UHVDC高端換流變閥側電壓PCOV的一種數字仿真模型

錢珞江，李高望, 李存軍

(1.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072；2. 國網北京經濟技術研究院，北京市 102209； 3.舟山市質量技術監督檢測研究院，浙江省舟山市 316000)

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UHVDC高端換流變閥側電壓PCOV的一種數字仿真模型

錢珞江1，李高望2, 李存軍3

(1.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072；2. 國網北京經濟技術研究院，北京市 102209； 3.舟山市質量技術監督檢測研究院，浙江省舟山市 316000)

高端換流變閥側電壓的持續運行最大峰值(peak value of the continuous operating voltage，PCOV)是特高壓直流換流站直流避雷器參數設計和絕緣配合方案評估的一個重要數據。利用RTDS的非實時運算功能，本著尊重實際工程事實的原則及突出關鍵點、保留關聯點和等效次要點的基本方式，通過采用自定義閥元件模型、低端換流器等效為可調直流源、控制系統依運行特性最簡化等建模技術，建立了一種能夠模擬換相過沖暫態過程、計算高端換流變閥側電壓PCOV的數字仿真高頻模型，并且以向家壩—上海800 kV直流輸電工程為實例，從不同運行工況和不同設備參數的角度對模型準確性和可用性進行了分析和驗證。

高端換流變閥側電壓；持續運行最大峰值；直流避雷器；換相過沖；數字仿真模型

0 引 言

包括換相過沖的持續運行電壓峰值 (peak value of the continuous operating voltage，PCOV)是決定換流站直流避雷器參數的一個基本運行變量[1-2]。而對于雙12脈動換流器串聯結構的特高壓直流輸電系統來說，高端換流變閥側繞組對地電壓PCOV又具有特殊重要意義，因其涉及到換流閥和換流變這2種主要設備最高電位點避雷器配置方案的安全性、經濟性、可行性等多方面指標的評估與優化[3]。

從物理機理的角度分析，包括換流變閥側繞組對地電壓在內的換流站直流側各節點間電壓PCOV均為閥電壓周期性換相暫態峰值的電磁耦合或分壓，因此，準確模擬換流閥的換相過程是用數字仿真建模手段定量計算換流變閥側電壓PCOV的關鍵。

換流器換相過程及其PCOV與換流站設備參數及系統運行工況密切相關。本文采用實時數字仿真器(real time digital simulator，RTDS)的非實時運算功能[4]并以向家壩—上海800 kV直流輸電工程主回路結構/參數為實例，首先建立一次系統等效電路模型，系統模型為微秒級離散步長的高頻模型；其次根據CIGRE Benchmark仿真測試標準建立系統控制模型；最后基于多工況仿真實驗結果的分析校驗模型的可用性。

1 一次系統及其RTDS高頻模型

不失普遍適用性，本文僅針對整流側(即復龍換流站)[5]。遵循PCOV定義和研究目標，一次系統RTDS建模及元件模型參數圍繞下述運行工況進行等效設計。

(1)理想空載直流電壓為計及測量誤差的Udi0最大限值Udi0absmax=237.6 kV；

(2)直流極電壓Ud取最大設計值Udmax=809 kV且在不同傳輸功率下保持不變；

(3)工況變量點火角α、換相角μ與直流電流Id的對應關系符合以下6脈動整流器運行特性[6]：

(1)

式中：dx為每相的換相電抗；下標“N”代表相應變量的額定值。

由于上述工況僅存在于理論上，嚴格按實際系統結構及其控制建立完整模型是得不出其仿真的，因此，需要在突出重點的基礎上對一次主回路和控制系統大幅度簡化。

顯然，相應于本文研究目標的重點部分為整流站高端12脈動整流器，結合控制模型的處理，簡化的RTDS一次系統模型如圖1所示。

圖1 一次系統等效模型

圖1所示一次系統模型為單極模型且整流站和逆變站的低端12脈動換流器均由直流電壓源等效(在平波電抗分置條件下2個串聯12脈動換流器的中點母線電壓可合理地認為是純直流電壓[7])。一次系統的這種模型結構簡化等效可使控制模型省略極間和換流器間平衡功能，只需一套最簡單的HVDC控制模型即可。

另外，該一次系統模型還具有以下特點：

(1)交流系統以內阻為0的恒壓源等效配以固定變比的換流變(省略變壓器自動調檔)，使高端換流器Udi0恒定于Udi0absmax，以滿足上述理論工況(1)；

(2)高端12脈動換流器Ud和低端12脈動換流器等效直流源電壓不必嚴格相同且不用擔心其差異會導致高頻離散模型的數值發散；

(3)模擬低端12脈動換流器的等效直流源電壓可調，使高端12脈動換流器各工況變量滿足理論工況(3)的同時，整流站直流電壓滿足理論工況(2)，即Ud=809 kV(整流站等效直流源電壓恒為404.5 kV)；

(4)整流站高端12脈動換流器采用自定義的真實閥元件詳細模型構建，而不像逆變站那樣采用RTDS元件庫中現成閥組模型，這是因為除了使換流變閥側電壓具有可測性外，主要是為了掌握設備參數對PCOV值的影響；

(5)影響PCOV的設備參數由式(2)定義：

(2)

式中：L為每相的換相電感dx/ω；R、C為換流閥內部阻容回路參數。

經過以上簡化處理，RTDS系統模型的非實時運算步長可設為微秒級，達到計算PCOV的高頻模型標準。并且與PSCAD軟件相比，由于不受仿真周期限制，各種工況的轉換和持續均可在線進行，因而仿真運算更具直觀生動性。

