波电抗器L参数设计
LCC平波电抗器的设计原则主要考虑抑制直流电流上升速度和防止直流低负荷时电流断续, 并且需要考虑避免与直流滤波器、直流线路、中性点电容器、换流变压器等在50 Hz和100 Hz发生低频谐振[1]。
1) 原则A1:满足抑制直流电流上升速度的要求[1]。
平波电抗器L的值的简化计算公式为:
式中:ΔUd为直流电压下降量;β为逆变器额定超前触发角, β=arccos (cosγN-IdN/Is2) , γN为额定关断角, IdN为额定直流电流, Is2为换流变压器阀侧两相短路电流的幅值;γmin为不发生换相失败所允许的最小关断角;ΔId为不发生换相失败所允许的直流电流增量, ΔId=2Is2 (cosγmin-cos (β-1) ) -2Id;f为交流系统额定频率;Δt为换相持续时间, Δt= (β-1-γmin) / (360f) 。
2) 原则A2:满足防止直流低负荷时电流断续的要求[1]。
对于12脉动换流器, L可用式 (2) 计算。
式中:ω为额定角频率;Udio为换流器理想空载直流电压;α为直流低负荷时的换流器触发角;Idp为临界电流, 最小直流电流限值一般设定为额定直流电流的10%, 该值约为轻载时使得电流不发生间断的临界电流Idp的两倍, 即满足Idp=0.5×0.1×IdN。
根据以往高压直流输电工程经验, 在满足上述主要性能的基础上L应尽量小些。在LCC-VSC混合直流输电系统中, LCC作为整流器, 无须考虑换相失败的情况, 因此, 原则A1不作为主要参考依据, 应主要考虑原则A2进行设计。
2.1.2 VSC直流侧电容器C参数设计
直流电容能为VSC提供电压支撑, 抑制直流侧的谐波, 缓冲交流侧与直流侧的能量交换。其主要设计原则如下[16]。
1) 稳压要求:直流电压波动与交流系统是否平衡、交流系统谐波、换流器运行方式及调制策略有关, 直流电容的取值应该能够将直流电压波动抑制在允许的范围内。
2) 储能要求:能够支撑直流电压, 电容器上的储能相当于换流器在额定有功功率下做功时间为τ对应的能量。
3) 减弱两换流站间的耦合作用:直流电容的取值应尽量减小一端换流站谐波电流通过直流电容耦合到另一端引起的谐波过电压。
4) 动态响应速度与控制系统匹配:当系统运行条件发生变化时, 保证及时响应控制系统发出的指令。
直流侧电容的大小影响着控制器的响应性能和直流侧的动态特性, 与VSC之间存在着复杂的能量交换过程。若电容值过小, VSC的控制将变得相当困难, 因为控制稍有一点误差, 电容器两端的电压就会出现很大波动;若电容值过大, 必然增加VSC的体积和造价, 迄今还没有统一的简单实用的方法来选择其合适的数值。通常的做法是先根据直流侧电容两端电压波动允许的范围来粗略地估计其数值, 再通过数字仿真或试验进一步修正。
1) 原则B1:满足抑制直流电压波动的要求[16]。
当电力系统不对称时, 负序电流分量与正序电压作用将产生二次谐波功率, 并引起直流电压出现二次谐波电压。为把不对称故障对直流输电系统安全运行的影响降低到最低, 其中一种应对方案便是合理选择直流电容器的电容值C来抑制直流电压的波动范围, 其设计原则可参考式 (3) 。
式中:Udc为VSC直流侧电容电压;k为二次谐波功率振荡系数, 0≤k<1;εmax为最大直流电压波动允许值, 通常要求εmax=5%;SN为系统容量额定值。
2) 原则B2:满足能量储存要求[16]。
电容能够为VSC的额定功率运行提供一定时间的能量储存。假设与直流电容器容量相关的时间常数是τ, 定义其为在额定直流电压下的电容储存能量与换流站额定容量之比。
此时电容值C的设计原则可参考式 (4) 。
当时间常数τ小于5ms时, 即可满足抑制小扰动及暂态过电压对VSC的稳定运行影响的要求, 通常实际工程中时间常数τ为2ms左右。在本文的混合直流输电系统中, VSC作为逆变器, 选取上述原则B1和B2作为主要参考依据进行设计。
2.2 基于Simplex算法的LC参数与控制器PI参数的优化
在上述设计原则的基础上, 采用Simplex算法对LCC-VSC混合直流输电系统直流侧的LC参数和两侧控制器的PI参数进行同步优化。
Simplex算法是基于几何形状考虑的启发式优化算法。它的理论根据是:设定求解问题的可行域是n维向量空间中的多面凸集, 其最优值如果存在则必然在该凸集的某顶点处达到。顶点所对应的可行解称为基本可行解。Simplex算法的基本思想是:先找出一个基本可行解, 对它进行鉴别, 看是否是最优解;若不是, 则按照一定法则转换到另一改进的基本可行解再鉴别;若仍不是则再转换, 按此步骤重复进行。因基本可行解的个数有限, 故经有限次转换必能得出问题的最优解[17,18]。
对于混合直流输电系统直流侧LC参数和控制器的PI参数, 首先要设定目标函数, 这里设为Yobj, 具体参见式 (5) 。
式中:n为被控量总数;T为所需优化区间的时间;ej (t) 为第j个被控量与其参考值之间的差值;ωj为第j个被控量对应的加权系数;X1={L, C};X2={K1, T1, K2, T2, K3, T3}, 其中K1和T1为整流侧LCC定直流电压控制器的PI参数, K2和T2为逆变侧VSC定直流电流控制器外环PI参数, K3和T3为逆变侧VSC定直流电流控制器内环PI参数。
根据上述LCC侧平波电抗器与VSC侧直流电容器的设计原则, 针对LCC-VSC混合直流输电系统, 设定优化的目标为:直流电流与直流电压应尽量接近参考值, 逆变侧VSC交流系统发生不对称故障时直流侧的二次谐波电压含量应尽量小。因此, 目标函数Yobj (X1, X2) 选为逆变侧交流系统发生不对称故障时, 直流电压和直流电流参考值与实际值的差值的积分。即ej (t) 选为被控量直流电压、直流电流与其参考值之间的差值。
通过Simplex算法优化直流侧LC参数和控制器的PI参数, 以求取混合直流输电系统运行特性函数的极值, 是一种非线性规划问题, 约束条件为电气参数和控制系统参数必须为正值, 优化流程图如图4所示。优化过程为:通过设计和仿真确定直流侧LC参数X1和控制器PI参数X2的初值, 在选择LC参数X1时, 可通过传统电气参数的设计方法获得, 在选择控制系统初始参数X2时, 混合直流输电系统只要大致可以稳定运行即可。然后在逆变侧交流母线处设置不对称故障, 将直流电压和直流电流在稳态和暂态时的参考值与实际值差值的积分记为Yobj。再通过Simplex算法对参数X1和X2进行优化, 优化方向为目标函数Yobj下降最快的方向, 优化步长可根据电气参数和控制系统参数的特点选取, 不能太大, 在本文中优化步长选取为0.01。由于本文所采用的Simplex算法是一种局部优化算法, 故优化结果并非是最优解。
下文将通过PSCAD/EMTDC环境下的仿真分析来验证所提出的优化方法, 其中, 积分步长即为仿真的计算步长, 积分时间是从混合系统启动开始到仿真结束为止。
3 仿真分析及验证
为了验证混合直流输电拓扑与参数设计的正确性和Simplex优化算法的有效性, 本文在PSCAD/EMTDC中搭建了如图3所示的LCC-VSC混合直流输电的详细电磁暂态模型。
3.1 系统参数
LCC-VSC混合直流输电系统的参数见附录A表A1至表A3, 其中LC参数是根据2.1节中介绍的设计原则得到的。
3.2 控制方式
