劉 磊，林 圣，何正友

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

Δφ=αo-αPCO+30°

tf=tf1+Δt

基于PSCAD/EMTDC的HVDC換流器觸發(fā)控制建模仿真

劉 磊，林 圣，何正友

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為準(zhǔn)確分析高壓直流輸電(HVDC)的動(dòng)態(tài)行為，針對(duì)PSCAD/EMTDC軟件自帶的換流器元件全封裝導(dǎo)致仿真靈活性降低的問題，搭建了較詳細(xì)的換流器觸發(fā)控制模型。以自定義元件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了目前工程廣泛采用的等相位間隔觸發(fā)控制。仿真分析了控制環(huán)節(jié)的響應(yīng)特性，并將觸發(fā)控制模型引入HVDC系統(tǒng)模型，對(duì)比仿真結(jié)果與工程實(shí)際錄波，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。

HVDC；換流器觸發(fā)控制；等相位間隔；PSCAD/EMTDC；建模仿真

0 引 言

高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)以其在遠(yuǎn)距離、大容量輸電和區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)在中國(guó)電力格局中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位[1-3]。準(zhǔn)確的HVDC電磁暫態(tài)模型對(duì)研究其動(dòng)態(tài)行為、分析故障特性和研究交直流相互影響具有重要意義[4]。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(International Council on Large Electric systems，CIGRE)基于PSCAD/EMTDC軟件搭建的基準(zhǔn)模型(Benchmark)提供了較完善的模型庫(kù)和控制方法，但對(duì)換流器觸發(fā)控制部分采用了全封裝形式，用戶只能定義部分輸入?yún)?shù)，查看部分輸出變量，無(wú)法了解內(nèi)部具體的控制方式，更不能手動(dòng)調(diào)整[5]。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)的換流器觸發(fā)控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)改變時(shí)，模型就不再滿足仿真需求。

目前關(guān)于HVDC控制系統(tǒng)的建模仿真已經(jīng)有許多分析和探索[6-9]，但對(duì)換流器觸發(fā)控制進(jìn)行詳

細(xì)建模的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[10]介紹了鎖相環(huán)、相控振蕩器的實(shí)現(xiàn)方法，但未提出整體模型框架。文獻(xiàn)[11]建立了基于ABB實(shí)際控制器的簡(jiǎn)化模型，但其模擬逆變側(cè)故障時(shí)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線有較大誤差。

下面分析了等相位間隔觸發(fā)控制的基本原理及關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法，并在PSCAD/EMTDC軟件中自定義了相關(guān)元件，搭建了完整的換流器觸發(fā)控制模型?？刂骗h(huán)節(jié)及整體模型的仿真結(jié)果都驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

1 基本控制原理

換流器觸發(fā)控制是HVDC系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，將觸發(fā)角指令轉(zhuǎn)化為觸發(fā)脈沖，控制各個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)刻。采用的等相位間隔觸發(fā)控制以保證各觸發(fā)脈沖間相位間隔相等為控制目標(biāo)，其基本原理[12-15]如下：

1)在確定某個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)刻時(shí)，利用上兩個(gè)閥的觸發(fā)信息對(duì)觸發(fā)角指令進(jìn)行等距性修正和換相電壓同步修正，得到角度反饋量αPCO。

αPCO=Δα+(1-k)αPCO-1+kαPLL

(1)

Δα=Δφ-1-30°

(2)

式(1)中：Δα為等距性修正量；k為鎖相環(huán)的影響因子(一般取0.05)；αPCO-1對(duì)應(yīng)上次觸發(fā)閥;αPLL為根據(jù)鎖相相位實(shí)測(cè)的觸發(fā)角。式(2)中，Δφ-1是上兩個(gè)閥觸發(fā)脈沖的實(shí)測(cè)相位間隔。

2)根據(jù)觸發(fā)角指令αo和αPCO確定當(dāng)前閥觸發(fā)時(shí)間間隔指令Δt。

Δφ=αo-αPCO+30°

(3)

(4)

3)以上個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)刻tf1為時(shí)間起點(diǎn)，確定當(dāng)前閥的觸發(fā)時(shí)刻tf。

tf=tf1+Δt

(5)

