尉 龍, 宋吉江， 孫 磊

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

廣義的講，直流輸電系統(tǒng)的控制包括正常運(yùn)行控制、故障控制、繼電保護(hù)系統(tǒng)、各種開關(guān)操作的控制以及監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等[1].對一個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)而言，控制系統(tǒng)主要包括整流側(cè)控制和逆變側(cè)控制.在研究直流輸電運(yùn)行情況時(shí)，仿真出HVDC的控制系統(tǒng)并加以運(yùn)行是關(guān)鍵.本文利用PSCAD中CIGRE HVDC模型控制系統(tǒng)仿真實(shí)例，來具體說明高壓直流輸電系統(tǒng)的正常控制特性，并著重分析整流側(cè)和逆變側(cè)控制特性之間如何相互配合.

1 CIGRE HVDC模型簡介

CIGRE直流聯(lián)絡(luò)線研究委員會(huì)HVDC系統(tǒng)控制工作組14.02于1991年提出了第一個(gè)用于HVDC控制研究的標(biāo)準(zhǔn)模型。其主要目的是便于用各種計(jì)算機(jī)程序和仿真器在相似的主電路模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同的直流控制設(shè)備和控制策略性能的比較研究.用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型作為研究的基礎(chǔ)，可以反映HVDC控制研究中的主要問題[2],其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)模型

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

在電力系統(tǒng)的暫態(tài)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(cè)和逆變側(cè)的結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3所示，包括換流變和12脈動(dòng)換流器.

圖2 PSCAD中整流側(cè)結(jié)構(gòu)模型

圖3 PSCAD中逆變側(cè)結(jié)構(gòu)模型

2 HVDC控制系統(tǒng)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(tǒng)的接線圖及其等值電路如圖4所示.它表示一個(gè)單極聯(lián)絡(luò)線或雙極聯(lián)絡(luò)線中的一個(gè)極[4].

(a)

(b)圖4 直流輸電系統(tǒng)的接線圖及等效電路圖

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

故從整流側(cè)流向逆變側(cè)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(tǒng)通過控制整流器和逆變器的內(nèi)電勢(Vdor)和(Vdoicosβ)來控制線路上任一點(diǎn)的直流電壓以及線路電流(或功率).

可見，直流系統(tǒng)的調(diào)節(jié)通過兩種手段來實(shí)現(xiàn)[5]：

通過調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)角α或逆變器的觸發(fā)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(shí)間為1～10ms.

還可利用換流變壓器分接頭的帶負(fù)荷切換調(diào)節(jié)換流器的交流電動(dòng)勢，進(jìn)行慢速控制。所需時(shí)間為5～6s.

兩種調(diào)節(jié)手段以互補(bǔ)形式應(yīng)用，其中前者具有快速控制的功能，是直流系統(tǒng)區(qū)別于交流系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn).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(tǒng)承擔(dān)輸送功率的任務(wù)，通常要求按照某種功率指令運(yùn)行.直接控制模式就是整流側(cè)控制電流恒定，逆變側(cè)控制電壓恒定.

因此，理想下整流器運(yùn)行特性是一條垂線，逆變器運(yùn)行特性是一水平線.整流器保持定電流(CC)，逆變器運(yùn)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(cè)與逆變側(cè)聯(lián)合控制特性

觸發(fā)前加在每一個(gè)晶閘管上的正電壓總是供電給該閥觸發(fā)脈沖電能的電源電路，所以觸發(fā)不可能在5o之前發(fā)生.整流器靠改變?chǔ)羴肀３蛛娏?，一旦達(dá)到α最小值，整流側(cè)電壓就不可能升高，而進(jìn)入α=αmin的定觸發(fā)角CIA上[6].如圖6中整流器運(yùn)行曲線.

圖5 理想控制特性

圖6 聯(lián)合控制特性

正常電壓下，CEA與CC特性曲線交于E點(diǎn).當(dāng)整流側(cè)交流電壓降低或逆變側(cè)交流電壓升高時(shí)，整流器α角會(huì)一直減小進(jìn)入最小觸發(fā)角控制.為防止CEA特性與整流器特性沒有相交點(diǎn)而導(dǎo)致整流側(cè)電壓為0，在逆變側(cè)裝設(shè)電流調(diào)節(jié)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(huán)節(jié)與最小觸發(fā)角限制

直流輸電中的控制方式不是單獨(dú)控制方式的應(yīng)用，而是幾種方式的組合.為了維持輸電系統(tǒng)對于穩(wěn)定性要求，除了上述控制方式外，需添加觸發(fā)角限制環(huán)節(jié)與低壓限流環(huán)節(jié).