混合直流输电系统两侧的控制方式为:整流侧LCC定直流电压控制, 逆变侧VSC定直流电流控制。在启动阶段:利用整流侧LCC先建立直流电压, 通过直流线路为逆变侧VSC直流电容充电, 直流电压建立后解锁逆变侧VSC, 逐步建立直流电流。所设计的启动控制方式不仅适用于向有源网络供电, 同时因为不需要交流系统为VSC侧直流电容充电, 也适用于向无源网络供电。并且避免了采用自励方式充电时需要串联限流电阻[19]的不足, 是一种适用于混合直流输电系统的启动和控制方式。
3.3 参数优化前后的特性对比
使用Simplex算法对所设计的LC参数和控制器PI参数进行优化的结果如表1所示。
下面将对比在稳态和故障情况下, 参数优化前后LCC-VSC混合直流输电系统的运行特性。
1) 稳态特性对比
根据前文介绍的启动控制策略, 参数优化前后LCC-VSC混合直流输电系统启动和稳态阶段系统的运行特性如图5所示。
由图5可以看出, 0~0.6s由整流侧LCC逐步建立直流电压, 逆变侧VSC断开交流侧断路器且闭锁触发脉冲。0.6s后直流电压建立, LCC通过直流线路为逆变侧VSC电容器充电完毕, 逆变侧VSC交流断路器合闸, 解锁触发脉冲, VSC进入定直流电流、定交流电压控制阶段, 逐步建立直流电流, 0.6s开始直流电流逐步升至额定值1.0 (标幺值) , 约2s时启动过程完毕。仿真结果不仅可以证明所设计的启动方法的有效性, 且通过对比图中优化前后的波形可以看出, 稳态阶段参数优化前, 直流电压和直流电流均发散, 而优化后的直流电压和直流电流均可以很快地达到参考值, 且波动较小, 从而证明了Simplex优化算法的有效性。
2) 故障特性对比
在2.5s时, 逆变侧交流系统发生单相接地故障, 接地电阻为20Ω, 故障持续时间为0.1s, 参数优化前后故障阶段系统的运行特性如图6所示。
对图6的仿真结果进行分析可知, 参数优化后, 故障前直流电压波动变小, 故障后的直流电压可以更快且更稳定地恢复到参考值, 测量得到故障时直流电压的二次谐波分量最大值降低6.14%。故障前直流电流波动变小, 故障后的直流电流可以更快且更稳定地恢复到参考值, 测量得到故障时直流电流的二次谐波分量最大值降低6.5%。证明了使用Simplex算法对LCC-VSC混合直流输电系统进行参数优化后, 当系统发生不对称故障时, 可以得到更好的系统运行特性, 帮助系统更快恢复至正常运行状态。
综上所述, 使用Simplex算法对混合直流输电系统直流侧LC参数和控制器PI参数进行优化后, 直流电压和直流电流的稳态误差减小, 不对称故障时的二次谐波分量降低, 因此系统的运行性能得到了改善。同时, 仿真结果也表明混合直流系统可以按照所设计的控制方法启动和正常运行, 同时也可以从不对称故障中快速恢复, 这也从侧面反映了所搭建电磁暂态模型的有效性。虽然在优化过程中考虑了不对称故障时的运行特性, 然而对于其他类型的故障, 同样可以采用所提出的优化方法同时优化电气参数和控制系统参数, 只需要针对混合直流系统在不同故障类型条件下重新进行优化即可。
这里需要说明的是, 混合直流输电系统的参数在优化前已经进行了初步设计, 故优化前后LC参数和PI控制参数的变化幅度并不是很大, 但是系统的稳态和暂态运行特性均得到了改善;同时, 优化后系统参数的精度比较高, 可根据实际需要选择合适的精度。
4 结语
本文首先介绍了单极型、伪双极型、双极型3种不同结构的LCC-VSC混合直流输电系统的特点和应用场合。然后重点针对混合直流系统中LCC换流器的直流平波电抗器L和VSC换流器的直流电容器C的参数进行了初步设计, 在此基础上提出了基于Simplex算法对LC参数和控制系统参数进行同步优化的方法。在PSCAD/EMTDC环境中搭建了LCC-VSC混合直流系统的模型, 并同时对LC参数和PI控制参数进行了优化。仿真结果表明, 参数优化前后, 混合直流输电系统的启动、稳态和故障恢复特性均有了改善, 从而验证了所提出参数设计优化方法的有效性。本文提出的参数优化设计方法由于需要大量计算, 因此不能用于实时参数优化。虽然该方法是基于混合直流输电系统提出的, 但是也可以用于同步优化其他交直流系统的系统参数和控制参数。因此, 本文提出的参数同步优化方法在实际工程的参数设计中具有一定的理论指导意义。
交直流混合电力系统 篇7
关键词：数字物理混合仿真,模块化多电平换流器,阻尼阻抗法,阻抗实时匹配,接口延时补偿
0 引言
基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)具有谐波含量低、损耗小等优点,已经成为电压源型高压直流输电系统的主流方向[1,2]。由于MMC-HVDC中含有大规模的电力电子器件,致使其动态行为复杂[3],传统的数字仿真方法难以满足MMC详细建模仿真分析的需求,无法达到MMC-HVDC系统高精度快速仿真的要求[4,5];动态物理模拟难以实现交直流混合系统的全规模等效模拟;因此,结合数字仿真与物理仿真的优点,建立数字物理混合仿真系统,采用物理模拟系统进行MMC的仿真,采用实时数字仿真系统进行大规模交流系统仿真,是实现含MMC-HVDC交直流混合系统精确建模分析和工程设计验证的可行方法。
通过功率接口连接的数字物理混合仿真,又称功率硬件在环(power hardware-in-the-loop,PHIL)仿真,其接口单元所含的信号采集变换、大容量功率变换器等引入的信号延迟和噪声,导致了PHIL仿真系统精确性和稳定性的问题[6]。通过设计合适的接口算法,可以有效提高闭环仿真系统的稳定性和精确性,使其成为该领域的研究热点。常用的接口算法主要有以下3种:理想变压器模型(ideal transformer model,ITM)法;输电线路模型(transmission line model,TLM)法;阻尼阻抗法(damping impedance method,DIM)。ITM算法是提出最早、最容易实现的接口算法,在PHIL仿真研究中应用最为广泛[7,8],但其数字仿真侧的波形会发生畸变,严重影响仿真的精确性,且稳定性较差,在失稳状态下易损坏成本较高的物理装置。文献[9,10]采用TLM法实现了HVDC系统数字物理混合仿真,但其仿真特性依赖于解耦元件,且较短线路解耦时需附加电感或电容元件,实现较为复杂,限制了TLM算法的应用领域。文献[11]对常用接口算法的特性进行了分析,对比结果表明DIM接口算法在阻抗匹配的情况下稳定性和精确性都优于其他接口算法。因此,如何实现阻抗的实时匹配是DIM接口算法的研究重点。文献[12,13,14]通过获取物理侧电压电流的基频有效值和相角差求解其等效电阻和电感,实现了DIM阻抗的实时匹配,但该方法只适用于物理侧为无源且频率不变的系统,难以推广应用。文献[15]将宽频带系统辨识技术应用于DIM接口算法中,以实现物理侧阻抗的实时匹配,但由于实现较困难,限制了该算法的应用。文献[16]根据物理侧MMC正常运行时的戴维南等效模型实现了DIM阻抗的实时匹配,且对电压基波分量进行了延时补偿,呈现较好的仿真性能,但并未提出MMC闭锁运行时阻抗的实时匹配方法,难以实现启动或直流故障等工况的仿真模拟;仅对电压基波进行了延时补偿,忽略了谐波对其仿真精确性的影响;对于大规模MMC-HVDC数字物理混合仿真系统,由于MMC子模块数较多,其计算效率较低,无法满足PHIL仿真实时性的要求。
