±800 kV特高壓直流示范工程建模研究

甄旭鋒，高本鋒，侯 沖

(1.保定供電公司，河北 保定 071000；2.華北電力大學(xué),北京 102206；3.河北省安平縣電力局，河北 衡水 053600)

0 引言

向家壩-上海±800 kV特高壓直流示范工程(向上線)線路長度(1 935±60)km，額定功率6 400 MW，額定功率時(shí)的正常直流電壓±800 kV。向上線是目前世界上電壓等級(jí)最高，輸送容量最大的直流輸電工程。其中直流控制保護(hù)系統(tǒng)是作為該工程關(guān)鍵的部分之一, 在投運(yùn)之前需進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)測試, 以期全面檢驗(yàn)控制保護(hù)參數(shù)配置的正確性和合理性, 同時(shí)還可測試發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)備存在的缺陷。因此, 對(duì)控制保護(hù)設(shè)備的測試在整個(gè)直流工程的建設(shè)中具有重要意義[1-8]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)越來越多的用于控制和保護(hù)設(shè)備的測試中，RTDS(Real Time Digital Simulation)是一種實(shí)時(shí)全數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，利用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，可以對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的仿真[9-11]。

1 向上線概況

1.1 換流站接線方式

換流站每極由2個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成,控制保護(hù)系統(tǒng)以單個(gè)12脈動(dòng)換流單元為基本單元進(jìn)行配置，以便能夠單獨(dú)退出單12脈動(dòng)換流單元而不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。考慮到運(yùn)輸方便的因素，換流變壓器采用單相兩繞組。

1.2 交流側(cè)

復(fù)龍側(cè)額定運(yùn)行電壓530 kV，最高穩(wěn)態(tài)電壓550 kV，短路容量57 288 MVA；奉賢側(cè)額定運(yùn)行電壓515 kV，最高穩(wěn)態(tài)電壓525 kV，短路容量57 288 MVA。

1.3 濾波器

復(fù)龍換流站交流濾波器包括單組容量均為220 Mvar的4組雙調(diào)諧BP11/13濾波器，4組雙調(diào)諧HP24/36濾波器，1組單調(diào)諧HP3濾波器，5組SC并聯(lián)電容器。奉賢換流站交流濾波器配置為：8組HP12/24濾波器，每組容量為260 Mvar；7組SC并聯(lián)電容器，每組容量為238 Mvar。復(fù)龍站和奉賢站直流側(cè)各設(shè)置1組三調(diào)諧HP2/12/24濾波器。

1.4 變壓器

復(fù)龍側(cè)換流變壓器變比為530 kV/170.3 kV，額定容量為321.1 MVA；奉賢側(cè)換流變壓器變比為515 kV/157.6 kV，額定容量為297.1 MVA。

1.5 控制系統(tǒng)參數(shù)

額定觸發(fā)角為15°，最小觸發(fā)角為5°，額定關(guān)斷角為17°[12-13]。

2 模型總體設(shè)計(jì)

RTDS的基本組成部分為RACK，多個(gè)RACK之間通過總線和工作站接口卡WIF(Wokstation Interface)相連，每個(gè)RACK包含多個(gè)GPC卡和I/O板卡。向上線用于與直流保護(hù)和控制設(shè)備交互的一次系統(tǒng)模型I/O板卡配置如表1所示。

表1 I/O板卡的配置

3 建模關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 模型等值處理

同以往的直流工程建模相比，向上線工程運(yùn)行方式較為復(fù)雜，一次系統(tǒng)和控制保護(hù)的信號(hào)較多，受RTDS仿真規(guī)模的限制，因此無法也沒有必要在RTDS模型完全包括全部的一次系統(tǒng)模型。在不影響閉環(huán)測試精度上，在RTDS模型中對(duì)一次系統(tǒng)進(jìn)行簡化(包括換流站的交流系統(tǒng)采用等值電源代替，略去交流、直流場的部分開關(guān)等)。

3.2 RTDS處理器的分配

由于RTDS一個(gè)RACK只能運(yùn)算54個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)或者56個(gè)開關(guān)量，對(duì)于規(guī)模比較大的模型需要采用多個(gè)RACK并行計(jì)算方式。RACK間以及同一RACK上不同GPC卡間的數(shù)據(jù)交互，存在一定的時(shí)延，會(huì)降低仿真精度，增加系統(tǒng)的仿真步長。因此，建立模型前要進(jìn)行詳細(xì)分析，確定合理的處理器分配方案。

向上線RTDS模型中的換流器個(gè)數(shù)及開關(guān)量的控制比較多，因此采用多個(gè)RACK同步計(jì)算的方案，并且對(duì)模型進(jìn)行分塊，最大程度上減少了數(shù)據(jù)在不同RACK和GPC卡間交互帶來的時(shí)間延遲。RACK間的數(shù)據(jù)交互采用直流輸電線路模型或 “EXPORT”和“IMPORT”輸入輸出模塊連接。

3.3 復(fù)龍側(cè)和奉賢側(cè)交流系統(tǒng)的等值

為便于模擬計(jì)算，需要對(duì)送端和受端電網(wǎng)進(jìn)行必要的等值簡化。整流逆變兩側(cè)電網(wǎng)采用內(nèi)電勢(shì)恒定的等值電壓源模擬，采用等值內(nèi)阻抗反映其實(shí)際系統(tǒng)強(qiáng)度。整流側(cè)送端系統(tǒng)內(nèi)阻抗為16.75 Ω；逆變側(cè)受端系統(tǒng)內(nèi)阻抗為11.26 Ω。復(fù)龍換流站交流母線正常連續(xù)運(yùn)行電壓的范圍為500～550 kV, 奉賢換流站交流母線正常連續(xù)運(yùn)行電壓的范圍為490～525 kV。

