模塊化多電平柔性直流輸電數(shù)字-模擬混合實(shí)時(shí)仿真技術(shù)

劉 棟，湯廣福，賀之淵，趙 巖，龐 輝

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

基于電壓源換流器的柔性直流輸電（VSCHVDC）系統(tǒng)具有可向孤島供電、不會(huì)出現(xiàn)換相失敗、提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力、能夠靈活控制輸出功率等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。近年來(lái)，隨著可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展及模塊化多電平換流器（MMC）技術(shù)在柔性直流輸電中的應(yīng)用，其工程應(yīng)用數(shù)量和規(guī)模在世界范圍內(nèi)得到了極大的增長(zhǎng)，未來(lái)可能形成柔性直流與超高壓甚至特高壓常規(guī)直流和交流系統(tǒng)同步構(gòu)架運(yùn)行的格局。在這樣復(fù)雜的系統(tǒng)下，需要對(duì)柔性直流輸電的系統(tǒng)構(gòu)架、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面分析，尤其是對(duì)工程的控制保護(hù)系統(tǒng)控制策略和硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，以充分滿足大電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的要求。

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)超高壓系統(tǒng)的在線仿真研究［3］，這類(lèi)數(shù)字仿真系統(tǒng)硬件通常采用基于共享存儲(chǔ)器的多CPU并行計(jì)算機(jī)，核心程序包含豐富的電力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)元器件模型［4-5］。以RTDS為例，其仿真步長(zhǎng)為20～70 μs，包含的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件能將PSS/E和EMTDC格式的數(shù)據(jù)和模型轉(zhuǎn)化為PSCAD格式，可實(shí)時(shí)仿真大型交直流混合系統(tǒng)的電磁和機(jī)電暫態(tài)現(xiàn)象。

但對(duì)基于MMC的柔性直流輸電（MMC-HVDC）系統(tǒng)而言，由于其換流器由數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)獨(dú)立控制的電壓源子模塊組成，在運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)子模塊的投切都是隨機(jī)的，難以對(duì)其出口特性進(jìn)行等值［6-9］，且求解等值網(wǎng)絡(luò)變量的導(dǎo)納矩陣規(guī)模過(guò)大，難以保證精度［10-11］。此外，換流器每個(gè)子模塊與閥基控制器VBC（Valve Based Controller）之間通過(guò)獨(dú)立的光纖進(jìn)行通信，信道多、數(shù)據(jù)量大，難以通過(guò)現(xiàn)有的仿真接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此需要開(kāi)發(fā)新的仿真系統(tǒng)。

在此背景下，本文開(kāi)展了MMC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)?；旌鲜綄?shí)時(shí)仿真平臺(tái)的研究。該系統(tǒng)可用于精確驗(yàn)證具有較多電平數(shù)（40以上）換流閥的MMC-HVDC系統(tǒng)及控制保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)，從而檢驗(yàn)工程的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、控制器性能和交直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。平臺(tái)主要由物理模擬的換流站設(shè)備模型（包括換流變壓器、交直流開(kāi)關(guān)場(chǎng)、49電平電壓源換流器、交直流線路）、數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)、數(shù)模接口、VBC等組成［12］。目前該系統(tǒng)已完成對(duì)上海南匯風(fēng)電場(chǎng)20 MW柔性直流送出工程閥控和站控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果直接用于工程控制器的修正。

1 MMC的主電路結(jié)構(gòu)

圖1為雙端MMC-HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。換流站設(shè)備由變壓器、換流電抗器、49電平換流器、直流接地裝置和直流電纜等部分組成。當(dāng)換流器輸出電平數(shù)高于29時(shí)，交流系統(tǒng)一般不需要濾波器。換流站與交流系統(tǒng)聯(lián)結(jié)處的母線稱(chēng)為PCC母線。

與基于IGBT串聯(lián)閥的兩電平或三電平換流器相比，MMC結(jié)構(gòu)使換流器開(kāi)關(guān)狀態(tài)增加，且相間存在儲(chǔ)能元件導(dǎo)致相間故障特性和環(huán)流特性更復(fù)雜［13-15］，但避開(kāi)了IGBT串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓控制的難點(diǎn)。MMC主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 兩端MMC-HVDC系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical structure of bipolar MMC-HVDC

圖2 MMC主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Main circuit of MMC

圖2（a）中，L為橋臂電抗的電感；R為變壓器、電抗和橋臂損耗的等效電阻；i=a，b，c；則 usi和 isi分別為系統(tǒng)側(cè)相電壓和電流值；ui為換流器交流側(cè)出口電壓；ui1和ui2分別為換流器各相上、下橋臂輸出電壓；ii1和 ii2為上、下橋臂電流；分別為直流側(cè)正、負(fù)極對(duì)地電壓。分析圖 2（b）中子模塊，令 Sik1、Sik2（i=a，b，c；k=1，…，n）分別為各相上、下橋臂第 k 個(gè)子模塊開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在一個(gè)工作周期內(nèi)其取值如式（1）所示。