在此背景下,本文在文献[16]所提阻抗匹配方法的基础上,将MMC戴维南等效模型进一步优化,建立其解锁和闭锁运行工况下的精确等效模型,提出了一种阻抗实时匹配的改进DIM接口算法。鉴于开关器件关断时漏电流极小,设定其断态电阻为无穷大,减小系统阻抗计算量,提高了阻抗实时跟踪效率和混合仿真系统实时性性能;针对直流双极短路等故障下换流器闭锁的工况,提出了阻抗的实时匹配方法;采用傅里叶分解重构电压信号的方法对基波及主要谐波进行延时补偿,进一步提高物理仿真系统的精确性;最后,基于改进接口算法构建了双端MMC-HVDC数字仿真系统,通过仿真分析验证了所提改进接口算法在稳定性和精确性方面的性能。
1 DIM基本原理及其特性分析
1.1 DIM基本原理
DIM接口算法结合电压型ITM和部分电路复制(PCD)法的优点,通过附加阻尼阻抗Z*,使系统具有较好的稳定性和精确性性能,其原理图如图1所示。DIM接口将原系统分为数字仿真系统(digital simulation system,DSS)和物理测试系统(hardware under test,HUT)两部分,通过功率接口实现两系统间实际功率的传输和实时信号的交互。其中,DSS由其戴维南等效电源uS和等值阻抗ZS组成,HUT也采用相同的方法进行等效,以便对DIM基本原理的分析;ZSH为接口连接阻抗,等效功率放大器的输出阻抗。
DIM接口算法的基本工作过程主要包括如下两个步骤。
1)将D/A转换后的DSS解耦点电压信号作为功率放大器的输入信号,经时间延迟TD和含接口带宽的增益TAF作用后驱动HUT子系统正常运行。
2)HUT电压和电流分别通过互感器采集,并经A/D转换后反馈回DSS中的可控电源,构成闭环仿真系统。
在稳态运行状态下,理想的功率接口可以实现v*(t)等于v2'(t),使流过Z*的电流为零;在暂态过程中,难以保证v*(t)和v2'(t)时刻相等,将有电流流过Z*。因此,引入Z*可以有效抑制接口干扰对仿真效果的影响,其阻抗参数直接决定DIM接口算法的仿真性能,下面将对其进行详细分析。
1.2 DIM特性分析
本文结合系统开环传递函数分析Z*对接口仿真特性的影响。根据DIM的接口原理图可得其传递函数框图如附录A图A1所示,进而可知开环传递函数为:
假设在t1时刻,系统受到外界扰动的影响,功率放大器引入了电压误差ε,其在物理侧产生的相应电流、电压误差为:
相应误差量将通过电压(电流)互感器采集,经A/D转换后,反馈回DSS,参与下一系统状态的求解。结合其开环传递函数分析可知:当Z*与物理侧等效阻抗ZH相等时,GOL_DIM=0,接口系统是绝对稳定的,且由扰动引起的HUT系统误差不会传递,使DSS侧电压、电流响应不受扰动和延时TD的影响,可以有效提高DSS的仿真精度;而HUT的精确性受扰动影响较大,且与功率放大器的带宽、延时及其物理装置等有关。当HUT为无源系统时,其电压和电流响应被整体延时TD,电流波形无畸变;当HUT为有源系统时,电流波形将发生畸变,其幅值误差正比于信号频率和接口延时,且与ZS/ZH和uS/uH的值有关[17]。因此,实现DIM实时匹配HUT等效阻抗是提高PHIL仿真系统性能的有效手段。
2 HUT精确等效模型及其阻抗实时匹配
建立HUT精确等效模型是实现DIM接口算法阻抗实时匹配的基础。针对MMC-HVDC数字物理混合仿真系统,其HUT主要由输电线路、换流变压器、桥臂电抗器和换流阀等组成,获取其精确等效阻抗参数并实时反馈给Z*是保证PHIL仿真系统安全稳定运行的前提,本节将详细介绍其实现方法及计算流程。
2.1 MMC精确等效模型建立
模块化多电平换流器由三相上下6个桥臂构成;每个桥臂由N个子模块和一个串联的桥臂电抗器L0组成,上下两个桥臂共同组成一个相单元,拓扑结构如附录A图A2所示。其中T1和T2代表绝缘栅双极型晶体管(IGBT),D1和D2代表反并联二极管,C为子模块直流侧电容。
MMC戴维南精确等效模型的实质是在建立单个子模块戴维南等效模型的基础上将其进行代数叠加,进而建立每个桥臂的戴维南等效模型[18,19,20]。子模块的等效变换过程如附录A图A3所示,图中:usm和ism分别为子模块电压和电流;R1和R2分别为子模块上、下开关器件的等效电阻,其大小在开通电阻RON和关断电阻ROFF间切换;uceq和Rc分别为子模块电容的等效电压和电阻;usmeq和Rsmeq分别为子模块戴维南等效电压和电阻。
在实际工程中,IGBT器件的通态电阻RON和断态电阻ROFF会随着电压和电流的不同而变化,但通常情况下,ROFF都要远远大于RON。典型的RON和ROFF的数量级分别为10-2和106,因此,在保证仿真精度的前提下,可近似认为每个IGBT的断态电阻为无穷大,以简化换流器等效阻抗的计算,提高仿真效率。简化后的计算公式为:
式中:ΔT为系统仿真步长;NON为t时刻MMC桥臂导通子模块数目;Rarmeq为桥臂等效电阻。
通过假设开关器件具有理想关断特性建立MMC精确等效模型,获取其等效阻抗参数,在保证精确模拟MMC的同时提高了计算效率,进而减小其对仿真实时性的影响,为实现DIM阻抗实时匹配奠定了基础。
2.2 DIM阻抗实时匹配方法
在MMC-HVDC数字物理混合仿真系统实际运行中,DSS解耦点的电压信号被接口处理后经换流变压器作用于MMC换流站。由于MMC三相桥臂是对称结构,自身构成交流回路,无交流电流流入直流侧;同时,直流电流对反馈回DSS侧的电压、电流信号也不会产生影响。因此,DIM只需实时匹配与接口直接相连的输电线路阻抗、换流变压器阻抗和MMC交流侧等效阻抗,即可实现PHIL仿真系统安全稳定运行。
通过上述分析可得HUT的阻抗等效电路如附录A图A4所示。根据所建立的MMC精确等效模型及其工作原理,可知其交流侧等效阻抗即为各相上、下桥臂等效阻抗的并联;输电线路与换流变压器的等效电阻RT和等效电感LT可通过其实际相关参数计算得到,进而可得HUT交流侧各相等效电阻Rx与等效电感Lx的计算公式如下:
式中:下标x∈{a,b,c}表示所在相;下标p和n分别表示上、下桥臂;Rarmxp和Rarmxn分别为各相上、下桥臂的等效电阻。
Rarmxp和Rarmxn为时变量,Rx也随时间变化,因此,需要实时检测子模块状态,通过计算获取HUT交流侧等效阻抗参数Rx和Lx,并将其实时反馈回DSS侧的附加阻抗Z*,保证PHIL仿真系统的稳定性和精确性。
2.3 MMC闭锁时阻抗实时匹配方法
在MMC正常运行情况下,每个子模块的运行状态是由阀基控制器决定的,其桥臂等效电阻可根据式(6)计算得到。但当MMC在启动或直流侧发生双极短路故障时,其子模块都处于闭锁状态,MMC近似运行于不控整流模式,其桥臂等效模型如附录A图A5所示,图中D1eq和D2eq分别等效同一桥臂所有子模块中的反并联二极管D1和D2。当桥臂电流iarm>0时,电流经D1eq对全部子模块电容进行充电,而当iarm<0时,电流流过D2eq,将全部子模块旁路。
基于以上分析,可得MMC闭锁时桥臂等效电阻如式(9)所示。
因此,可通过实时检测桥臂电流方向,并结合式(7)和式(8)计算得到HUT交流侧等效阻抗参数,以实现MMC闭锁时DIM接口算法的阻抗实时匹配,达到PHIL仿真系统精确模拟MMC闭锁时系统运行特性的目标。
综合上述分析,可得改进DIM接口算法阻抗实时匹配的实现流程如图2所示。
3 接口延时补偿控制方法
