基于PSCAD的CIGRE HVDC模型控制系統研究

尉 龍, 宋吉江， 孫 磊

(1.山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091；2.國網山東荏平縣供電公司， 山東 聊城 252100)

廣義的講，直流輸電系統的控制包括正常運行控制、故障控制、繼電保護系統、各種開關操作的控制以及監控系統、通信系統等等[1].對一個高壓直流輸電系統而言，控制系統主要包括整流側控制和逆變側控制.在研究直流輸電運行情況時，仿真出HVDC的控制系統并加以運行是關鍵.本文利用PSCAD中CIGRE HVDC模型控制系統仿真實例，來具體說明高壓直流輸電系統的正常控制特性，并著重分析整流側和逆變側控制特性之間如何相互配合.

1 CIGRE HVDC模型簡介

CIGRE直流聯絡線研究委員會HVDC系統控制工作組14.02于1991年提出了第一個用于HVDC控制研究的標準模型。其主要目的是便于用各種計算機程序和仿真器在相似的主電路模型基礎上，進行不同的直流控制設備和控制策略性能的比較研究.用這個標準模型作為研究的基礎，可以反映HVDC控制研究中的主要問題[2],其結構如圖1所示.

圖1 直流輸電標準測試系統模型

采用單極500 kV、1 000 MW 直流輸電，整流側和逆變側都采用12 脈波的換流器，聯于弱交流系統[3](頻率為50 Hz 時短路比為2.5).這個系統被廣泛用于測試直流系統.

在電力系統的暫態仿真軟件中，也采用此模型作為高壓直流輸電的仿真案例.其整流側和逆變側的結構圖分別如圖2、圖3所示，包括換流變和12脈動換流器.

圖2 PSCAD中整流側結構模型

圖3 PSCAD中逆變側結構模型

2 HVDC控制系統的控制特性

2.1 基本控制方程與控制要求

特高壓直流輸電系統的接線圖及其等值電路如圖4所示.它表示一個單極聯絡線或雙極聯絡線中的一個極[4].

(a)

(b)圖4 直流輸電系統的接線圖及等效電路圖

圖4中：α為整流器觸發角；β(γ)為逆變器的觸發超前角(熄弧角)；Vdor、Vdoi分別為整流側和逆變側的無相控理想空載直流電壓；Rcr、Rci分別為整流測和逆變側的等值換相電阻，RL為直流線路電阻.

故從整流側流向逆變側的直流電流Id為

(1)

整流器終端的功率為

Pdr=VdrId

(2)

逆變器終端的功率為

(3)

高壓直流輸電系統通過控制整流器和逆變器的內電勢(Vdor)和(Vdoicosβ)來控制線路上任一點的直流電壓以及線路電流(或功率).

可見，直流系統的調節通過兩種手段來實現[5]：

通過調節整流器的觸發角α或逆變器的觸發超前角β快速而大范圍地控制直流線路的電流、電壓和功率.所需時間為1～10ms.

還可利用換流變壓器分接頭的帶負荷切換調節換流器的交流電動勢，進行慢速控制。所需時間為5～6s.

兩種調節手段以互補形式應用，其中前者具有快速控制的功能，是直流系統區別于交流系統的最大優點.具體地，高壓直流輸電控制方式有：定電流控制、定電壓控制、定延遲角控制、定超前角控制、定熄弧角控制和定功率控制.

2.2 控制特性

2.2.1 理想控制特性

高壓直流輸電系統承擔輸送功率的任務，通常要求按照某種功率指令運行.直接控制模式就是整流側控制電流恒定，逆變側控制電壓恒定.

因此，理想下整流器運行特性是一條垂線，逆變器運行特性是一水平線.整流器保持定電流(CC)，逆變器運行于定熄弧角(CEA),保證足夠換相裕度.特性如圖5所示.

2.2.2 整流側與逆變側聯合控制特性

觸發前加在每一個晶閘管上的正電壓總是供電給該閥觸發脈沖電能的電源電路，所以觸發不可能在5o之前發生.整流器靠改變α來保持電流，一旦達到α最小值，整流側電壓就不可能升高，而進入α=αmin的定觸發角CIA上[6].如圖6中整流器運行曲線.

圖5 理想控制特性

圖6 聯合控制特性

正常電壓下，CEA與CC特性曲線交于E點.當整流側交流電壓降低或逆變側交流電壓升高時，整流器α角會一直減小進入最小觸發角控制.為防止CEA特性與整流器特性沒有相交點而導致整流側電壓為0，在逆變側裝設電流調節器，其整定值比整流器低一些.所以逆變器特性由CEA控制和定電流CC控制組成.整流器與逆變器控制特性的組合，就是電流裕度控制特性.整流器和逆變器電流整定值差值Im為電流裕度.