以12脈動(dòng)換流器為例，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)Δφ保持30°不變，αo-αPCO=0。

若觸發(fā)角指令發(fā)生變化αo-αPCO≠0。由式(1)～式(3)可知，對(duì)于當(dāng)前閥Δφ≠30°，但在等距性修正的作用下，下個(gè)閥觸發(fā)時(shí)Δφ仍可恢復(fù)至30°。

若交流電壓相位發(fā)生變化，αPLL≠αPCO。由式(1)～式(3)可知，在等距性修正和換相電壓同步修正的共同作用下，αPLL與αPCO逐漸趨于相等，即觸發(fā)脈沖緩慢跟蹤相位變化，且盡可能保證Δφ為30°。

2 元件設(shè)計(jì)與模型結(jié)構(gòu)

2.1 自定義元件設(shè)計(jì)

建模重點(diǎn)在于觸發(fā)時(shí)刻信息的采集、αpLL的測(cè)量、脈沖產(chǎn)生邏輯的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于以上功能，PSCAD/EMTDC軟件均未提供相應(yīng)的元件或組件，需自行設(shè)計(jì)。

2.1.1 觸發(fā)時(shí)刻寄存元件

圖1 觸發(fā)時(shí)刻寄存元件外觀圖

為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，用上兩個(gè)閥的實(shí)測(cè)觸發(fā)間隔進(jìn)行等距性修正，用上個(gè)閥的實(shí)測(cè)觸發(fā)角進(jìn)行換相電壓同步修正。觸發(fā)時(shí)刻寄存元件保證計(jì)算當(dāng)前閥的觸發(fā)時(shí)刻時(shí)，上兩個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)刻信息未丟失。外觀圖如圖1 所示。

引腳定義情況如表1所示。

表1 觸發(fā)時(shí)刻寄存元件引腳定義

實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示，圖中tf i表示此前第i個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)刻，利用EMTDC提供的兩個(gè)存儲(chǔ)單元專門存儲(chǔ)tf1和tf2，Si表示此前第i個(gè)閥觸發(fā)后兩個(gè)存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容。

圖2 觸發(fā)時(shí)刻寄存元件實(shí)現(xiàn)原理

每個(gè)仿真步長(zhǎng)都判斷是否有新的脈沖到達(dá)，若是，則從當(dāng)前時(shí)刻開始，新到達(dá)的脈沖變?yōu)椤吧蟼€(gè)閥觸發(fā)脈沖”，此前所認(rèn)為的“上個(gè)閥觸發(fā)脈沖”變?yōu)椤吧仙蟼€(gè)閥觸發(fā)脈沖”，故用tf1更新tf2，并用新脈沖到達(dá)時(shí)刻更新tf1；否則不做更新。由圖2可知，從時(shí)間軸上任意一點(diǎn)來(lái)看，兩個(gè)存儲(chǔ)單元里均為此前兩個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)刻數(shù)據(jù)。

由于仿真步長(zhǎng)很小(10 μs)，可及時(shí)捕捉到脈沖并判斷是否更新。

2.1.2 換相電壓過(guò)零時(shí)刻計(jì)算元件

根據(jù)各閥對(duì)應(yīng)換相電壓的鎖相相位可判斷其過(guò)零時(shí)刻，以求得準(zhǔn)確的αpLL。元件外觀圖如圖3所示。

引腳定義情況如表2所示。

實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示，對(duì)A、B、C三相交流電壓相位的正弦、余弦分別鎖相，可得到6個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)相位

表2 換相電壓過(guò)零時(shí)刻計(jì)算元件引腳定義

相差60°的斜坡信號(hào)，其值均在0°～360°變化。分別檢測(cè)各斜坡信號(hào)的過(guò)零時(shí)刻和值為180°時(shí)刻，可得12個(gè)換流閥分別對(duì)應(yīng)的換相電壓過(guò)零時(shí)刻。任何時(shí)刻只需輸出本次觸發(fā)閥最近一次換相電壓過(guò)零時(shí)刻。

