基于工業控制平臺柔性直流輸電仿真系統設計

康建爽，周群英，曹森，郝俊芳，孫寶丹，蔣懷震

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

將式6帶入4可得：

基于工業控制平臺柔性直流輸電仿真系統設計

康建爽，周群英，曹森，郝俊芳，孫寶丹，蔣懷震

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

針對傳統柔性直流輸電工程換流器橋臂開關頻率高、橋臂模塊間動態均壓困難、系統能耗大等缺點，提出將模塊化多電平控制技術應用于實際柔性直流輸電工程。結合模塊化換流器橋臂結構詳細分析其充電過程及換流站電路結構，推導柔性直流有功功率、無功功率控制算法，并通過實際工業級控制平臺完成換流器橋臂控制器設計；結合主流RTDS仿真平臺搭建實際閉環仿真系統，完成工業級柔性直流控制器控制功能仿真測試并對仿真結果進行總結。整個設計過程對今后柔性直流輸電控制保護系統工程化設計有實際借鑒意義。最后，對柔性直流推廣應用進行展望。

工程應用；工業控制；MMC；RTDS；DQ變換；解耦

0 前言

柔性直流輸電技術應用于高壓直流輸電工程，相對于傳統的基于相控高壓直流輸電技術，具有諸多優勢。如換流器件采用全控型器件IGBT代替傳統的晶閘管，無需電網提供換相電壓，不存在換向失敗問題，適用于無源網絡或弱電網系統中[1-5]等諸多優勢。

目前，國際上已投運的柔性直流輸電工程，主要是基于兩電平、三電平技術開發而成。存在換流器橋臂模塊開關頻率高，達到2 000 Hz～3 000 Hz；換流器損耗大；IGBT模塊間均壓困難等不足。而基于模塊化理論柔性直流輸電技術大幅降低系統模塊的開關頻率，有效降級了換流器的能耗；采用分布式電容代替直流雙極母線間電容，有效地解決了模塊間均壓的難題[6-7]，更加符合未來市場需求。

對模塊化多電平柔性直流輸電技術研究大都基于Matlab或PSCAD等純軟件建模仿真完成，與實際工業控制應用聯系并不緊密。本文采用實際工業控制平臺完成模塊化多電平控制器設計，并通過在RTDS平臺上搭建的換流站一次仿真模型構成閉環仿真系統，完成對上述控制器控制性能優化驗證，更加貼和實際工業控制應用。

1 拓撲結構及充電分析

模塊化多電平換流器單相橋臂結構如圖1所示，毎個橋臂由n個子模塊 (SM sub model)串聯橋臂電抗器構成。每個子模塊由兩個 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)、兩個二極管、一個模塊電容、一個保護晶閘管以及一個高速旁路開關組成。

換流器作為柔性直流輸電系統功率輸送的核心器件，在進行直流功率傳輸前，首先必須完成換流橋臂子模塊電容充電。具體充電過程可以分為兩個階段，即換流器閉鎖階段充電、換流器解鎖階段充電。

圖1 單相橋臂拓撲結構

換流器在閉鎖階段充電是通過續流二極管構建充電回路來完成的。以圖2所示分析，設定交流電壓Ua＞Uc＞Ub，則換流器上下橋臂A相、B相同時導通。對于上橋臂，通過A相各子模塊續流二極管完成對B相子模塊電容充電；對于下橋臂，通過B相各子模塊續流二極管完成對A相子模塊電容充電。經第一階段充電后直流母線電壓為交流母線線電壓的峰值[7]。以 A、B相為例，具體充電過程及電流流向如圖2箭頭所示：

圖2 子模塊充電框圖

對于實際工程應用，經過第一階段充電后直流電壓并不能滿足實際運行中對直流電壓等級的需求，需要對換流器進行二次充電來提高直流電壓，以滿足實際運行要求。在換流器的二次充電階段，是通過對換流器施加觸發脈沖，采用定直流電壓的控制方式，使得直流電壓精確的達到預定值。換流器橋臂充電后第一階段、第二階段直流母線電壓波形如下圖3所示：

圖3 換流器充電后直流電壓波形圖

2 控制策略

對于傳統的基于晶閘管技術的柔性直流輸電工程，一般只需完成對系統有功功率控制，系統所需無功功率，需要通過投入或切除交流濾波器來完成。對于模塊化多電平柔性直流輸電技術除需完成對系統有功功率控制，還需要完成對系統無功功率控制，控制器設計更為復雜。圖4所示為一柔性直流換流站等效結構圖，以該圖示為例進行系統有功、無功解耦控制策略理論推導設計[9-15]。

