基于PSCAD的高压直流输电系统建模和仿真

基于PSCAD的高压直流输电系统建模与仿真摘要：为了配合高压直流输电系统在我国的发展，介绍了高压直流输电系统的基本结构和工作原理，运用PSCAD仿真软件分别建立、分析了HVDC系统的简化模型和CIGRE的HVDC标准测试系统模型，对四种故障下的暂态响应进行仿真计算，仿真结果表明交直流系统中的任何故障都会使直流输电控制系统的控制模式发生快速切换，且其响应速度很快，即使在交流系统故障未切除的很短时间内，直流控制系统也已能达到一种稳定的控制模式。关键词：高压直流输电(HVDC)；电流源型换流器；PSCAD；PWM；标准测试系统0引言高压直流输电今年来发展很快，是我国重要的区域联网方式。文献[1]指出，我国已建成了世界上第一个±800kV的最高直流电压等级的特高压直流输电工程，且计划在2020年前投运的直流输电工程将超过30个，学习和掌握直流输电技术成为电力电子技术领域及电力工程领域工作人员不可缺少的知识构成。本文利用PSCAD仿真软件对HVDC系统进行了由简单到复杂的建模和仿真，对其运行特性进行观测和研究，是在高压直流输电课程的学习之后的总结与提升，为以后的深入学习奠定基础。在简化模型中，直流输电系统简化为以不可控整流器、平波电抗器和逆变器相连接的交流电源，逆变器的触发脉冲由PWM调制生成，观测整流输出电流和逆变输出电压。在较复杂的CIGRE的直流输电标准测试系统模型中，采用可控的双桥12脉动换流器作为整流器和逆变器，观测交直流侧电压、电流。1HVDC系统简介ACAC1246332551图1长距离式HVDC系统主接线1—交流系统2—换流变压器3—脉动换流器4—平波电抗器5—交流滤波器6—直流滤波器高压直流输电由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路和将直流电变换为交流电的逆变器三部分构成，因此从结构上看，高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路。到目前为止，工程上绝大部分直流输电的换流器(又称换流阀，包含整流器和逆变器)由半控型晶闸管器件组成，称采用这种换流器的直流输电为常规高压直流输电。如图1为长距离高压直流输电的典型接线，主要用来实现从电源中心到负荷中心的电能输送。2简化模型仿真分析图2简化HVDC系统仿真接线如图1为简化的HVDC系统仿真电路。系统省去了变压器、交流滤波器、直流滤波器，发电机以左侧的三相110kV电压源表示，电网以右侧的110kV电压源表示。整流器采用三相桥式不可控整流电路，在平波电抗器作用下，其输出电流波动极小；逆变器采用电流源三相桥式逆变电路，其触发脉冲由PWM调制获得调制电路如图2。两平波电抗器均为1000H，以10Ω电阻表示直流输电线路电阻。ABCompar-atorABCompar-atorABCompar-atorT1T5T4T3T6T2PWM及IGBT触发控制F10000ABCEraErbErcEraErbErc10.0[ohm]10.0[ohm]10.0[ohm]图3PWM控制电路图4PWM调制波形及逆变输出波形图2所示PWM控制电路中，载波频率为1000Hz，参考波为110kV、50Hz三相电压。所得调制波形如图3。T1T2T4T5T6T3T2D2T2D2T2D2T2D2T2D2T2D2DDDDDDABCIdU2aABCUd10.0[ohm]1000[H]1000[H]-150-100-50050100150yEraErbErcErfωt-100-80-60-40-20020406080100yIdU2aωt0.00000.00020.00040.00060.00080.00100.00120.0014yIdt图5直流线路电流仿真波形由图4可看出，在平波电抗器作用下，直流线路电流基本保持不变。且所用电抗器电抗值越大，电流波动越小。3CIGREHVDC标准测试系统模型分析3.1模型简介CIGRE直流输电标准测试系统的原型是一个海底电缆直流输电系统，它的主要目的是测试各种直流控制器在弱交流系统下的行为，其控制策略具有普遍适用性，同时也用以考核各种仿真工具对直流输电系统模拟的精确度。该直流系统的额定电压为500kV，额定容量为1000MW，换流器为12脉动，直流系统单极运行。交流侧由固定电容器和阻尼型滤波器进行无功补偿和滤波，交流系统很弱，其短路比SCR在2.5左右。该测试系统的模型如图6所示，整流侧结构如图7所示。图6CIGREHVDC标准测试系统结构Inverter_ACIbusInverterRectifier0.5968[H]2.5[ohm]0.5968[H]2.5[ohm]26.0[uF]RbusRectifier_ACVAVAIaEa图7CIGREHVDC标准测试系统整流侧结构CIGRE直流输电标准测试系统所采用的控制器属于直流输电控制系统分层结构中的极控制层，主控制层没有模拟。该测试系统的基本控制方式是，整流侧由定电流控制和minα限制两部分组成；逆变侧配有定电流控制和定关断角(γ0)控制，但无定电压控制。此外，整流侧和逆变侧都配有低压限流(VoltageDependentCurrentOrderLimit，简写为VDCOL)控制，逆变侧还配有电流偏差控制(CurrentErrorController，简写为CEC)。CIGRE直流输电标准测试系统控制器的总体框图如图8所示。该测试系统的控制器详细框图如图9所示。