在实际PHIL仿真系统运行过程中,必须考虑数字仿真步长与接口硬件装置的时间延迟对仿真性能的影响。根据实际数字仿真系统规模设置合理的仿真步长,是减小其对仿真精度影响的有效方法;本系统所采用的各接口装置时间延迟如表1所示。
由于互感器和A/D时间延迟通常较小,可以近似忽略其对仿真精确性的影响,并且在阻抗实时匹配的条件下,DSS仿真特性几乎不受前向通道延时TD的影响,具有较高的仿真精度;而延时TD直接作用于HUT的激励源,对其仿真精确性影响较大,严重时会导致系统不稳定。因此,需针对延时TD进行补偿控制,以满足HUT精确性的要求。
交流信号的时移等同于频域内的相移,故接口延时的补偿可转化为对信号相位的补偿。对于MMC-HVDC数字物理混合仿真系统,由于MMC电平数通常较多,所输出的电压阶梯波非常接近正弦波,波形质量高,系统谐波含量较少,且功率放大器具有二阶低通滤波的特性,所以可以近似忽略高次谐波对其输出电压的影响,对基波及部分低次谐波进行接口延时补偿,以提高PHIL系统的仿真精度。为此,本文采用基于傅里叶分解重构电压信号的方法对接口延时TD进行补偿,其实现过程如下。
1)实时采集功率接口两端电压信号,对其进行傅里叶分解,可以得到电压基波和部分低次谐波的幅值及其相位,分别计算基波及各次谐波的相位差Δθj(j=1,2…)。
2)将DSS侧电压基波及各次谐波的相位加上与之对应的Δθj,再结合其幅值和系统频率重构电压信号,并将其作为功率放大器的输入信号,经放大处理后作用于HUT,以实现对接口延时的补偿控制。
该延时补偿控制方法具有实施简单、补偿精确、控制灵活等特点,但由于傅里叶分解需要计算时间,为了保证仿真的实时性,其难以实现对所有谐波的延时补偿。因此,应根据实际系统的谐波成分,对含量较大的谐波进行延时补偿,进而减小系统的稳态仿真误差,提高PHIL仿真系统的精确性。
4 改进DIM接口算法的仿真验证
在PSCAD/EMTDC中搭建了双端背靠背11电平MMC-HVDC全数字仿真系统,在以此系统为参考系统的基础上,将DIM接口接入MMC1侧交流母线1与换流变压器之间,建立功率接口解耦的仿真系统,对比分析相同工况下两系统的仿真结果,以验证所提改进DIM接口算法的有效性。系统结构见附录A图A6,其中子模块采用开关器件搭建详细仿真模型,MMC1采用定有功功率和无功功率控制,MMC2采用定直流电压控制和定无功功率控制,仿真步长为20μs,系统仿真参数见附录A表A1。
接口稳定性和仿真精确性是PHIL仿真系统的两个核心问题。下面将从以下几个方面分别进行仿真验证:①对MMC正常运行(解锁运行)时改进DIM接口算法的稳定性进行验证;②对直流侧发生永久性双极短路故障进行仿真,验证MMC闭锁时DIM阻抗实时匹配方法的有效性;③通过与参考系统仿真结果的对比,分析其仿真精度,并验证延时补偿控制方法的有效性。以下仿真对比结果中下标ref表示参考系统的参数。
4.1 接口稳定性验证
为了验证MMC正常运行条件下DIM阻抗实时匹配方法在不同运行工况下的有效性及其稳定性能,本节分别对双端MMC-HVDC传输的有功功率、无功功率发生变化和交流系统发生短路故障两种事件进行了仿真。
4.1.1 传输功率变化时接口的稳定特性
在仿真系统运行过程中,改变传输的有功功率、无功功率,分析其对接口稳定性的影响。在0.3 s时将双站同时投入运行,MMC1运行于P1=0(标幺值,下同),Q1=-0.8(标幺值,下同),即工作在静止同步补偿器(STATCOM)模式;MMC2运行于Udc=1.0(标幺值),Q2=-0.2(标幺值)。2 s时改变MMC1的运行状态,使其P1=0.8,Q1=0。MMC1侧A相实时匹配电阻、上桥臂模块电容电压动态均压波形、交流母线1电压以及有功功率和无功功率与参考系统的波形如附录A图A7所示。
仿真结果表明,当系统运行工况发生变化时,接口系统可继续安全稳定运行,且其功率动态响应与参考系统基本一致,最大偏移量和调整时间几乎相等,可快速恢复稳定运行,进而验证改进接口算法具有良好的稳定性,且不会影响MMC控制器的性能。
4.1.2 交流系统故障时接口的稳定特性
设定MMC1始终运行于P1=0.8,Q1=-0.2,通过对比分析改进DIM接口算法与ITM接口算法在不同短路故障下的仿真特性,以验证所提算法的稳定性能。在t=2 s时,设置交流母线1发生三相短路接地故障,持续时间100 ms;t=3 s时,在换流变压器T1高压侧引入持续100 ms的单相短路接地故障。仿真结果如图3所示。
由仿真结果可看出,即使交流侧发生严重短路故障,在故障切除后,DIM接口系统仍然可以快速恢复稳定运行状态;而在物理侧发生单相短路故障时,由于其等效阻抗小于数字侧等效阻抗,导致ITM接口系统失去稳定。对比结果表明,所提改进DIM接口算法有效提高了PHIL仿真系统的稳定性。
4.2 MMC闭锁时PHIL暂态特性
对4.1.2节中运行工况下的系统进行仿真,3 s时MMC1侧直流母线发生永久性双极短路故障,考虑1 ms的延时,系统于3.001 s时闭锁换流器,在3.1 s时跳开交流断路器。可得a相实时匹配电阻、接口系统与参考系统MMC1侧a相上桥臂电流、交流母线1电流及直流电流仿真结果如图4所示。
在MMC闭锁后,由于桥臂电容电压之和大于交流电压幅值,导致桥臂电流出现偏置,使其等效电阻变为常数。从仿真结果可以看出,基于所提MMC闭锁时阻抗实时匹配方法的接口仿真系统可以精确模拟直流故障期间的暂态过程、闭锁后不控整流过程以及交流断路器断开后的动态过程,其仿真波形匹配度较高,可以满足MMC-HVDC系统仿真研究的需求。
4.3 接口精确性分析
为了定量分析接口系统的仿真精确性,给出如下指标:
式中:δP为有功功率稳态相对误差;Pn为有功功率参考值;P为实际稳态有功功率。
控制接口系统稳定运行于P1=0.8,Q1=-0.2,通过仿真可得改进DIM接口系统与ITM接口系统DSS侧有功功率及其稳态相对误差与参考系统的对比波形如图5所示,HUT侧对比分析结果见附录A图A8。
对仿真结果进行分析可知:ITM接口系统DSS侧有功功率最大相对误差为0.71%,改进DIM接口系统为0.56%,略大于参考系统的0.43%;而HUT侧改进DIM接口系统有功功率相对误差的最大值却达到了2.72%,略大于ITM接口系统的2.68%,相对参考系统其误差较大,精确性较差。结果表明,在受调制耦合、系统谐波等因素影响,无法实现阻抗完全匹配的情况下,改进DIM接口算法DSS侧的仿真精度相比于ITM接口算法仍有提高,呈现较好的仿真精确性;而HUT侧的精确性却受接口延时影响较大,难以实现对实际系统特性的精确模拟。
针对以上问题,将所提延时补偿控制方法应用于DIM接口系统中,以提高HUT的仿真精度。参考系统与HUT延时补偿前后有功功率及其相对误差对比结果如图6所示。
仿真结果表明:延时补偿前后有功功率最大相对误差由2.72%降到1.41%,该方法具有较好的补偿效果,有效提高了HUT的仿真精确性。
5 结论
本文提出了一种适用于MMC-HVDC数字物理混合仿真系统的改进DIM接口算法,简化了其物理侧等效阻抗的计算过程,并实现了子模块闭锁时阻抗的实时匹配,同时提出了接口延时的补偿控制方法。通过数字仿真分析,得出如下结论。
1)简化阻抗实时匹配的计算过程,既提高了系统的仿真效率,也保证了阻抗的匹配精度,有效提高了DIM接口系统的稳定性,并具有良好的动态响应性能。