圖4 換流站等效簡化模型圖

如上圖4所示，由基爾霍夫定理可得：

其中：

將公式2帶入公式1并分相展開可得：

對公式3進行d_q坐標變化并移項重組可得：

式5表示等效電抗上的等效壓降，對該部分通過一階比例積分的形式進行等效設計，即：

將式6帶入4可得：

其中：

id_ref：對應系統有功功率參考

iq_ref：對應系統無功功率參考

Vvc_d_ref：對應閥側電壓有功參考

Vvc_q_ref：對應閥側電壓無功參考

對式7進行分析可知，換流器閥側電壓有功、無功，除受注入換流器有功、無功電流影響外，還受系統交流電壓以及相互間有功、無功電流耦合影響。

3 多電平控制器設計

由上述分析可知，系統有功、無功控制即受注入交流系統有功、無功電流影響，亦受系統本身電壓及有功、無功電流耦合交叉影響。為抵消系統本身電壓及電流交叉耦合影響，在具體控制器設計過程中，采用前饋控制環節彌補上述影響，具體控制邏輯如圖5所示。

圖5 換流器控制邏輯控制框圖

由圖5所示可知，引入前饋控制環后，通過控制注入交流系統有功、無功電流，實現對系統有功、無功精確控制。在具體控制器設計過程中，在計算求得系統有功、無功參考分量后，需要通過DQ反變換環節，求得三相橋臂各自對應調制電壓并發送到RTDS仿真裝置，由RTDS模擬完成換流器橋臂觸發過程，構成整個閉環仿真系統。

4 仿真模型構建

本仿真系統以RTDS為基礎試驗平臺構建，并結合實際的控制保護裝置來完成整個柔性仿真系統構建。RTDS具體完成對換流站兩側交流輸電系統、換流站、直流輸電電纜、換流器橋臂、橋臂電抗以及啟動電阻等直流一次相關設備模擬。具體仿真模型如圖所示。

圖6 基于RTDS換流站等效模型

5 仿真及結果分析

為驗證上述閉環控制系統實際控制性能，分別在如下四種工況下驗證控制器實際控制能力：

1)系統無功出力為0，系統有功功率調節由當前300 MW調節到-300 MW穩定運行；

2)系統有功出力為0，系統無功功率調節由當前0 MVA調節到-300 MVA；

3)系統無功出力為0，系統有功功率300 MW下穩態運行工況；

4)系統有功出力為0，系統無功功率200MVA下穩態運行工況。

按照上述要求運行工況依次進行仿真，仿真結果分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 系統有功由300 MW到-300 MW調節過程中系統運行工況

圖8 系統無功由0 MVA到-300 MVA調節過程中系統運行工況

圖9 系統有功300 MW下穩態工況

圖10 系統無功200 MVA下穩態工況

對上圖7～圖10進行總結分析可知，基于工業控制平臺柔性直流控制系統能夠精確實現柔性直流輸電系統有功功率、無功功率解耦控制。在系統功率動態調節過程中，直流母線電壓保持穩定，系統功率按照預設速率進行升降，交流系統運行穩定。在系統穩態運行過程中，交流系統運行穩定，直流母線電壓保持穩定。對于有功功率控制，受子模塊充放電過程以及子模塊投切過程影響，直流電流小幅波動。

6 結束語

將模塊化多電平直流輸電技術應用于高壓直流輸電工程，在實現有功功率、無功功率解耦控制的同時，大幅降低了系統諧波分量。同時通過降低橋臂模塊的投切頻率，使得換流器損耗在系統損耗中比重大大降低。

在多端直流輸電領域，各個橋臂子模塊通過采用IGBT反并聯二極管連接結構，實現了直流電流雙向流通。因此通過直流電流極性改變，即可實現直流功率的潮流反向，無需直流電壓極性改變，更易于大規模多端柔性直流輸電系統設計。

目前，由于 IGBT器件本身過流能力較差，在一定程度上限制了將柔性直流輸電技術應用于大容量直流輸電工程。隨科技進步，IGBT器件本身過流能力提高以及相關替代產品的出現，柔性直流輸電技術有望取代現階段基于晶閘管換流直流輸電技術，應用于高壓、特高壓直流輸電工程。

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Design of Flex HVDC System Based on The Industrial Control Platform

KANG Jianshuang，ZHOU Qunying，CAO Sen，HAO Junfang，SUN Baodan，JIANG Huaizhen
(XJ Electric Co.Ltd.，Xuchang，Henan 461000，China)

As the traditional flex HVDC project has the disadvantage of high switching frequency、the dynamic pressure balance between the bridge arm modules and high energy consumption and so on，the modular multi-level technology is put forward to use in the flex HVDC project.In this paper，a detailed converter bridge arm topology is structured，and specific analysis of the charge-discharge process of sub-modules of the bridge arm.From the converter station topology，analysis the active power and reactive power algorithm，and design the converter controller based on the industrial control platform；Test and analyze the simulation result got from the actual loop simulation system based on the mainstream RTDS simulation platform.Throughout the design process，it is useful for the industrial flex HVDC control and protection system design.Finally give the prospect of the application of flex HVDC system.

industrial application；industrial control；modular multi-level converter；real-time digital simulator；DQ Transformation；decouple

TM76

B

1006-7345(2014)06-0040-04

2014-06-23

康建爽 (1984)，男，碩士，工程師，許繼電氣股份有限公司，主要從事高壓直流輸電系統、柔性直流輸電系統相關領域控制保護系統研究(e-mail)kangkang9336＠126.com。