2.2.3 低壓限流環節與最小觸發角限制

直流輸電中的控制方式不是單獨控制方式的應用，而是幾種方式的組合.為了維持輸電系統對于穩定性要求，除了上述控制方式外，需添加觸發角限制環節與低壓限流環節.

低壓限流控制(VDCOL)特性是指在某些故障情況下，當發現直流電壓低于某一值時，自動降低直流電流調節器的整定值，待直流電壓恢復后，又自動恢復整定值的控制功能.逆變側交流系統發生短路故障而導致電壓下降時，由于下述原因，要保持額定直流電流或功率是不可能的：當一個換流器的電壓下降30%左右時，另一端換流器的無功功率需求將增加，會對交流系統產生不利影響；此外，電壓降低時，換相失敗和電壓不穩定的風險也大為增加[7].所以為了限制持續過電流(短路電流)，在整流側和逆變側設置低壓限流環節，在故障時限制短路電流。VDCOL特性曲線可能是交流換相電壓或直流電壓的函數.圖7、圖8給出兩種類型的VDCOL.

圖7 作為交流電壓函數的電流限制圖

圖8 作為直流電壓函數的電流限制

在換相失敗或直流線路故障時，逆變器可能切換為整流方式，這將逆轉功率輸送方向.為預防這種情況，在逆變器控制中引入最小α限制，這將逆變器的觸發角限定在大于90°的某個值，典型范圍為95°到110°.如圖9逆變器V-I特性曲線最下面部分.

圖9 有最小觸發角限制的靜態伏安特性

3 控制特性在CIGRE HVDC模型中仿真應用

3.1 整流側控制系統

整流側作用是控制換流器觸發角，保持電流值不變.模型的整流器控制系統結構如圖10所示.

系統有兩個輸入端CMR和逆變器的電流指令，輸出為α.整流側電流CMR是整流直接輸出測量值，未經過大電感平波，需要經過一階線性濾波環節G/1+sT除去脈動，得到直流電流值.與逆變側測量電流值作差，求出電流偏差ε.Δε與輸出的Δβ值成正比例，檢測到有電流差值時，Δε增大導致β增大，從而使得觸發角α減小(α+β=180°).PI環節

圖10 整流側控制系統

中的積分環節可以消除靜態誤差，微分控制環節能改善動態特性，除此之外，在PI環節中還設置β的最大輸出為3.054，即175°來限制觸發角α最小為5°.輸出的觸發角值輸入到12脈動換流器，實現定電流控制.所以CIGRE HVDC模型整流側實現的定電流控制和最小α控制.

3.2 逆變側控制系統

逆變側的控制系統設計需要考慮換相失敗，比整流側復雜.在PSCAD中用一個封裝模塊來表示.如圖11所示.

圖11 逆變器控制結構

GMID與GMIS分別為逆變側上下兩橋的γ角測量值，為了防止熄弧角γ過小導致換相失敗，必須選擇把最小的γ輸入到控制模塊中，同時輸入的還有在逆變側測量的電壓VDCI和電流CMI.輸出的是逆變側的電流指令和逆變側觸發角，在模型中逆

變側電流指令CORDER通過無線傳輸到整流側，觸發角AOI輸入到逆變側12脈動換流橋.

3.2.1 低壓限流環節

模塊的封裝內部結構如圖12所示.輸入的逆變側電壓電流都需經過一階線性濾波環節，需要注意的是電壓值在濾波后需要經過補償.因為在應用低壓限流環節時，模型中輸入的電壓應該是線路中點的電壓，而逆變側電壓低于中點電壓，需要進行電壓補償.如果不采用補償電壓，會使的逆變側過早進入低壓限流環節，導致電流不穩定.在最小值選取環節，有手動設置電流值輸入，可以視為定電流控制.之所以設置低壓限流和定電流控制，為了防止直流輸電線中出現過大電流，避免換流閥受到過熱損害[8].在最小電流值選取出來之后作為整流側定電流指令CORDER被發送到整流器端.其實，上述部分是PSCAD中HVDC模型整流側定電流控制的一部分.

圖12 逆變側控制系統

CMIC，即為逆變側實際測量電流，作為逆變側自身定電流控制的輸入值，與整流側定電流指令CORDER作差，其差值輸入到PI環節來產生觸發角.在產生差值時，整流側定電流值需要減去電流裕度(即為額定電流的10%).

設Ie為直流系統定電流，Ico為整流側電流指定值，Icm為逆變側實際測量值，輸入PI環節的差值為ε，則

ε=Ico-10%Ie-Icm

(4)

因為所有的電流電壓測量量均經過一階線性環節得出標幺值，而以Ie作為基準值時，Ie=1，ε=Ico-Icm-0.1.故在得出Δε=Ico-Icm差值后添加減去0.1的環節.PI輸出環節在上節做解釋，不在贅述.