2 控制系統RTDS模型

系統仿真控制模型采用最簡單的CIGRE Benchmark標準模型，其基本策略為整流側定電流、逆變側定熄弧角。

相應的RTDS控制模型如圖2所示。

圖2 控制系統模型

由圖2可見，整流側通過調節直流電流指令值實現系統運行工況的控制；而逆變側換流器的熄弧角定于17°。逆變側模擬低端12脈動換流器的等效直流源電壓根據式(3)調節：

Ud低=809-id·Rdc-Ud高

(3)

式中：Ud高為高端12脈動換流器電壓；id為直流電流；Rdc為輸電線路電阻。

3 實例仿真

對應于整流側Udi0=237.6 kV和變壓器變比，交流系統線電壓折算至閥側的峰值Em=248.81 kV，即為閥電壓的不計換相暫態的持續運行電壓峰值(crest value of the continuous operating voltage, CCOV)值。

換流變壓器每相的換相電感L=9.417 mH，換流閥內部阻容回路參數R=2 160 Ω、C=0.026 7 μF，故由式(2)得λ=0.075 6。

模型的工程適用性可通過仿真實例從兩方面得以校驗：一是在保持整流側直流電壓在809 kV不變的情形下在線改變直流電流指令，以計算不同運行工況時的PCOV值；二是改變閥阻容回路參數λ值以定量分析設備參數對PCOV的影響。仿真工況取直流電流Id=0.1，0.25，0.5，0.75，1.0 pu這5種運行狀態；而設備參數λ除了取實際數據0.075 6外，還增設最大極限值λ=1作為分析比較的參考。

設置仿真運算步長Δt=2.5 μs，得出高端換流變閥側對地電壓波形及其PCOV值如圖3所示。

圖3 高端換流變閥側電壓波形及其PCOV仿真結果

由圖3可見，高端換流變閥側對地電壓的PCOV值隨傳輸功率(即直流電流Id)或設備參數λ的增大而增大。分別依縱向和橫向比較圖中每個波形可發現工況Id和設備參數λ對PCOV影響機理是不同的：λ一定時，不同Id工況下電壓的高頻過沖分量都相同，Id主要通過換相發生時刻(即不同的α、μ角度)影響PCOV；而Id一定時，不同λ的電壓基本波形相同，區別在于高頻過沖分量。

鑒于閥內部阻容回路RC參數對PCOV影響較大，理論上可在閥設備制造環節通過增大R或C的方法來減小λ，從而降低PCOV；但實際上R和C的增大會使閥內部功耗和發熱增加[8-9]，因此需考慮閥設備工藝因素綜合權衡降低PCOV的技術經濟性。

向—上工程實際系統中高端換流變閥側過電壓保護避雷器配置采用的是2個避雷器串聯方案[10]：高端12脈動換流器中間母線避雷器M2+閥間避雷器V1。其CCOV和PCOV參數分別如下：M2：CCOV為695.1 kV，PCOV為737.3 kV；V1：CCOV為248.1 kV，PCOV為290.3 kV。

很明顯，等效的PCOV為M2的CCOV加上V3的PCOV，即PCOVM2+V1=CCOVM2+PCOVV1=985.4 kV。

該值高出本文模型Id=1 pu、λ=1的計算值約7%，說明向—上工程設計中避雷器PCOV參數取值是按額定電流工況和極限設備參數考慮的，并留有一定的安全裕度。

4 結 論

利用RTDS非實時小步長功能建立的UHVDC系統簡化模型能夠精確模擬換流器換相過程中的高頻暫態過沖現象，可靈活、便捷地用于計算高端換流變閥側對地電壓PCOV值并全面分析掌握PCOV與系統運行工況和設備參數間的復雜關系。模型的可用性經過了基于向—上工程實際結構參數所建仿真算例的校驗。

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(編輯：劉文瑩)

A PCOV Digital Simulation Model of HV Transformer Valve Side Voltage in UHVDC System

QIAN Luojiang1, LI Gaowang2, LI Cunjun3

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 3.Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316000, Zhejiang Province, China)

The peak value of continuous operating voltage (PCOV) of HV transformer valve side voltage is an important data for the design of DC arrester parameters and the evaluation of insulation coordination scheme in UHVDC converter stations. Utilizing non real time operation functions of RTDS (real time digital simulator), in respect of the principle of the actual engineering facts, as well as to highlighting the key points, retain the related points and get equivalent of no significant points, this paper established a digital simulation high-frequency model which could simulate commutation overshoot transient process and calculate the PCOV of HV transformer valve side voltage with using multiple modeling techniques such as user-define valve component, adjustable DC voltage source equivalent for LV converter, the most simplification for control system according to the operating characteristics and so on. Taking Xiangjiaba-Shanghai ±800 kV UHVDC transmission project as an example, the accuracy and availability of the model were analyzed and verified from aspects of different operating conditions and equipment parameters.

HV transformer valve side voltage; peak value of continuous operating voltage (PCOV); DC arresters; commutation overshoot; digital simulation model

國家電網公司科技項目(多換流器并聯特高壓直流輸電工程的關鍵技術研究)。

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0069-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.011

2015-06-19

2015-07-28

錢珞江(1961)，男，博士，副教授，主要從事電力系統運行與控制、電力系統仿真技術等方面的研究；

李高望(1985)，男，博士，工程師，通信作者，主要從事直流輸電系統過電壓與絕緣配合方面的研究;

李存軍(1966)，男，高級工程師，主要從事設備技術檢測管理方面的工作。