2)MMC闭锁时阻抗实时匹配的DIM接口系统能够精确模拟直流侧发生双极短路故障时MMC-HVDC系统的暂态特性,可以满足分析研究的要求。
3)DSS具有较高的仿真精度,几乎不受延时影响,而HUT精确性受接口延时影响较大。采用延时补偿控制,可以有效减小HUT稳态误差,提高仿真的精确性。但该方法难以实现暂态过程接口延时的补偿,需结合可以瞬时获取相位并重构电压信号的延时补偿控制方法,共同实现对实际系统暂稳态特性的精确模拟。
然而,所提接口算法在仿真验证方面仍存在不足,由于实际MMC-HVDC数字物理混合仿真平台搭建尚未完成,未能实现实物仿真验证,但本文在数字仿真过程中较全面地考虑了实际硬件装置特性对系统稳定性和精确性的影响,具有较强的应用参考价值,为实际PHIL仿真系统的安全稳定运行奠定了基础。
交直流混合电力系统 篇8
为解决这些问题,同时使得直流系统具有更加灵活的运行能力,本文采用由全桥子模块(FBSM)级联而成的全桥型模块化多电平换流器(FMMC)来替代上述VSC, 构成LCC-FMMC混合直流输电系统,利用FMMC所具有的电压电流四象限运行能力来提升直流的运行控制性能。 LCC-FMMC在潮流反转过程中存在有功无功变化,交流电压波动,子模块电容电压不平衡等需要控制协调的问题,因此本文着重研究潮流反转过程的系统相关运行特性,并提出切实可行的控制策略。
1混合直流拓扑结构
单极大地接线形式的LCC-FMMC混合直流输电结构如图1所示。 这是最基本的两端直流拓扑结构。 整流站沿用传统直流输电系统配置, 采用12脉动LCC换流器,交流侧出口接有交流滤波器和无功补偿装置,直流侧出口接有直流滤波器。 逆变站由FMMC、 接线方式为Y/Δ 的换流变压器组成。
FMMC的拓扑结构如图2所示。 采用三相六桥臂结构,每桥臂由N个FBSM级联而成,还配置有一个桥臂电抗L0以抑制环流和故障电流上升率。 FBSM由4个IGBT管T1~T4和1个电容C组成, 其中Uc为电容电压。 FBSM具有4种运行状态:正投入状态、负投入状态、旁通状态和闭锁状态[8]。 如表1所示。 根据流入FBSM的电流方向和流经器件的路径, 每种运行状态又可分为2种具体运行方式。 FBSM上述运行状态, 能够使得由其级联构成的桥臂在满足交流系统电压输出要求的同时输出任意额定电压范围内的正、负电压。 加之FBSM固有的电流双向运行能力,则FMMC具有电电压压电电流流四四象象限限运运行行能能力力。 。
2潮流反转策略及其影响分析
LCC由于受晶闸管单向电流导通性的约束,具有电流不可反向电压可反向的特点, 因此LCC-FMMC只能通过电压反向来实现潮流反转, 与LCC-HVDC的潮流反转机理相似。 通过借鉴LCC-HVDC的潮流反转控制时序, 本文提出了适用于LCC-FMMC的潮流反转控制步骤:(1) 在潮流反转之前, 将LCC的控制策略切换至定直流电流控制,将FMMC的控制策略切换至定直流电压和定交流电压控制;(2) LCC维持直流电流控制,FMMC直流电压以一定的速率变化, 将其从额定值减小至0,再从0变化至负额定值,同时FMMC控制交流侧的电压幅值维持在额定状态;(3) 直流电压反向成功后,LCC将直流电流调整至系统指定值, 然后LCC和FMMC的控制策略切换至系统指定控制状态;(4) 潮流反转过程结束。
在电压反转过程中,FMMC由于具有交流电压(无功功率)控制能力,因而整个过渡过程对交流系统的电压影响较小,能够保证交直流系统的稳定运行。但是LCC不具有交流电压调节能力,直流功率将随着直流电压的变化,存在一个先降后反送的过程,无功功率由于受直流功率、触发角、换相重叠角等因素的影响, 变化更为复杂,对交流系统电压的扰动十分明显。因此在整个潮流反转过程中,要考虑LCC对交流系统电压的影响。 传统LCC-HVDC在直流电压反转前,通常先将直流电流降低至最小值(额定直流电流的10%),以减小潮流反转过程对系统的扰动[2]。 但此方法对交流系统无功的总扰动量并未减少。
本文所提出的LCC-FMMC型混合直流输电系统采用FMMC直流电压反向能力来实现直流电压反向运行。 由于FMMC直流电压是由子模块堆叠而成,因此在直流电压从额定值降低至0, 再反向增大至负额定值过程中,可有2种途径来实现此过程。一是投入等效子模块个数(上下桥臂子模块输出电压总和)不变, 子模块电容电压变化;二是子模块电容电压基本不变, 而是等效子模块个数变化。在电压反转过程中,FMMC侧应始终维持可调制能力, 即交流电压输出能力要维持一定的裕度,子模块电容电压的控制选择受其影响。
3 LCC控制策略
从上一节的分析可知,LCC在潮流反转过程中, 功率变化将引起交流侧电压波动, 会对交直流系统产生较大的影响。 因此本文在LCC的定电流控制策略上,引入交流电压控制,以减少交流电压的波动。 具体的控制策略如图3所示。 其中,Usref和Us分别为LCC交流母线电压的参考值和测量值,Idref和Id为直流电压参考值和测量值,α 为触发角,r为交流电压控制投切信号,分别以0和1标识电压控制未投切和已投切。
图3中,Usref来源于控制切换前,稳态运行情况下Us的捕捉值;Idref一般设置为1 p.u.;Idref2为交流电压控制环经限幅后的输出值, 其中限幅环节需要考虑最小电流(如0.1 p.u.)和最大电流(如1.5 p.u.)的运行限制, 因此Idref2只允许在0.1~1.5 p.u.变化。 r信号一方面用于控制投切, 使得直流电流控制的指令值在交流电压控制未投入情况下为Idref,投入后为Idref2;另一方面,r还作为电压控制环内PI控制器的输出重置触发信号, 当电压控制被使能时,r信号突变,触发PI控制器的输出重置为Idref,使得控制切换前后,指令值能够平滑过渡,不至于对系统产生较大的扰动。
通过交流电压外环,直流电流内环的控制方式,不仅能够有效控制交流电压, 同时还能控制直流电流在允许范围内变化, 不至于出现过流或因电流过小而导致的过电压现象。 无论是整流还是逆变状态,LCC吸收的无功功率Q可通过下式粗算得到:
式(1,2)中:Ud为直流电压;NL为一个极中的6脉动换流器数。
在交流系统中,虽然有功和无功互相耦合,但是, 基本保有“有功看功角,无功看电压”的原则,因此要维持交流母线的电压Us不变,主要便是维持上述Q在整个潮流反向过程中维持恒定。 假设直流电压Ud受FMMC控制以一定的斜率变化,那么从式(1)和式(2) 可以推论出:在整个潮流反转过程中,为尽量维持交流电压恒定, 直流电流将出现一个先下降后上升的变化过程。
4 FMMC控制策略
根据FMMC内子模块的连接特征,假设每个子模块电容电压的特性相同,可以得到上、下桥臂级联子模块的输出电压分别为[9，10]:
式(3,4)中:j为a,b,c三相;Uc为子模块电容电压;nipj和ninj分别为j相上桥臂和下桥臂第i个子模块的开关函数, 根据表1所述的正投入、 负投入和旁通运行状态,可分别赋值为1,-1和0。 npj和nnj为j相上桥臂和下桥臂的等效开关函数。根据图2所示的FMMC电路结构,在忽略桥臂电感影响的情况下,可得:
式(5)中:uvj为FMMC j相输出的交流电压。 将式(3) 带入式(5),并将式(5)上下式分别做差、做和运算,得:
从式(6)可以看出,直流电压Ud的变化可以通过调节npj,nnj或电容电压Uc来实现, 与第二节所述的2种途径相对应。 但是FMMC交流出口处电压uvj受交流系统影响,其幅值应维持在可接受范围内,从式(7) 可以看出,由于npj,nnj的变化范围有限,当Uc过低时, uvj将不符合运行要求。 另一方面,若Uc跟随Ud变化, 将伴随有大幅度的充放电现象,增加系统运行复杂性。 因此应尽量维持Uc不变。
根据这个原则,提出了如图4所示的FMMC控制策略,其中Udiref和Udi为FMMC侧直流电压的参考值和测量值;Usiref和Usi为FMMC交流电压的参考值和测量值,Upjref和Unjref为j相上、下桥臂电压参考值;Uc0为子模块电容电压额定值;round(x)为最近取整函数; k(=p,n)表示上、下桥臂。fu为电压极性标识信号, fu= 1或fu= -1分别表示直流电压为正或负。
整个控制算法采用目前较为成熟的内外环控制策略和最近电平逼近控制[10]。 根据图4的控制逻辑,经简单地计算后得到:
由于Uc0恒定不变,因此(npj+nnj)项将随着直流电压Udiref变化。 经过控制后,Udiref与Ud为十分相近的2个量,联合式(6)便可知,通过图4所示的控制策略,子
模块电容电压能够在潮流反转过程中达到保持稳定的效果。
5仿真验证
在PSCAD/EMTDC内建立了如图1所示的LCC-FMMC仿真平台。 直流额定电压为200 k V,额定功率为200 MW。 LCC采用12脉动换流器,LCC和FMMC侧交流线电压有效值均为345 k V,阻抗分别为119 Ω∠75° (SCR=5)和96 Ω∠75°,换流变压器变比、容量和漏抗分别为345 k V/90 k V,120 MV·A,0.15 p.u.和345 k V/110 k V,240 MV·A,0.1 p.u.。 FBSM的电容和额定电压设置为6000 μF和5 k V,故而有N=40。 直流线路长250 km,采用Bergeron线路模型,电阻为每千米0.02 Ω,感抗为每千米0.271 Ω,容抗为每千米242.4 MΩ。 桥臂电抗L0为15 m H,靠近整流站和逆变站的直流侧分别配置0.15 H和0.1 H的平波电抗器以抑制纹波,限制故障电流上升率。
t=1.0 s时刻, 直流系统开始潮流反转, 同时在LCC侧投入交流电压控制作用, 潮流反转速率为2.0 p.u./s,系统的响应特性如图5所示。 其中图5(a)至图5(f)分别给出了LCC侧交流电压有效值Us、直流电压Ud、直流电流Id、触发角 α、子模块电容电压Uc、A相上桥臂等效开关函数npa的响应曲线。
从图5可以看出,直流电压能够顺利实现反向,在直流电压变化过程中,LCC侧交流电压能够有效控制在0.98~1.02 p.u.,直流电流出现了一个先减小后增大的变化过程,与第三节的分析相符。随着直流电压的变化,LCC的触发角逐渐增大, 从整流状态逐渐转变为逆变状态, 同时FMMC的子模块电压开始出现变化,但其能够快速恢复至额定状态。
若直流系统不投入交流电压控制功能, 整个潮流反转过程始终维持直流电流为1.0 p.u., 图6给出了LCC侧交流电压有效值和LCC吸收的无功功率(不包含滤波器和无功补偿器)的响应曲线。从图6可以看出, 随着潮流反转的进行,LCC吸收的无功功率存在一个先增大后减小的过程。 稳态情况下, 无功功率为127 Mvar,潮流反转下的无功最大值为225 Mvar,高出额定值77%。 随着无功的变化,交流电压相应的出现了一个先降后升的过程, 最小电压为0.9 p.u.。 与图5相相比比,,足足见见交交流流电电压压控控制制的的有有效效性性。 。
6结束语
交直流混合电力系统 篇9
1、SCADA量测与PMU量测的匹配问题
采用SCADA量测对运行状态进行估量的过程中，要事先寻找一个相应的节点，这一节点的作用主要是作为参考之用。在实际的测量工作中，为了准确的测量出相差角的度数，应该选取合适的量测点，采用先进的技术系统，及全球定位系统，能够有效的测量出相应的相角差，之所以能够有效的对电力系统的状态进行估量，这与现代化的科学技术具有密不可分的关系，只有加强电力系统状态的稳定性，才能有效的测量出相应的差值，最终与PUM量测进行匹配。为了进行更为精准的测量，主要选取两个点作为参考，其中这两个点之间的差距为相角差，记作φ，根据φ的不同随时对相应的量测值进行修改。电压相角可以记作θ，根据测量值的不同而改变相角的位置，最终达到一种稳定的状态，计量相角的作用主要是为了加大电压的稳定性，从而有效的提高我国电力的发展水平，在今后的工作中，应该重视起电力系统的相应状态，使用混合算法是近几年来一种新形式的估算方法，这一方法的应用改变了传统算法存在较大误差的情况，从而影响到电力系统的实际状态，在这一要求下，加强对电力系统的保护就要从对状态的维护做起。而这种量测方式的应用，恰恰解决了差异性的特点，选取适当的参考点，进而测量出相应的相角差，最中对电力系统的状态进行准确的估量，这正是现代化的科学手段带来的测量方式。将SCADA量测与PMU量测进行有机的结合，寻求出相适应的匹配值，具有重要的意义，在今后的电力系统的工作中应该加强这方面的研究工作，最中为电力系统的发展做出宝贵的贡献。
2、状态量转换预测
电力系统在进行工作的过程中，状态是会随时发生转变的，尤其是电压幅值的变化会随着相应的关联性而出现较大的变化，在这一过程中，并不能有效的对电力系统的运行状态进行有效的预测，在这种情况下，可以采用状态量的转化的方式开展预测工作。具体的做法就是将通用状态变量进行相应的转化，使之转变为非通用状态变量，并且非通用状态变量具有节点相关性较弱的特点，在转化的过程中，状态变量会出现较大的变革，因而可以有效的估量出相应的状态。再采用潮流计算的方式将状态量进行转变。转变的主要内容为电压值以及相应的角度，这些变化值最终的去向就是电流向量。在具体的过程中，主要包含以下几个主要的过程，其一是将当前的状态进行初次的转化，并且进行相应的预测，以作为历史数据记录下来，在完成状态预测后，再进行二次转化，在完成二次转化后，最终的目的地就是电流相量。完成上述的过程后，电力系统的相关联性就能明显的展现出来，从而保证了对电力系统状态预测的准确性。在今后的测量工作中，可以广泛的采纳这一测量方式，以达到高效、准确的目的。并且这一方式还具有更加安全的特点，保证了操作人员的人身安全。
在测量的过程中，主要有以下几点是应该值得注意的，首先是在最初的状态变化的过程中，实现的方式为非线性网络方程，而在进行二次状态变化的过程中，主要采用的方式为潮流计算的方法，虽然这两种方法完全不同，但是都能够起到较为理想的转化目的，并且可以针对节点的不同而进行准确的测量，这正是现代化技术的优势所在，无论处于何种状态之下，都能够达理想的结果。但是其中需要注意的是，节点电压过于稳定，已经达到恒定的状态，会对转换的数值存在一定的影响，以至于最终的测量状态不准确，只要采取合适的手段进行测量，相信这一问题是完全能够避免的。
3、线性静态状态估计混合算法