低壓限流控制(VDCOL)特性是指在某些故障情況下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流電壓低于某一值時(shí)，自動(dòng)降低直流電流調(diào)節(jié)器的整定值，待直流電壓恢復(fù)后，又自動(dòng)恢復(fù)整定值的控制功能.逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障而導(dǎo)致電壓下降時(shí)，由于下述原因，要保持額定直流電流或功率是不可能的：當(dāng)一個(gè)換流器的電壓下降30%左右時(shí)，另一端換流器的無功功率需求將增加，會(huì)對交流系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響；此外，電壓降低時(shí)，換相失敗和電壓不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)也大為增加[7].所以為了限制持續(xù)過電流(短路電流)，在整流側(cè)和逆變側(cè)設(shè)置低壓限流環(huán)節(jié)，在故障時(shí)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(shù).圖7、圖8給出兩種類型的VDCOL.

圖7 作為交流電壓函數(shù)的電流限制圖

圖8 作為直流電壓函數(shù)的電流限制

在換相失敗或直流線路故障時(shí)，逆變器可能切換為整流方式，這將逆轉(zhuǎn)功率輸送方向.為預(yù)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(fā)角限定在大于90°的某個(gè)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(fā)角限制的靜態(tài)伏安特性

3 控制特性在CIGRE HVDC模型中仿真應(yīng)用

3.1 整流側(cè)控制系統(tǒng)

整流側(cè)作用是控制換流器觸發(fā)角，保持電流值不變.模型的整流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示.

系統(tǒng)有兩個(gè)輸入端CMR和逆變器的電流指令，輸出為α.整流側(cè)電流CMR是整流直接輸出測量值，未經(jīng)過大電感平波，需要經(jīng)過一階線性濾波環(huán)節(jié)G/1+sT除去脈動(dòng)，得到直流電流值.與逆變側(cè)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(shí)，Δε增大導(dǎo)致β增大，從而使得觸發(fā)角α減小(α+β=180°).PI環(huán)節(jié)

圖10 整流側(cè)控制系統(tǒng)

中的積分環(huán)節(jié)可以消除靜態(tài)誤差，微分控制環(huán)節(jié)能改善動(dòng)態(tài)特性，除此之外，在PI環(huán)節(jié)中還設(shè)置β的最大輸出為3.054，即175°來限制觸發(fā)角α最小為5°.輸出的觸發(fā)角值輸入到12脈動(dòng)換流器，實(shí)現(xiàn)定電流控制.所以CIGRE HVDC模型整流側(cè)實(shí)現(xiàn)的定電流控制和最小α控制.

3.2 逆變側(cè)控制系統(tǒng)

逆變側(cè)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮換相失敗，比整流側(cè)復(fù)雜.在PSCAD中用一個(gè)封裝模塊來表示.如圖11所示.

圖11 逆變器控制結(jié)構(gòu)

GMID與GMIS分別為逆變側(cè)上下兩橋的γ角測量值，為了防止熄弧角γ過小導(dǎo)致?lián)Q相失敗，必須選擇把最小的γ輸入到控制模塊中，同時(shí)輸入的還有在逆變側(cè)測量的電壓VDCI和電流CMI.輸出的是逆變側(cè)的電流指令和逆變側(cè)觸發(fā)角，在模型中逆

變側(cè)電流指令CORDER通過無線傳輸?shù)秸鱾?cè)，觸發(fā)角AOI輸入到逆變側(cè)12脈動(dòng)換流橋.

3.2.1 低壓限流環(huán)節(jié)

模塊的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示.輸入的逆變側(cè)電壓電流都需經(jīng)過一階線性濾波環(huán)節(jié)，需要注意的是電壓值在濾波后需要經(jīng)過補(bǔ)償.因?yàn)樵趹?yīng)用低壓限流環(huán)節(jié)時(shí)，模型中輸入的電壓應(yīng)該是線路中點(diǎn)的電壓，而逆變側(cè)電壓低于中點(diǎn)電壓，需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償.如果不采用補(bǔ)償電壓，會(huì)使的逆變側(cè)過早進(jìn)入低壓限流環(huán)節(jié)，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定.在最小值選取環(huán)節(jié)，有手動(dòng)設(shè)置電流值輸入，可以視為定電流控制.之所以設(shè)置低壓限流和定電流控制，為了防止直流輸電線中出現(xiàn)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(cè)定電流指令CORDER被發(fā)送到整流器端.其實(shí)，上述部分是PSCAD中HVDC模型整流側(cè)定電流控制的一部分.

圖12 逆變側(cè)控制系統(tǒng)

CMIC，即為逆變側(cè)實(shí)際測量電流，作為逆變側(cè)自身定電流控制的輸入值，與整流側(cè)定電流指令CORDER作差，其差值輸入到PI環(huán)節(jié)來產(chǎn)生觸發(fā)角.在產(chǎn)生差值時(shí)，整流側(cè)定電流值需要減去電流裕度(即為額定電流的10%).