按圖2（b）所示參考方向，可知各相上、下橋臂子模塊電容電壓分別為：

uCik1、uCik2分別為對(duì)應(yīng)子模塊電容電壓幅值，其積分形式為：

在式（4）、（5）中，Sik1、Sik2的取值由 MMC 的調(diào)制算法求出；分別為變流器上、下橋臂子模塊t=0時(shí)刻的電容電壓。

2 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)工作原理及結(jié)構(gòu)

2.1 仿真平臺(tái)的試驗(yàn)對(duì)象

為研究MMC-HVDC及其相連風(fēng)電場(chǎng)和交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，需要進(jìn)行如下試驗(yàn)。

a.對(duì)直流系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下的基本啟停流程和保護(hù)動(dòng)作邏輯進(jìn)行試驗(yàn)。

b.控制策略驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化研究。對(duì)直流系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下的內(nèi)外環(huán)控制策略進(jìn)行試驗(yàn)研究，包括電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)控制器的響應(yīng)速度、魯棒性、非線性因素（如測(cè)量和計(jì)算延遲、開(kāi)關(guān)死區(qū)的影響）以及控制系統(tǒng)的相角和增益裕量等。

c.交直流系統(tǒng)的相互影響研究。對(duì)發(fā)生典型故障時(shí)交直流系統(tǒng)相互影響進(jìn)行研究，主要包括驗(yàn)證低電壓穿越能力、模擬直流單極接地、直流線路雙極短路、換流器閥間閃絡(luò)、電抗器交流側(cè)短路等。

d.對(duì)換流器VBC的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性、主冗切換邏輯等進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 物理仿真部分

換流器中各種均壓均流算法的投入，使得第1節(jié)中每個(gè)子模塊的Sik1和Sik2都是獨(dú)立的。每個(gè)子模塊還需要上報(bào)電容電壓、IGBT/晶閘管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和器件溫度，接收VBC發(fā)出的開(kāi)關(guān)指令，這些狀態(tài)完全獨(dú)立，需要占用大量通信字寬和CPU進(jìn)程，因此現(xiàn)有的數(shù)字仿真平臺(tái)均無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

為此采用物理方式構(gòu)建低壓49電平MMC，完成對(duì)VBC和直流極控制保護(hù)（PCP）的實(shí)體試驗(yàn)。其中，PCP完成測(cè)量、功率控制指令計(jì)算和MMC電壓參考波生成；VBC負(fù)責(zé)接收PCP的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCP下發(fā)參考波的調(diào)制，進(jìn)行換流閥的電壓電流平衡控制，將閥狀態(tài)上報(bào)給PCP。物理仿真平臺(tái)采用具有優(yōu)良頻率和損耗特性的場(chǎng)效應(yīng)管模擬實(shí)際的IGBT和晶閘管特性。子模塊電壓測(cè)量由Analog Devices公司的單通道流水線AD芯片AD9221完成，其最高采樣頻率為1.5 MHz。模擬子模塊采用一去一回單工方式和異步串行通信規(guī)約與實(shí)際VBC匹配。

模擬仿真平臺(tái)還完成雙端MMC-HVDC交直流場(chǎng)及線路的物理模擬，包括換流電抗器、±30 kV直流線路、36.5kV/31 kV換流變壓器、斷路器及其相關(guān)測(cè)量和控制系統(tǒng)等，按照等慣性時(shí)間常數(shù)法成比例縮小系統(tǒng)參數(shù)，其時(shí)間軸比例為1。

2.3 數(shù)字仿真部分

在模擬仿真平臺(tái)側(cè)，依據(jù)替代定理，數(shù)字仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以戴維南等值電路表示，包括電壓放大器和串聯(lián)的等值電阻RE，后者的大小決定于數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算程序仿真步長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)。在數(shù)字仿真?zhèn)龋罁?jù)替代定理，模擬部分用諾頓等值電路表示，為一條純數(shù)字形式支路，包括串聯(lián)的等值電流源和并聯(lián)電阻，在每一步長(zhǎng)中，電流通過(guò)電流測(cè)量環(huán)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換輸入到實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)中。

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真部分完成對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)連接的風(fēng)電場(chǎng)和220 kV以下交流網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)模擬。實(shí)時(shí)仿真的建模和解法基于節(jié)點(diǎn)分析技術(shù)，在每一步長(zhǎng)點(diǎn)將等值的系統(tǒng)元件轉(zhuǎn)化為電流源與等值電阻并聯(lián)的諾頓等值模型，將構(gòu)成的暫態(tài)等值電路的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的逆矩陣乘以節(jié)點(diǎn)注入電流矢量，從而確定節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)電壓值。