根据SCADA量测以及PMU量测的特点，将这两者进行相应的对比可以明显的发现其中的优劣所在。例如前者在采样间隔的用时上需要浪费较长的时间，而后者的时间则明显要短很多。一般需要的时间仅仅少则5ms，最多不超过30ms。并且后者具有更加完善的量测配置，而前者的量测配置并不全面。从另一方面而言，这二者量测的种类也具有较大的差异性，相角量测以及网络拓扑信息在这两种量测方式上具有完全不同的要求。并且后者所使用到的混合算法更加快速，从而提高了对电力系统进行的状态估量。在具体的混合算法中，要事先设定一个时间，通常以1min为基准，在此基础上，采用传统的计算方式进行计算，也就是小二乘法，在此基础上，根据所测得的类型的不同将相应的系数进行分配，自此之后的一段时间内，大约相隔5s再进行一次测量，以此类推，根据PMU量测的数值作为参考基准，并且结合传统的测量方法，最终计算出线性运行的状态，以达到对电力系统运行的准确估计。
由于PMU的数据满足不了系统观测性的要求，需要增加伪量测以满足可观测性的要求。伪量测源自传统小二乘状态估计的结果和状态量转换预测的结果，即根据传统状态估计的结果、系统超短期负荷预报和由传统SE维护的母线负荷预报系数，计算得到当前时刻的母线注入功率，再根据发电计划得到发电机机端电压，调用潮流计算模块，得到当前时刻的系统状态，将其转换为母线注入电流向量的形式，作为伪量测与PMU量测一起进行线性状态估计计算。若PMU量测中包含某些母线的注入电流相量量测，则以PMU量测为准，状态量转换预测的结果只用于补充没有PMU注入电流相量量测的情况。通过状态量转换预测模块，将PMU数据与SCADA数据有机结合。将不可观测变为可观测，形成了线性状态估计，是现有方法的结合。该方法提高了状态估计的运行速度，可使状态估计的运行周期从分钟级降至秒级，从而从时间意义上提高了状态估计的实用性和准确性。
4、结语
综上所述，在今后的工作中，要进一步加强对PMU量测的研究以及分析，将其应用在实际的电力系统状态的估计中，能够起到理想的效果，并且为电力系统今后的发展做出更大的贡献，有效的提高了数据的准确性，从而降低不利因素对电力系统相关参数的影响。
交直流混合电力系统 篇10
高压直流输电技术具备送电距离远、送电容量大、控制灵活与调度方便等特点,目前已成为了我国跨区电网的重要骨架[1]。对于湖北电网而言,其通过葛南(葛洲坝-南桥)、龙政(龙泉-政平)、宜华(宜都-华新)、林枫(团林-枫泾)四条±500 k V直流输电工程同华东电网相连;通过江城(江陵-鹅城)±500 k V直流输电工程与南方电网相接,湖北电网已然成为西电东送、全国联网的重要枢纽。上述高压直流输电工程在异常工况下的动态响应及故障恢复特性无疑将会对湖北电网的安全稳定运行起着重要作用,针对这些直流输电工程展开系统的建模仿真及分析工作将具有很强的研究价值及实际意义。
在高压直流输电系统的仿真建模上,大体可分为电磁暂态建模和准稳态建模(机电暂态建模)两类。由于直流输电系统中存在晶闸管和换流装置等电力电子装置,需分析考虑其快速暂态特性和一些非线性元件引起的波形畸变特性,而准稳态建模是基于电压电流信息的序相量模型,在分析不对称故障和预报换相失败时是不精确的,因此对直流输电系统的精确仿真必须采用电磁暂态建模方法。
当前应用较多的非实时电磁暂态仿真软件是由Manitoba直流研究中心开发的PSCAD[2,3,4],实时仿真软件则以加拿大RTDS公司出品的RTDS最为广泛[5,6]。RTDS元件库内配备了较为齐全的直流输电系统设备模型,但是利用RTDS进行实时仿真通常受规模所限,节点数量往往相对不多,对于交流电网需做等值化简,而化简处理会使得电网的运行特性发生一定改变,在涉及直流控制策略对电网的动态特性等仿真研究时,其计算准确度会受到影响[7]。事实上,RTDS多用于连接实际直流控制保护装置进行数模混合仿真,侧重在装置本身的性能校核[8,9]。由中国电力科学研究院自主研发的全数字实时仿真装置(ADPSS)可实现大规模交直流输电系统的机电暂态-电磁暂态混合仿真,即将需要详细研究的直流系统采用电磁暂态建模,与直流系统相关联的交流电网则使用机电暂态仿真,利用数据交互接口开展混合仿真,此种计算优势在于:不仅可模拟出电力电子设备内部的快速暂态过程,且能够兼顾仿真系统规模,使得交流电网的动态特性在机电侧实时体现,保障了计算结果的准确性[10]。
本文针对江城高压直流输电实例工程,基于ADPSS提出了该直流工程的机电暂态-电磁暂态混合建模方法,阐述了详细建模过程。利用该混合模型,开展了整流侧(逆变侧)交流系统发生短路接地的故障仿真,并与采用交流电网化简处理的常见直流系统纯电磁建模进行了比较,进而研究分析了所建混合仿真模型的动态特性。
1 ADPSS混合仿真
1.1 混合仿真计算理念
ADPSS中电磁暂态程序和机电暂态程序采取分别求解方式。当进行电磁暂态网络计算时,对机电侧模型使用戴维南等值;在开展机电暂态网络计算时,对电磁侧模型实施诺顿等值,如图1所示[11]。由此在仿真初始时刻,电磁暂态过程获取机电暂态网络的工频等值阻抗阵Z;而每一个接口时刻,电磁暂态仿真过程向机电暂态仿真过程传送边界点的正序、负序、零序电流Iemt和边界点的正序、负序、零序电压Vemt;机电暂态仿真过程向电磁暂态仿真过程传送边界点的等值电势E。具体的机电-电磁网络等值参数转换过程可参见文献[12]。
1.2 混合仿真分网方案
在开展混合仿真计算时,机电暂态程序与电磁暂态程序的分网接口位置对仿真的效率及精度起着至关重要的作用。通常意义上,网络划分需立足以下几项基本原则[13]:1)尽量降低电磁子网络的规模及数量,以确保仿真的计算速度;2)缩减接口断面所涉及的母线、线路数目,以保障交接变量的精简;3)对应模拟的故障形式下,接口处电压的不对称程度及波形畸变尽量低,以保证机电子网络的误差在可接受范围之内。
根据上述分网原则,针对高压直流输电系统机电-电磁混合仿真,大致有两种网络划分方案:1)选在与直流设备直接相连的交流母线上;2)基于研究需要选择在电气量波形畸变轻微的位置分网,将接口位置延伸到交流系统内部[14]。前者在实现上较为方便,后者较适用于弱交流连接系统,且需限定延伸的范围及深度,以免弱化了混合仿真的优势,而降低了运算效率。
2 江城直流输电工程的系统建模
基于混合仿真计算的基本原理,应用ADPSS开展江城直流输电工程机电暂态-电磁暂态建模仿真的大体步骤为:1)建立湖北电网机电暂态模型算例;2)对机电模型进行潮流计算,根据潮流计算结果以及直流输电系统的研究需要,划分模型的电磁暂态子网及机电暂态子网;3)构建包含江城直流输电工程的详细电磁暂态仿真模型,输入对应潮流计算初始参数,添加相关机电暂态接口,执行混合仿真运算。
2.1 机电暂态仿真模型
湖北电网机电暂态仿真模型采用的是孤网模型,即将与湖北电网相连的跨省联络线等效为负荷模型。机电暂态仿真模型共计有1 562个节点,其中包括206台发电机组,541台变压器,888回交流输电线路以及5条直流输电线路等。模型中,发电机组、220 k V及以上电压等级变压器和输电线路参数均与实际参数保持一致,110 k V及以下电压等级电网系统等效为负荷(PQ节点)。
同江城直流输电工程整流站相连的交流母线是江陵500 k V母线,该母线通过多回交流输电线路同团林、兴隆、复兴、三峡左岸等500 k V母线相接。出于降低仿真节点数量、提高计算速度的考虑,在划分计算子网时,未将江陵站周边相邻的所有交流系统纳入电磁暂态子网模型,而是选取了三回交流输电线路,其余的交流输电线路以及变压器、负荷等模型连接至虚拟江陵500 k V交流母线上,并一同纳入机电暂态子网,而虚拟母线同原500 k V江陵母线经一短交流输电线路相接。由此,机电子网与电磁子网通过3个机电暂态接口相连,机电接口分别位于鄂江陵500 k V虚拟母线、鄂团林500 k V母线、鄂三江500 k V母线上,图2所示为江城高压直流输电工程机电暂态-电磁暂态混合仿真模型的示意图。