設(shè)Ie為直流系統(tǒng)定電流，Ico為整流側(cè)電流指定值，Icm為逆變側(cè)實(shí)際測量值，輸入PI環(huán)節(jié)的差值為ε，則

ε=Ico-10%Ie-Icm

(4)

因?yàn)樗械碾娏麟妷簻y量量均經(jīng)過一階線性環(huán)節(jié)得出標(biāo)幺值，而以Ie作為基準(zhǔn)值時(shí)，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(huán)節(jié).PI輸出環(huán)節(jié)在上節(jié)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(gè)周期的最小值，只要當(dāng)檢測到的最小值滿足大于某一定值時(shí)，才能保證不會(huì)換相失敗.同理，在定γ控制結(jié)構(gòu)中第一個(gè)加減環(huán)節(jié)，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(dāng)γ角過大時(shí)，會(huì)使觸發(fā)超前角β過大增加無功功率，所以需要設(shè)置限γ幅值環(huán)節(jié).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(huán)節(jié)，稱為γ加速控制.當(dāng)整流側(cè)電流指定值與逆變側(cè)差值過大時(shí)，斜坡傳遞函數(shù)會(huì)一直輸出飽和數(shù)值，加在定γ角控制的加減環(huán)節(jié)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(cè)還是逆變側(cè)，都是靠調(diào)節(jié)β角來實(shí)現(xiàn)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(huán)輸出較大的β值，從而得到逆變側(cè)的觸發(fā)角[9].

4 HVDC仿真控制特性

為了驗(yàn)證模型控制系統(tǒng)的維持直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，在逆變側(cè)與換流變連接的交流母線端設(shè)置AB兩相接地故障.在0.1s時(shí)發(fā)生故障，持續(xù)時(shí)間0.05s.總仿真時(shí)間為2s.逆變側(cè)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(biāo)幺值量，AC Volts(RMS)代表逆變側(cè)交流電壓有效值. AC Volts為逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓，DC Volts為逆變側(cè)直流電壓，DC Current為逆變側(cè)直流電流.

圖13 逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓波形

圖14 逆變側(cè)直流電流波形圖

在1s時(shí)，逆變側(cè)發(fā)生的兩相接地故障使得交流電壓有效值下降，從而導(dǎo)致逆變側(cè)直流電壓Vdoi數(shù)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(hù)換流閥和防止換相失敗，低壓限流環(huán)節(jié)(VDCOL)開始動(dòng)作，電流開始呈現(xiàn)下降趨勢.

4.1 故障過程

對于整流側(cè)定電流控制而言，電流指定值Ico受到VDCOL環(huán)節(jié)限制而降低，以小于1(p·u)電流值作為整定值.同時(shí)，為了繼續(xù)減小直流電流到低于1(p·u)的整定值，α應(yīng)開始增大，如圖15所示，驗(yàn)證定電流控制正確性.

圖15 故障時(shí)整流側(cè)α角度變化

逆變側(cè)短路故障導(dǎo)致電流上升，從而換相重疊角很大，γ角瞬時(shí)應(yīng)該趨于0，如圖16所示.

圖16 γ角取值變化

逆變側(cè)此時(shí)進(jìn)行定γ(γ=0)控制.這意味在定γ控制結(jié)構(gòu)中第一個(gè)加減環(huán)節(jié)一直輸入恒定值15°，通過PI環(huán)節(jié)引起逆變側(cè)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(huì)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(yù)防換相失敗的發(fā)生，所以才采取此措施.故障期間，整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定γ控制來恢復(fù)電流指定值，但此時(shí)電流指定值是經(jīng)過VDCOL限流環(huán)節(jié)之后的電流值.

4.2 故障切除

在經(jīng)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(cè)開始減少α值調(diào)整電流值，逆變側(cè)也開始進(jìn)入定電流控制，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

5 結(jié)束語

采用了PSCAD中CIGRE HVDC模型，設(shè)置故障來分析仿真過程中不同控制特性協(xié)調(diào)應(yīng)用，得出控制結(jié)論。在逆變器交流側(cè)發(fā)生兩相短路故障過程中，整流側(cè)的定電流控制和逆變側(cè)的定γ角控制同時(shí)控制HVDC系統(tǒng)，由于低壓限流環(huán)節(jié)，恢復(fù)的電流值低于正常運(yùn)行的直流電流值.在故障切除之后，根據(jù)新的電流整定值，整流側(cè)和逆變側(cè)進(jìn)行定電流控制.

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