VSC-HVDC.PSCAD建模

PSCAD建模实例PSCAD建模实例VSC-HVDC结构及原理1234VSC-HVDC主结构建模VSC-HVDC控制器建模VSC-HVDC仿真1.VSC-HVDC结构及原理1.1.VSC-HVDC的特点基于IGBT的模块化设计使轻型直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短。整流侧和逆变侧硬件结构一致，正、反向运行时，电压极性不变，可以很方便的进行正向运行和反向运行的切换；不会出现换相失败故障。即使对小容量系统或无源负荷供电，VSC换流器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源中断，提高了受端系统的电能质量；PSCAD建模实例PSCAD建模实例1.2.VSC-HVDC系统结构图图1PSCAD建模实例图中：1.Ps1、Qs1为整流侧交流系统向VSC系统输送的电功率，Ps2、Qs2为逆变侧交流系统向VSC系统输送的电功率，Pc1、Qc1为整流侧VSC系统向交流系统输送的电功率，Pc2、Qc2为逆变侧VSC系统向交流系统输送的电功率。2.R、L为交流系统、线路、变压器一次侧的总的等效电阻和电抗。3.变压器一次侧采用星形连接，二次侧采用三角形连接，使得VSC侧没有3次和3的倍数次谐波。4.直流侧电容采用中点接地方式。PSCAD建模实例1.3.Dq0坐标系下换流站数学模型：abc三相静止坐标系下建立的VSC-HVDC系统数学模型为时变系数的微分方程，不利于高性能控制器的设计。因此可将时变微分方程变换为常系数微分方程，以方便理论分析和控制策略设计。当q轴超前d轴，且相电压以cos表示，d轴相角与a轴相角相同时，可以得到dq轴电压为：022coscos()cos()cos332222sinsin()sin()cos()0333301/21/21/22cos()3daqbctttkUtUUkUUPUtttkUtUUkUt（1.1）1cossin122cos()sin()13322cos()sin()133ttPtttt（1.2）PSCAD建模实例abc三相静止坐标系下建立的VSC-HVDC系统数学模型为：sacaaasbcbbbscccccuuiiduuLiRidxuuii转为dq0旋转坐标系下的VSC-HVDC系统数学模型为：1000001[]ddsdcddqqsqcqqsciiuuidRdPiiuuPidtLLdtiiuui（1.3）（1.4）由于换流变压器采用了零序分量消除设计，因此式（1.4）可以写为：PSCAD建模实例111ddsdcdqqsqcqiiuuRLdiiuuLRdtLLL（1.5）对于整流侧电容有：1dcdcdcduciidt（1.6）在dq0坐标系下，（1.6）式变为：32(cossin)8dcdqdcduMciiidt（1.7）其中，M为VSC输出电压基波幅值与直流电压的比值，为VSC输出电压基波与交流系统基波电压的相角差。PSCAD建模实例在dq0旋转坐标系下的Ps1和Qs1表示为：3()2ssddsqqPuiui3()2ssdqsqdQuiui（1.8）（1.9）当d轴以电网电压向量定位时，d轴相角与a轴相角相同，此时usq=0，则由式（1.8）和（1.9）可知分别控制di和qi即可独立调节换流站与交流系统交换的有功功率与无功功率。VSC-HVDC直接电流控制系统框图如图2所示：PSCAD建模实例图2VSC-HVDC直接电流控制系统框图PSCAD建模实例2.VSC-HVDC主结构建模2.1.IGBT阀组建模三相桥式电路电路结构如下图3所示，图3在PSCAD中，以IGBT为基础的三相桥必须自己搭建，并且需手工添加反向二极管D。库文件中的电力电子开关器件仅带了缓冲吸收电路(snubbedcircuit)。PSCAD建模实例如果使用以晶闸管为基础的三相桥，则可使用元件库中的“HVDC，FACTS&POWERELECTRONICS”中的“6PulseBridge”。由于6PulseBridge的元件中自带有变压器，因此需要注意在所选的变压器不同的接法下，要选择正确的晶闸管触发角。图46PulseBridgePSCAD建模实例2.2.开关器件的插值应用插值的兼容性已经加入到控制系统模型函数（CSMF）中。这个兼容性确保了可以由一些基本的功能模块组成所有的插值控制系统。通过插值的使用，控制系统可以做到与时长无关（内部原因），这样项目可以以最大步长运行，而不会影响精度。插值时间通常在两个或多个控制信号相交的时候。一个信号做参考（通常为恒定值），另一个信号作为被检测量，观察其值大于或小于参考。考虑到EMTDC定点步长的特性，任何信号的交点都容易发生在步长之间。虽然有一些不同类型的插值理论（EMTDC参考6,8,34,35），EMTDC使用线性插值，该方法在电子暂态仿真中最有效，最实用。线性插值显著的改善了仿真精度，并尽可能降低了技术的复杂性。（EMTDC参考6,8）。PSCAD建模实例如下图5所示：图5对于仿真软件而言，其中的模型实际上均为离散模型，仿真程序将模型变换为一组方程组，在x-Δx和x时刻根据初值分别计算各个变量的值。Δx即为设定的仿真步长。PSCAD建模实例而对于IGBT、二极管等电力电子器件而言，器件的状态变化可能恰好在两次运算之间，即x+x的时刻。如果还是仅在x-Δx和x两个时刻运算，电力电子器件的电压、电流参数会产生突变，可能导致x时候运算后的电压、电流值产生尖峰，造成与实际情况不符的仿真结果，影响仿真准确度。