整流侧直流电流测量值从上层传递来的电流整定值信号逆变侧γ角测量值逆变侧直流电压测量值逆变侧控制系统直流系统逆变侧直流电流测量值整流侧控制系统VDCOL整流侧α角命令逆变侧α角命令整流侧直流电流整定值Id-recId-invVd-invγd-invIdo-recαrecαinv图8CIGREHVDC标准测试系统控制器总体框图6.685[uF]83.32[ohm]0.0136[H]6.685[uF]29.76[ohm]74.28[uF]0.1364[H]261.87[ohm]3.342[uF]rectifier1000MW,500kV1.0[Mohm]GRSARSARDGRDTIMEKBR#1#2KBAOGMAMCom.BusBridge6Pulse#1#2KBAOGMAMCom.BusBridge6PulseRbusACAORAlphaOrderDCP1VA图9CIGREHVDC标准测试系统的控制器详细框图3.2暂态响应特性分析3.2.1整流侧交流系统故障整流侧交流系统故障时的暂态响应特性当整流侧交流系统发生三相短路故障(0.1～0.2s)，使换流站交流母线电压下降约30％时，测试系统响应特性如图10所示。从图10可以看出，在发生故障和故障切除的很短时间内，控制器的控制模式发生了多次切换，但即使在故障过程中，控制器也基本处于一种稳定的控制模式，说明直流输电控制器的响应速度很快，能够在系统状态改变时快速切换到一种稳定的控制模式。故障切除后约200ms直流系统基本恢复到初始运行点。a)整流站母线电压和直流侧电压b)直流整定值及直流电流c)整流侧控制模式d)逆变侧控制模式图10整流侧交流系统发生故障时HVDC系统响应特性3.2.2逆变侧交流系统故障(1)三相短路故障当逆变侧交流系统发生三相短路故障(0.1～0.2s)，使换流站交流母线电压下降约30％时，本测试系统的响应特性如图11所示。从图11可以看出，故障后逆变侧立刻发生换相失败，持续约30ms；由于故障导致VDCOL动作，将电流整定值限制在VDCOL的电流下限0.55左右；另外在故障及切除后的某一段时间内整流侧和逆变侧都按定电流控制方式运行。a)逆变站母线电压和直流侧电压b)直流整定值及直流电流c)整流侧控制模式d)逆变侧控制模式图11逆变侧交流系统发生三相短路故障时HVDC系统响应特性(2)单相短路故障当逆变侧交流系统发生a相接地故障(0.1～0.2s)，使换流站交流母线a相电压下降约30％时，本测试系统的响应特性如图12所示。从图12可以看出，本故障方式下直流系统的响应特性与发生对称故障时类似，但恢复速度比对称故障时快。a)逆变站母线电压和直流侧电压b)直流整定值及直流电流c)整流侧控制模式d)逆变侧控制模式图12逆变侧交流系统发生单相短路故障时HVDC系统响应特性3.2.3直流线路故障当直流线路发生永久性短路故障时(0.1s～＋∞)，本测试系统的响应特性如图13所示。从图13可以看出，发生直流线路短路故障时，初始阶段会造成短路故障电流的过冲，这是由于线路电容放电引起的；而随后在控制系统的作用下，该短路电流会达到比较小的稳态值0.1左右。此外，在该故障方式下，整流侧控制器作用会使其α角增大，直流电压下降，整流侧直流电流发生过冲而超过整定值，此处达1.7左右。随后VDCOL动作，最终将线路电流限制到其限定值0.55左右。而逆变侧在控制器的作用下会迅速使β、γ角增大，直至β90°后趋于稳定。另外在发生故障后，整流侧和逆变侧都按定电流控制方式运行。a)整流站母线电压和直流侧电压b)直流整定值及直流电流c)整流侧控制模式d)逆变侧控制模式图13直流线路发生故障时HVDC系统响应特性4结论本文阐述了高压直流输电系统的建模相关问题，建立了HVDC系统的简化模型，并分析了CIGRE的HVDC标准测试系统模型控制方案及对整流侧、逆变侧、直流线路短路等故障的暂态相应特性，说明了：交直流系统中的任何故障都会使直流输电控制系统的控制模式发生快速切换，有时甚至出现多次切换，因此事先假定直流输电按某种控制方式运行在系统发生故障时是不准确的；直流控制系统的响应速度很快，即使在交流系统故障未切除的很短时间内，直流控制系统也已能达到一种稳定的控制模式。参考文献[1]韩民晓，文俊，徐永海．高压直流输电原理与运行[M]．北京：机械工业出版社，2009．[2]王兆安，刘进军．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2009．[3]杨汾艳，徐政．直流输电系统典型暂态响应特性分析[J]．电工技术学报，2005，20(3)，45-52．[4]潘丽珠，韩民晓，文俊，李跃．基于EMTDC的HVDC极控制的建模与仿真[J]．高电压技术，2006，32(9)，22-24．[5]戚庆茹，焦连伟等．高压直流输电动态相量建模与仿真[J]．中国电机工程学报，2003，23(12)，28-29．[6]黄志岭，田杰．基于详细直流控制系统模型的EMTDC仿真[J]．电力系统自动化，2008，32(2)，45-48．[7]李爱民．高压直流输电线路故障解析与保护研究[D]．广州：华南理工大学，2010．[8]董曼玲，谢施君等．基于PSCAD/EMTDC逆变器自定义定关断角控制的实现[J]．南方电网技术，2009，3(1)，37-40．[9]高晓旺，周勇，康鲁豫．基于PSCAD/EMTDC的背靠背高压直流输电系统仿真[J]．电力自动化设备，2007，27(2)，69-70．[10]曾南超．高压直流输电在我国电网发展中的作用[J]．高电压技术，2004，30(11)，11-12．