圖4 換相電壓過(guò)零時(shí)刻計(jì)算元件實(shí)現(xiàn)原理

PLL鎖相環(huán)采用PSCAD/EMTDC軟件自帶元件。過(guò)零時(shí)刻檢測(cè)思路與2.1.1類似，利用12個(gè)存儲(chǔ)單元分別寄存12個(gè)閥對(duì)應(yīng)的換相電壓過(guò)零時(shí)刻，以斜坡信號(hào)幅值大小為更新條件。閥號(hào)與換相電壓過(guò)零點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示，負(fù)號(hào)表示波形的負(fù)過(guò)零點(diǎn)。

表3 閥號(hào)與換相電壓過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1.3 脈沖產(chǎn)生元件

元件利用觸發(fā)間隔信號(hào)得到控制脈沖，再轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖分配給各閥。外觀圖如圖5所示。

圖5 脈沖產(chǎn)生元件外觀圖

引腳定義情況如表4所示?？刂泼}沖產(chǎn)生原理如圖6所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)相鄰觸發(fā)脈沖Δφ=30°，

表4 脈沖產(chǎn)生元件引腳定義

圖中對(duì)應(yīng)線1。暫態(tài)時(shí)在系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用下，Δφ可能在30°附近波動(dòng)，圖中對(duì)應(yīng)線2。在每一個(gè)仿真步長(zhǎng)判斷當(dāng)前相位與最近一次觸發(fā)相位的差Δφnow是否≥Δφ，若是則立即產(chǎn)生一個(gè)控制脈沖，并更新Δφnow。如此循環(huán)，可以得到滿足觸發(fā)間隔要求的脈沖序列。

圖6 控制脈沖產(chǎn)生原理

將控制脈沖轉(zhuǎn)換為12個(gè)觸發(fā)脈沖對(duì)應(yīng)各閥，原理如圖7所示。圖中Pre_v為上次觸發(fā)閥號(hào)，Next_v為待觸發(fā)閥號(hào)，Pi為i閥的觸發(fā)信號(hào)。閥選擇邏輯可根據(jù)Pre_v得到Next_v。采樣保持器每到達(dá)一個(gè)控制脈沖，Next_v通過(guò)采樣保持器成為Pre_v，此時(shí)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊立即將Pre_v變?yōu)楦唠娖?，持續(xù)120°；同時(shí)閥選擇邏輯計(jì)算出新的Next_v。如此循環(huán)，最終產(chǎn)生的12個(gè)觸發(fā)脈沖同時(shí)滿足觸發(fā)順序和觸發(fā)間隔要求。

圖7 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生原理

2.2 模型結(jié)構(gòu)

模型整體結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

用來(lái)自極控系統(tǒng)的αo和來(lái)自相控振蕩器的αPCO計(jì)算Δt，并根據(jù)不同工況設(shè)置限幅，以滿足直流系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的相關(guān)特性要求。Δt經(jīng)過(guò)脈沖產(chǎn)生元件后，得到作用于換流器的觸發(fā)脈沖及用于計(jì)算反饋量的控制脈沖。時(shí)刻寄存元件將控制脈沖轉(zhuǎn)化為兩個(gè)時(shí)間量，相控振蕩器結(jié)合αPLL、Δφ-1和上個(gè)計(jì)算周期的αPCO得到新的αPCO，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖8 模型結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，仿真分析重要控制環(huán)節(jié)的響應(yīng)特性，并將引入所建模型的直流系統(tǒng)模型仿真結(jié)果與工程實(shí)際錄波對(duì)比。

以靈州—紹興±800 kV直流工程一次參數(shù)為基礎(chǔ)，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建直流測(cè)試系統(tǒng)模型如圖9所示。AC_1、AC_2分別為整流側(cè)、逆變側(cè)交流系統(tǒng)，用電壓源串聯(lián)阻抗的戴維南等值電路代替，ACF為交流濾波器，DCF為直流濾波器。控制系統(tǒng)中主控、極控模型根據(jù)測(cè)試需求，在實(shí)際控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，未考慮變壓器分接頭控制、順序控制等動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)的控制功能，換流器觸發(fā)控制采用所建模型。

