08_应用PSCAD进行直流输电系统仿真研究

应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究武汉大学电气工程学院乐健2012.06应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第2页主要内容一、高压直流输电系统的主要元件二、相关元件的PSCAD模型三、高压直流输电系统运行与控制四、高压直流输电系统的PSCAD仿真应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第3页交流母线交流系统I无功补偿设备交流滤波器直流线路VdI换流站I平波电抗器直流滤波器桥I交流母线换流变压器断路器桥II换流站II交流系统II无功补偿设备交流滤波器换流变压器VdII一、高压直流输电系统的主要元件应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第4页1.晶闸管（Thyristor）特点：o单向导电o可控导通KAG导通的充要条件：•正向电压0•控制电流脉冲可靠关断的充要条件：•正向电流0•正向电压0，且持续一段时间应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第5页-8kV(-9kV)-2kA-5inchwafer-8kV(-9kV)-2kA-5inchwafer晶闸管应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第6页桥臂晶闸管串联，需要均压晶闸管（串）并联，需要均压均流晶闸管MA电压：5.5~9kV电流：1.2~3.5kATAM2.阀单元应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第7页均压示意图C1R2R1R2R1C1避雷器L1C2R3R4应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第8页均流示意图MA电抗器均流示意图电阻均流示意图MRAR应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第9页阀单元应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第10页3.换流器（converter）：将交流电转换成直流电，或者将直流电转换成交流电的设备。整流器（Rectifier）------将交流电转换成直流电的换流器。逆变器（Inverter）------将直流电转换成交流电的换流器。单桥Graetz桥V3三相全波桥式换流电路原理图MNV1V5V4V6V2ABC正极共阴极负极共阳极桥臂/阀臂/阀桥交流端上半桥/共阴极半桥下半桥/共阳极半桥应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第11页作用:使HVDC系统建立自己的对地参考点；减小注入系统的谐波。4.换流变压器(ConverterTransformer)向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备特点:接线方式：Y0/Y,Y0/△，Y0/Y/△短路电抗大：15~20%噪声大应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第12页换流变压器应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第13页作用:减小注入直流系统的谐波；减小换相失败的几率限制直流短路电流峰值防止轻载时直流电流间断5.平波电抗器（SmoothingReactor）参数:0.27~1.5H(架空线)12~200mH(电缆线)应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第14页平波电抗器应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第15页种类:交流滤波器，直流滤波器有源滤波器；6.滤波器（Filter）减小注入交、直流系统谐波的设备无源滤波器：单调谐滤波器双调谐滤波器高通滤波器应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第16页直流滤波器应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第17页种类:无源类：电容器有源类：（同步）调相机，SVC7.无功补偿设备（ReactivePowerCampensitor）作用:提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。换流器吸收无功功率：30~50%Pd(整流器)40~60%Pd(逆变器)应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第18页种类:架空线路电缆线路8.直流线路（DCLine）9.交流断路器（Breaker）作用：使HVDC完全退出运行应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第19页二、相关元件的PSCAD模型2.1电力电子器件模型2.2阀模型2.3换流桥模型2.4换流变模型2.5线路模型2.6交流系统2.7其它元件模型应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第20页2.1电力电子器件模型类型选择缓冲电路插值脉冲应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第21页应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第22页无插值时的二极管电流PSCAD软件中的EMTDC采用了固定时长近些暂态一旦选定就保持不变。由于时间步长固定，若器件动作处于时间步长间隔中，只有等到下一时间步长时程序才能体现出此事件。此时将造成仿真错误。EMTDC的插值算法应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第23页解决方法：缩短仿真步长—仿真时间延长、内存需求增大，不能根本性解决问题。变步长仿真—检测到开关动作事件时，划分仿真步长为更小的时间间隔。不能避免虚假电压和电流尖峰。插值方法—具有更快的速度和更高的精度。能在采用较大时间步长的情况下更精确地对任何开关事件进行仿真。有插值时的二极管电流应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第24页具有大量快速切换设备的电路；带有浪涌避雷器的电路与电力电子设备连接；HVDC系统与易发生次同步谐振的同步机相联；使用小信号波动法分析AC/DC系统，这时精细的触发角控制是必须的；使用GTO与反向晶闸管构成的强制换相换流器；PWM电路和STATCOM系统；分析具有电力电子设备的开环传递函数；插值的应用场合应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第25页2.2阀模型阀模型为晶闸管模型的串并联。并配合以相应的均压均流电路。静态均压：是指晶闸管处于阻断状态下承受工频电压或直流电压时的各晶闸管元件之间的均压，在这种情况下，电压波形前沿时间较长，采用电阻均压。动态均压：动态均压是指同一桥臂中的晶闸管开通和关断过程中的均压，即此过渡过程中的均压。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第26页静态均压电阻值的计算：1()1(1)PmUKRnI也可按元件在正常工作温度下,正向阻断状态的正向电阻或反向电阻（正向阻断电压或反向峰值电压除以漏电流）的1/3—1/5选用。