因此，模型中有电力电子器件时，需要选中器件属性中的“InterpolatedPulse”为“yes”，采用插值算法，在x+x开关器件动作时刻增加一次运算过程，使得在x时刻仿真程序得到一个准确的初值。采用插值算法后，电力电子器件的输入信号变为一个二维信号，其中一维为时间信号，另一维为开关的动作信号。图6IGBT采用插值法的驱动波形（a）（b）（c）图6（b)中，IGBT采用插值算法时，元件上显示一个“2”，表明此时输入信号为2维。此时，图6（a）中的驱动电路中的元件也必须采用插值算法，此时元件上产生一个标记，并且输出端口上出现两条斜杠。图6（c）为IGBT的驱动脉冲波形，可以看到，信号Rg1包含两条轨迹，绿色轨迹为时间信号，蓝色轨迹为实际的开关动作信号。一旦驱动电路和IGBT未同时选择插值算法，运行时PSCAD都会提示2！=1的错误，即2维信号通道和1维信号通道不能互联。PSCAD建模实例二极管的interpolation设置在模型的“projectsetting”，右图红框内勾选上则表示使用插值算法，如右图。图7PSCAD建模实例以PSCAD自带的example中的interpolation.psc程序为例，在选不选择插值运算的情况下，二极管两端电压和流过二极管的电流的不同。无插值运算时，二极管的电流或电压有突变的情况发生。图8interpolation.psc模型的主结构图PSCAD建模实例图9（a）未采用插值算法时的电压电流波形（b）采用插值算法时的电压电流波形（a）（b）PSCAD建模实例图9（a）中，没有采用插值算法，在GTO关断后的下一个计算时刻，电感电流从有值变为0，导致计算得到的电感两端电压无穷大，如图中VL所示，电压产生尖峰。GTO再次导通时，没有采用插值算法，在下一个计算时刻，二极管还是处于导通状态，此时软件认为电流全部从二极管流过，因此二极管相当于短路，产生反向过电流，如id所示。采用插值算法后，计算结果无电压和电流尖峰，如图9（b）所示。PSCAD建模实例2.3.电源和变压器的添加上图中的电阻和电感可以是电源、变压器和线路的总电阻和电感，此时电源和变压器均采用ideal理想模型，也可以在电源和变压器内单独设置各自的电阻、电感，此时上图中的电阻、电感为线路本身的电阻和电感值。电源的选择注意是三相电源还是单相电源，三相电源可以显示单相电源的图例，只是图线加粗，可以从电源属性顶端的[source_1]还是[source_3]加以区分。图10电源和变压器部分PSCAD建模实例电源的选择注意是三相电源还是单相电源，三相电源可以显示单相电源的图例，只是图线加粗，可以从电源属性顶端的[source_1]还是[source_3]加以区分。图11电源属性选项卡图12电源specifiedparameters参数示意图PSCAD建模实例电源的“specifiedparameters”中的两个选项用以标明参数设置中的电压参数是在电源内阻之前还是在电源内阻之后。如图12所示，“BehindSourceImpedance”指输入参数为电源内阻之后理想电源的参数，电源出口电压的幅值和相角受电源内阻影响；“AttheTerminal”指输入参数为电源出口电压的幅值和相角，不受电源内阻影响。变压器模型中，要注意“IdealTransformerModel”和“SaturationEnabled”两个参数的设置，使变压器具有饱和特性时，必须将变压器模型设置为“ideal”，否则励磁支路和磁饱和程序同时起作用。变压器的“ideal”并不表示额定变比，在pscad中只是去掉的励磁支路，但是漏感仍然存在。测量模块需要注意的是，P、Q、V显示的全部是标幺值，只有瞬时电压和电流才是实际值。PSCAD建模实例3.VSC-HVDC控制器建模3.1.dq分量的求解如下图所示，交流测电压经过锁相环得到a相基波相角，输入abc_dq0变换器中做为transformationangle。图13dq0变换单元电路PSCAD建模实例在PSCAD中，既可以使用库中包含的元件，如果知道数学模型的话，也可以自己搭建电路。比如abc_dq0变换，也可以用加减乘除等运算自己设计，如下图。自己设计结构具有更大的灵活性。图14用运算元件搭建的dq0变换电路PSCAD建模实例内环电流控制器。图15内环电流控制器PSCAD建模实例外环直流电压控制器、有功功率控制器和无功功率控制器（演示用，开环控制）。图16外环控制器结构PSCAD建模实例脉冲产生电路：由于IGBT采用插值算法，比较器、反相器、延时发生器等也采用插值算法。图17驱动电路PSCAD建模实例4.VSC-HVDC仿真4.1.以时间轴为x轴的坐标系的示波器图此图只能以时间为x轴，可以添加多个graphic。在某一个graphic中单击一下鼠标左键，再按键盘上的“R”，相当于zoomout的功能。图18示波器4.2.以任意量为x轴的直角坐标系的示波器图分别选中被测量，在右图中右键单击，按照“pastecurvetox-axis”和“pastecurvetoy-axis”确定x和y轴的变量。图19xy示波器4.3.矢量图示波器Outputchannel模块上，右键选择addasphasormeter，得到矢量图。其中，vectorinterlace中输出通道数量要和输入数量一致，下图中输入通道有6个，故输出通道也为6个，分别为3个幅值、3个相角，得到3个矢量。图20矢量示波器