3.4 濾波器的設(shè)計(jì)

交流濾波器在系統(tǒng)中扮演重要的角色，它濾除換流器產(chǎn)生的各次諧波，控制系統(tǒng)諧波在可接受的范圍，并提供換相所需的無功功率。兩側(cè)換流站的交流濾波器包括5種類型，分別為：BP11/13，HP24/36， HP3，SC并聯(lián)電容器，HP12/24。

RTDS中的濾波器元件是一個(gè)多支路單相濾波器組，由并聯(lián)在同一母線上的多個(gè)濾波器組成。濾波器的類型可以在該元件中進(jìn)行設(shè)置，共包括單調(diào)諧濾波器(RLC)、C型濾波器(C-Type)、雙阻尼濾波器(D-Damp)等類型。

經(jīng)過工程的近似等效，交流濾波器BP11/13，HP12/24，HP24/36， HP3，SC并聯(lián)電容器，HP12/24分別可以用RTDS中的中的模型D-Damp，D-Damp，D-Damp，C-Type和RLC來等值。經(jīng)測試，基于RTDS所設(shè)計(jì)的濾波器均滿足工程要求。

復(fù)龍站和奉賢站每極各設(shè)置一組相同的直流濾波器，其模型如圖1所示。

圖1 直流濾波器模型

3.5 RTDS改進(jìn)點(diǎn)火脈沖的應(yīng)用

換流器的觸發(fā)脈沖由外部控制器產(chǎn)生，由GTDI卡采集，換流器接收到點(diǎn)火脈沖的時(shí)刻是隨機(jī)的，并且只能整步長響應(yīng)。

因此造成了RTDS接收到點(diǎn)火脈沖的時(shí)間誤差在0～1步長之間，將會(huì)造成仿真器不能連續(xù)響應(yīng)并產(chǎn)生實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)沒有的非特征諧波。

采用RTDS公司提出的改進(jìn)點(diǎn)火脈沖算法。采用改進(jìn)點(diǎn)火脈沖算法后，不管觸發(fā)脈沖發(fā)生在哪個(gè)時(shí)刻，RTDS接收觸發(fā)脈沖的時(shí)間誤差恒為一個(gè)RTDS仿真步長，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換流器觸發(fā)角微調(diào)的連續(xù)響應(yīng)，避免產(chǎn)生隨機(jī)誤差[14]。

3.6 Runtime監(jiān)控界面的開發(fā)

RTDS 前臺(tái)工作站的軟件是基于JAVA 平臺(tái)的RSCAD，有以下幾個(gè)模塊：搭建電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)模型的Draft；編輯線路和電纜相關(guān)參數(shù)的Tline和Cable；裝載并運(yùn)行用Draft搭建的電力系統(tǒng)，只起到控制和顯示的作用的Runtime。Runtime模塊是運(yùn)行控制和顯示模塊，RTDS仿真系統(tǒng)必須通過它才能運(yùn)行。向上線控制和運(yùn)行方式特別復(fù)雜，直流場和交流場開關(guān)量較多，因此有必要在Runtime界面中設(shè)計(jì)友好的交互界面，便于實(shí)驗(yàn)人員操作和監(jiān)視當(dāng)前的狀態(tài)。

RSCAD自2008版本起，在RUNTIME里的基本圖形模塊可以和draft中的開關(guān)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，不同的顏色可以表示開關(guān)不同的狀態(tài)[11]。基于此，在RUNTIME里面設(shè)計(jì)了類似于LWS的監(jiān)控平臺(tái)直流系統(tǒng)一次模型圖，添加了系統(tǒng)的主要參數(shù)。

4 模型閉環(huán)校驗(yàn)

為了驗(yàn)證搭建的RTDS模型的正確性，將其與實(shí)際的直流控制保護(hù)設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)，測試模型的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性。

系統(tǒng)為雙極全壓運(yùn)行方式，復(fù)龍站采用定電流控制，額定電流為IdN=4 kA，奉賢站采用定關(guān)斷角控制，γN=17 。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性曲線見圖2。

(a) 復(fù)龍側(cè)極1直流電壓

(b) 復(fù)龍側(cè)極1直流電流

(c) 復(fù)龍側(cè)換流變閥側(cè)U相電流

(d) 奉賢側(cè)閥電壓

(e) 奉賢側(cè)關(guān)斷角

由圖2可知，從模型中得到的穩(wěn)態(tài)特性曲線和暫態(tài)運(yùn)行結(jié)果與理論分析一致，表明搭建的模型對(duì)向上線一次系統(tǒng)模擬精確度較高，具有良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行特性。

5 結(jié)束語

在RTDS的基礎(chǔ)上，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)目前世界上電壓等級(jí)最高，輸送容量最大的直流輸電工程一次系統(tǒng)的建模。基于RTDS的向上線工程的一次系統(tǒng)模型已應(yīng)用于向上線工程的直流保護(hù)和控制設(shè)備的聯(lián)合測試，測試項(xiàng)目近千項(xiàng)。向上工程的一次模型模擬準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，保證了實(shí)驗(yàn)規(guī)模的等效性和實(shí)驗(yàn)方法的靈活性，對(duì)于確保向上工程按期投運(yùn)，起到了十分重要的作用。建立本模型所使用的方法及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以后其他特高壓工程的建模具有一定的借鑒意義。

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