RRqCRRqCRRqC静态均压动态均压IImI-ImIm+ΔImI-Im-ΔImIm+ΔImI-Im-ΔImUmUp应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第27页RRqCRRqCRRqC静态均压动态均压IImI-ImIm+ΔImI-Im-ΔImIm+ΔImI-Im-ΔImUmUp动态均压电容值的计算：(1)1()1rPnQCUK2120.64rrTRTQI应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第28页PSCADX4之前所有版本中的组件(module)缺乏多实例化能力，即一个组件定义只能有一个实例。X4版本通过完全重新设计PSCAD的程序结构，使其成为更朝向以数据为中心的模型，从而具备了提高多实例化组件的能力。多实例化组件(MIM)技术应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第29页1.组件的输入参数界面。X4版本中，组件与标准元件一样，也可设计输入参数界面，且每个组件的实例可拥有完全不同的输入参数值。每个输入参数需要对应的Import元件。Import元件的变量名与输入参数symbolname要一致。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第30页2.组件多实例化的特殊性。对于元件而言，其定义只能在定义编辑环境下进行修改，包括表示图形、输入参数和代码。从实例出发无法修改相关定义。而组件包含有画布这一特殊元素，其定义不仅可在定义编辑环境下进行修改，包括表示图形和输入参数。从实例的角度而言，在任一个实例中对画布内容进行的修改都会影响组件的定义，从而影响到根据该定义实例化的其他实例。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第31页组件的画布定义两个实例修改实例画布定义被修改其他实例也受到影响进行组件多实例化，昀主要是使得不同的组件实例可以拥有不同的信号值。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第32页Main组件整流桥组件3.组件多实例化的应用。阀组件在无法实现组件多实例化的条件下，尽管整流桥和阀组件的内容完全相同，该项目仍需要4个整流桥组件的定义，需要24个阀组件的定义，给建模工作带来了很大麻烦。能够实现组件多实例化时，则只需要两个组件定义。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第33页内部锁相环输入换流变6脉波格雷兹变换桥换流母线2.3换流桥模型应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第34页正负母线触发脉冲信号封锁/解锁控制测量的触发脉冲角和熄弧角触发脉冲序列与换流变的配合应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第35页触发脉冲控制方式只输入1#器件的触发控制角。其它器件按编号依次延迟60度。每个器件的脉冲自动维持120度。每个器件的触发角单独控制。此时可使用插值脉冲触发元件的输出。即‘FP’和‘FTime’。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第36页触发脉冲封锁/解锁控制KB=0:封锁所有脉冲；KB=1:解除封锁；KB=-1到-6:封锁对应开关；KB=-7:保留同一桥臂的两个开关仍然触发，其它的被封锁。内部锁相振荡器(PLO)其输出为与A相对地电压同步的0-2pi变化的斜坡信号应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第37页与换流变接线方式的配合希望提供给PLO的电压尽量理想，故一般该电压取自换流变的系统侧，且与A相对地电压同步。而触发脉冲是以换流变阀侧线电压过零为起始点。故需要根据换流变的接线方式进行调整。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第38页以Y/Y型接线为例:脉冲触发起始点为相电压交点，滞后网侧A相对地电压30度。112T应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第39页2.4换流变模型1I1V2I2Vc11121I1V2I2V345123经典建模法UMEC建模法将变压器的主磁通和漏磁通分开考虑，计算简单方便，参数物理意义清晰。但在模拟三相，多绕组，且绕组间存在耦合时会显得十分复杂。且计算时需要准确知道变压器绕组的联结形式，绕组的匝数参数将漏磁通和主磁通统一考虑。变压器任一绕组铁心支路都可等效为磁路等效模型。该模型基于磁路模型进行计算，具有较高的仿真精度，并且无需知道铁心长度、铁心横截面积、绕组匝数等详细的变压器物理参数。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第40页绕组连接形式正序漏感铜损和铁损是否为理想变压器：理想：忽略铜损铁损。经典模型主要参数应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第41页分接头设置PSCAD对分接头的建模是改变变压器的变比，同时对漏抗和励磁电流进行重新计算。例如10kV:100kV的Y/Y变压器，10kV侧分接头调整为1.05，则新的变比为1.05:100。应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第42页经典模型饱和特性模拟主磁通受铁心饱和的影响，可以将其作为一局部的非线性问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精度，需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去，铁心损耗可以直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的经典法使用了并联补偿电流源模拟饱和：在昀靠近铁芯的绕组上添加可变电感；或在昀靠近铁芯的绕组上添加补偿电流源。EMTDC采用后者。()LVt()sIt1s()StSIS应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第43页气隙电抗，通常为近似为漏抗的2倍膝点电压，1.15-1.25pu注意要与理想模型联用涌流的衰减时间常数用于防止启动时不稳定励磁电流，一次电流的百分比应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第44页主磁通受铁心饱和的影响，可以将其作为一局部的非线性问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精度，需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去，铁心损耗可以直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的UMEC法采用分段线性法处理饱和。UMEC模型饱和特性模拟应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究第45页变压器UMEC模型是