2.2 电磁暂态仿真模型
在电磁暂态仿真模型中,构建了江城直流输电工程的整流(逆变)站、直流输电线路、接地极、控制系统及两端交流电网。整流(逆变)站模型包含有换流变压器、交直流滤波器、换流器、平波电抗器等主要设备。整流端交流电网由四回交流输电线路及相应机电暂态接口组成。因湖北电网机电暂态模型未就鹅城侧的广东电网进行详细建模,逆变端所接交流电网在此采取常见的等值处理方法[15],即选取戴维南电路,使用理想电压源串接固定等值阻抗的方式来模拟。
江城高压直流输电工程一次设备模型的仿真参数同现场实际情况保持一致,其参数可详见换流站运行管理规程,限于论文篇幅,表1列出了部分设备的仿真参数。
注:交直流滤波器结构可参照文献[16]。
在直流控制系统模型的构建中,整流侧配备定电流控制器;逆变侧配备定电流、定电压和定关断角三个控制器,双侧均配置有最小触发角调节及低压限流控制器(VDCOL)。VDCOL在直流输电系统正常运行时不起作用,而在系统发生故障时,因直流电压低于某设定值而调节直流电流的整定值。
逆变侧控制系统中各调节器的配合方式如图3所示。图中:γ、Ud、Id分别代表关断角、直流电压及直流电流,γref、Udref、Idref为它们对应的参考指令值;Udmarg、Idmarg为直流电压电流整定裕度差,根据电流裕度控制原理[17],在逆变侧定电流调节器中Idmarg设置为0.1 pu,而整流侧取Idmarg=0;Idref_VDCOL为VDCOL输出的电流指令限幅值;DGE(Delta Gamma Error)为关断角偏差指令值,其经定电流调节器输出,供给定关断角调节器以修正其初始参考值。
逆变侧的三种控制调节器分别基于自身设置的参考定值、实测输出及比例积分参数进行触发角指令的运算,并取调节器运算结果的最小值以触发换流阀。基于上述控制配置方案,所建直流输电控制系统模型的Ud-Id特性如图4所示。
在额定运行状态下,直流输电系统的运行点是X,它是整流侧定电流控制特性与逆变侧定电压控制及定关断角控制特性的交点。若整流侧因故障异常工况导致交流电压下降,其运行点将转移至Y,此时整流侧换流阀转为最小触发角控制,逆变侧换流阀切换至定电流控制。
3 直流输电工程故障仿真
根据某特定时刻的机电暂态仿真潮流计算数据,江城高压直流输电系统的双极输送功率为1 175MW,相比较于额定双极功率3 000 MW,正送功率标幺值为0.39 pu。直流控制模型中将直流电压整定值设为1 pu,直流电流整定值设为0.39 pu,换流器的初始状态为不闭锁,控制系统即时投入运行。另外,考虑到直流输电系统中无功消耗约占有功输送功率的40%~60%,对直流系统双侧交流滤波器的投入组数进行了调节,整流侧及逆变侧两端投入滤波器组及补偿电容器共计600 Mvar。
3.1 整流侧交流母线单相故障
假设在t=5 s时,直流仿真模型整流侧交流母线A相发生接地故障,短路持续时间为100 ms,接地电阻为0.04Ω。图5及图6分别为该故障工况下直流电压电流及两侧换流阀触发角的仿真波形。
在短路故障期间,由于受到不平衡换相电压的影响,直流电压及直流电流中均出现谐波与幅值下降现象。整流侧触发控制将由定电流转换为最小触发角调节(设定为5°),通过降低触发角以提高系统直流电压,逆变侧触发控制则切换至为定电流调节,降低该侧触发角以抑制直流电流的下跌。
3.2 逆变侧交流母线单相故障
图7、图8为逆变侧故障工况下直流电压电流及两侧换流阀触发角的仿真曲线,除故障发生位置外其他条件同整流侧故障相同。
由于逆变侧直流电压在短路瞬间迅速下跌,导致系统直流电流急剧增加。受整流侧定电流调节器作用,该侧触发角不断上升并超过90°,使得直流电压到达负向。随着直流电流的下降,逆变侧换流阀将变更为受定电流调节器控制。故障后约140ms,直流输电系统模型开始平稳恢复。
4 仿真结果分析
4.1 交流故障对直流动态特性影响机理
在对混合仿真及纯电磁暂态仿真进行比较前,在此简要探讨交流系统发生故障时,直流系统动态特性的影响机理。该动态特性的变化除了受直流控制系统的快速作用,还与交流电网的机电暂态过程有一定关联。经直流控制策略的有效调节,换流阀触发角的控制时限通常小于20 ms的范围,综合测量系统、通讯等因素,整个直流系统的响应时间在50~150 ms之内。另外,交流系统应属于慢速动态子系统,其对于快速动态子系统(直流系统)的效应可等效为作用于直流某一端的虚拟可变电压源,即通过对换流站交流母线电压的影响而体现出来。
当发电机处于高压直流换流站相邻的位置时,受相应故障工况的作用,发电机的机端电压将发生改变,励磁控制则会动作并影响高压换流站母线的电压工况,一般情况下,该电压变化的时间常数约为100~500 ms。换流母线交流电压相位及幅值的波动将致使换流器的实际触发角与预期触发角存在偏差,并引起直流电压电流的摄动,进而改变直流传输功率,受整流侧定电流(定功率)调节器的控制,可一定程度上减小该摄动,但最终不可能完全消除,反之会影响到发电机的电磁转矩。若故障位置过近,在整个暂态过程中强行励磁的作用可能始终不能克服短路电流的去磁作用,此时发电机端电压一直不能恢复至额定值,将导致换流器触发角的动态波动过程较长。
4.2 仿真数据对比
对比观察图5~图8,可知在故障持续及恢复期间,混合仿真与纯电磁仿真的计算结果于动态变化趋势上呈现一致性。但是,因两模型中整流侧交流母线电压的建立机制存在着差别,其将直接影响到直流电压电流以及触发角的具体输出结果,导致图示仿真曲线在波动幅度及时长上存在偏差。图9所示对比了两模型在不同故障工况下的整流侧交流母线电压(A相)。
纯电磁暂态仿真模型中的整流侧交流电网是利用理想电压源串接等值(固定)阻抗的方式来模拟。根据波动法的等值阻抗计算公式[18],在交流系统侧电源未发生变化的情况下,其等值阻抗等于换相母线变压的波动除以流过其间电流的波动,鉴于故障期间电压电流量的变化以及谐波影响等多方面因素,采用固定阻抗的模拟方式不能精确反映其真实暂态情况,通过选用在线跟踪改进算法进行实时修正戴维南参数[19],在某种程度上能够增强计算的精确性。
混合仿真模型中整流侧的交流母线电压是取决于机电暂态接口的交互算法,该接口算法基于节点分裂进行网络分割及并行计算[20],其仿真时序表现为稳态情况下的并行接口时序与网络拓扑改变时刻串行接口时序相结合,这能促使对侧网络故障信息及时反映到本侧网络计算中,即通过实时更新等值电源参数计及机电子系统的动态特性变化。针对故障期间由于系统波动及接口时间间隔、接口数据交换给电磁暂态计算带来的小干扰问题,接口模块中采用线性插值处理进行了有效解决。计及纯电磁仿真模型中简单等值处理所引起的误差,并考虑交流电网机电暂态过程的相关影响,混合仿真计算结果应比纯电磁计算具备更高的准确性。
5 结论
基于ADPSS,本文给出了江城高压直流输电工程机电-电磁混合仿真模型的构建方法,并针对交流系统母线单相接地故障,研究比较了混合模型与纯电磁模型的输出特性差异。仿真结果表明:两模型的仿真曲线在故障期间的动态变化趋势上呈现一致性,而在具体波动幅度及时长上存在差别。计及混合仿真接口的计算原理特性,混合建模方法是有效的,其相比纯电磁模型能更准确地反映直流系统的动态运行特性,从而增强了仿真模型的精确度。