圖9 直流測(cè)試系統(tǒng)

3.1 換流器觸發(fā)控制環(huán)節(jié)響應(yīng)特性

模擬整流側(cè)交流母線在0.6 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，持續(xù)0.05 s。

αPCO與αo仿真波形如圖10所示。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)二者基本擬合，觸發(fā)脈沖等相位間隔；故障期間，αo下降至5°，但交流電壓的異常導(dǎo)致αPLL計(jì)算錯(cuò)誤，進(jìn)而影響αPCO使其劇烈變化；故障恢復(fù)后，αo被整流側(cè)最小觸發(fā)角控制器限制在30°，一段時(shí)間后逐漸恢復(fù)為15°，在此期間交流電壓正常，觸發(fā)模型的負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用使αPCO能快速跟蹤αo，保持等相位間隔觸發(fā)。

圖10 整流側(cè)三相故障αPCO與αo仿真波形對(duì)比

脈沖產(chǎn)生元件的輸入與輸出控制脈沖波形如圖11所示。故障期間，在αPCO、αo及限幅邏輯的共同作用下，Δt由1.64 ms下降至1.10 ms。在此暫態(tài)過(guò)程中，控制脈沖的實(shí)測(cè)間隔總與Δt保持一致。

圖11 觸發(fā)間隔與控制脈沖仿真波形

3.2 模型整體仿真驗(yàn)證

模擬逆變側(cè)交流母線在0.6 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，持續(xù)0.05 s。對(duì)比相同故障條件下仿真波形與靈州—紹興直流系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)實(shí)測(cè)波形，結(jié)果如圖12所示。

故障時(shí)，逆變側(cè)發(fā)生換相失敗，直流電壓迅速降低，直流電流增大。整流側(cè)在定電流控制作用下，觸發(fā)角增大，電壓減小，抑制電流增大。故障消除后，逆變側(cè)電壓恢復(fù)，各物理量恢復(fù)正常?？梢钥闯?，仿真得到的直流電流、直流電壓及觸發(fā)角變化趨勢(shì)基本準(zhǔn)確。系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中仿真結(jié)果與實(shí)際有一定差別(仿真整流側(cè)一直保持定電流控制，而實(shí)際有0.1 s左右為定最小觸發(fā)角控制)，其原因是極控系統(tǒng)模型調(diào)節(jié)功能、控制參數(shù)等無(wú)法與實(shí)際完全一致，導(dǎo)致暫態(tài)過(guò)程中整流側(cè)控制模式切換有差異。

4 結(jié) 論

1)基于PSCAD/EMTDC軟件自定義了等相位間隔觸發(fā)控制所需控制元件，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了HVDC換流器觸發(fā)控制整體模型結(jié)構(gòu)，提高了建模仿真靈活性。

(1)整流側(cè)直流電壓

(2)逆變側(cè)直流電壓

(3)直流電流

(4)

2)各控制環(huán)節(jié)響應(yīng)特性與理論相符，模型可實(shí)現(xiàn)等相位間隔觸發(fā)，且觸發(fā)間隔信號(hào)可精確轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。

3)采用所提觸發(fā)控制模型的直流輸電系統(tǒng)模型仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本一致，驗(yàn)證了所提模型的準(zhǔn)確性及可行性。

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In order to accurately analyze the dynamic behavior of high voltage direct current (HVDC) and solve the problem that the full package of converter components in PSCAD/EMTDC software reduces the flexibility of simulation, a detailed converter firing control model is established. Based on custom component, the control of evenly spacing in phase which is widely adopted by actual HVDC transmission project is implemented in the firing control. The response characteristics of the control aspects are analyzed. The converter firing control is applied to HVDC model, and the simulation results are compared with the recorded field commissioning curves of HVDC transmission project. The comparison results show that the accuracy of the proposed control model is satisfied.

HVDC; converter firing control; evenly spacing in phase; PSCAD/EMTDC; modeling and simulation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307145)

TM771

A

1003-6954(2017)01-0014-05

2016-10-27)

劉 磊(1993)，博士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娍刂婆c保護(hù)。