3.2.2 定γ控制

除了定電流控制之外，還有定γ控制。GMES代表測量的γ值.γ的輸入要取一個周期的最小值，只要當檢測到的最小值滿足大于某一定值時，才能保證不會換相失敗.同理，在定γ控制結構中第一個加減環節，輸入恒定值為0.261 8，換算成角度約為15°，也是為了保證γ的最小值大于15°防止換相失敗.當γ角過大時，會使觸發超前角β過大增加無功功率，所以需要設置限γ幅值環節.輸入恒定值為-0.544.約為31°.加上前面γ最小角15°，所以γ上限約為46°.

在定電流和定γ角控制之間存在輔助控制環節，稱為γ加速控制.當整流側電流指定值與逆變側差值過大時，斜坡傳遞函數會一直輸出飽和數值，加在定γ角控制的加減環節上，促使γ迅速上升.由公式(1)可得

(1)

得出Id迅速上升.

無論在整流側還是逆變側，都是靠調節β角來實現控制，所以定電流和定γ角控制最后都輸出β值.為了使的熄弧角足夠大而不至換相失敗，采用最大輸出環輸出較大的β值，從而得到逆變側的觸發角[9].

4 HVDC仿真控制特性

為了驗證模型控制系統的維持直流系統穩定運行的能力，在逆變側與換流變連接的交流母線端設置AB兩相接地故障.在0.1s時發生故障，持續時間0.05s.總仿真時間為2s.逆變側交流電壓與直流電流的波形分別如圖13和圖14所示.其中，圖中所有的電氣量均取標幺值量，AC Volts(RMS)代表逆變側交流電壓有效值. AC Volts為逆變側交流系統電壓，DC Volts為逆變側直流電壓，DC Current為逆變側直流電流.

圖13 逆變側交流系統電壓波形

圖14 逆變側直流電流波形圖

在1s時，逆變側發生的兩相接地故障使得交流電壓有效值下降，從而導致逆變側直流電壓Vdoi數值的下降。由公式1可知，由于Vdorcosα不變化，使得直流電流迅速上升.為了保護換流閥和防止換相失敗，低壓限流環節(VDCOL)開始動作，電流開始呈現下降趨勢.

4.1 故障過程

對于整流側定電流控制而言，電流指定值Ico受到VDCOL環節限制而降低，以小于1(p·u)電流值作為整定值.同時，為了繼續減小直流電流到低于1(p·u)的整定值，α應開始增大，如圖15所示，驗證定電流控制正確性.

圖15 故障時整流側α角度變化

逆變側短路故障導致電流上升，從而換相重疊角很大，γ角瞬時應該趨于0，如圖16所示.

圖16 γ角取值變化

逆變側此時進行定γ(γ=0)控制.這意味在定γ控制結構中第一個加減環節一直輸入恒定值15°，通過PI環節引起逆變側β角增大，如圖17所示.

圖17 β角取值變化

β增大，從公式(1)分析Vdoicosβ會下降，不利于直流電流增大，但是β增大利于之后熄弧角γ增大預防換相失敗的發生，所以才采取此措施.故障期間，整流側采用定電流控制，逆變側采用定γ控制來恢復電流指定值，但此時電流指定值是經過VDCOL限流環節之后的電流值.

4.2 故障切除

在經過0.05s故障之后，Vdoi值上升到正常值，VDCOL則開始輸出正常的額定直流電流值.整流側開始減少α值調整電流值，逆變側也開始進入定電流控制，系統恢復穩定運行狀態.

5 結束語

采用了PSCAD中CIGRE HVDC模型，設置故障來分析仿真過程中不同控制特性協調應用，得出控制結論。在逆變器交流側發生兩相短路故障過程中，整流側的定電流控制和逆變側的定γ角控制同時控制HVDC系統，由于低壓限流環節，恢復的電流值低于正常運行的直流電流值.在故障切除之后，根據新的電流整定值，整流側和逆變側進行定電流控制.

[1] 張勇軍，陳碧云.高壓直流輸電原理與應用[M].北京:清華大學出版社，2012.

[2] 張歡,劉天琪,李興源.新型多端直流輸電技術研究[J].四川電力技術,2007, 30(6): 1-5.

[3] 鄧廣靜，周威.CIGRE 直流輸電標準模型的建模及控制策略仿真研究[J].江蘇電機工程，2009，28(6):31-33.

[4] 郝婧.基于EMTDC仿真平臺的特高壓直流輸電控制系統建模的研究[D].華北電力大學，2012.

[5] 陶瑜,馬為民,馬玉龍.特高壓直流輸電系統的控制特性[J].保定：電網技術,2006,30(22)：1-4.

[6] 熊凌飛.HVDC換流閥觸發控制模型的研究[D].華北電力大學，2011.

[7] 馬為民.800kV特高壓直流系統換流器控制[J].高電壓技術，2006，32 (9)：71-74.

[8] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[9] Szechtman M,Wess T,Thio C V. A benchmark model for HVDC system studies[C]//AC and DC Power Transmission. London:IET,1991:374-378.