2.4 數(shù)字-物理接口部分

由于模擬仿真平臺(tái)為弱功率子系統(tǒng)，而數(shù)字仿真輸出/輸入為數(shù)字信號(hào)，故設(shè)計(jì)兩者的硬件接口實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

數(shù)字子系統(tǒng)側(cè)接口處節(jié)點(diǎn)電壓由仿真程序計(jì)算得到后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送出，通過(guò)功率放大器送入模擬部分。同時(shí)模擬側(cè)接口處支路的電流經(jīng)電流互感器測(cè)量后作為反饋經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換注入數(shù)字仿真系統(tǒng)。由于模擬仿真平臺(tái)的元器件功率較小，電壓放大器即可驅(qū)動(dòng)和吸收能量。而對(duì)于具有300個(gè)以上等值子模塊的換流器，其電壓建立和子模塊控制器電路無(wú)法采用高位取能，須用外部低壓電源供能方式，通過(guò)隔離的24 V開(kāi)關(guān)電源為子模塊控制器供電。

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 數(shù)字和模擬仿真子系統(tǒng)接口Fig.3 Interface between digital and physical subsystems

圖4 帶有VBC和PCP的仿真系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of real-time simulation system with VBC and PCP

3 仿真試驗(yàn)建立過(guò)程

3.1 仿真系統(tǒng)建立步驟

首先對(duì)原始電網(wǎng)進(jìn)行分割，確定數(shù)字仿真程序和模擬仿真裝置任務(wù)的劃分和接口；再對(duì)由數(shù)字仿真完成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)等值化簡(jiǎn)，以使化簡(jiǎn)后的電網(wǎng)規(guī)模與算法相適應(yīng)，并完成實(shí)時(shí)仿真程序；然后確定系統(tǒng)模擬比，計(jì)算模擬元件參數(shù)并分析雜散參數(shù)的影響，適當(dāng)加以補(bǔ)償；連接電壓和電流互感器建立相應(yīng)的測(cè)量和監(jiān)控，調(diào)整數(shù)模轉(zhuǎn)換接口的信號(hào)比；完成對(duì)錄波系統(tǒng)的調(diào)試，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)；最后完成VBC、PCP與模擬仿真平臺(tái)的連接與通信測(cè)試，完成試驗(yàn)后與離線程序的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行比較，分析差異產(chǎn)生的原因。

3.2 仿真平臺(tái)模擬比的選擇

合理選擇交直流系統(tǒng)模擬比是系統(tǒng)仿真建模和試驗(yàn)的前提，計(jì)算的結(jié)果應(yīng)既滿足電路功率特性的約束，又滿足相似性原理與等慣性時(shí)間常數(shù)法。

3.2.1 設(shè)備的合理工作范圍和安全性

在正常運(yùn)行時(shí)，潮流最輕的設(shè)備通過(guò)的工頻電流不低于最小工作電流，以保證精度；適當(dāng)提高模擬電壓基準(zhǔn)值，有利于降低故障電流；按照運(yùn)行方式的要求確定邊界條件，例如要求換流站具有吸收最大感性無(wú)功的能力時(shí)，邊界條件為：

聯(lián)結(jié)變壓器閥側(cè)額定電壓取值為：

3.2.2 系統(tǒng)模擬比的選擇順序

建模時(shí)首先分別選定交流和直流系統(tǒng)的容量模擬比，其中直流系統(tǒng)模擬比的選擇需要考慮直流建模策略、換流閥中弱電開(kāi)關(guān)正常解鎖需要的最小工作電流等，再分別選擇合適的系統(tǒng)電壓比和電流比，而系統(tǒng)的阻抗、電感和電容的模擬比隨之確定。容量比和電壓比選擇方式為：

電流比和電抗比隨之確定：

其中，Ssim、Seng、Usim、Ueng分別為仿真平臺(tái)容量、工程實(shí)際容量、仿真平臺(tái)交流電壓、實(shí)際工程電壓值。

在以上計(jì)算基礎(chǔ)上，調(diào)整控制器的參數(shù)，可獲取等效的動(dòng)態(tài)特性。

4 仿真平臺(tái)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 仿真系統(tǒng)建模

目前該系統(tǒng)已完成對(duì)上海南匯風(fēng)電場(chǎng)20 MW示范工程的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)中部分實(shí)時(shí)數(shù)字仿真過(guò)程由物理仿真平臺(tái)完成。

南匯柔性直流輸電示范工程直流額定電壓為±30 kV，直流電流為300 A；換流器容量為18 MV·A，為三相六橋臂49電平結(jié)構(gòu)。送端站南匯風(fēng)電場(chǎng)電壓等級(jí)35/10 kV，配置 2×20 MV·A升壓變，11臺(tái)1.5 MW的風(fēng)機(jī)分別接入10 kV分段母線。功率受端南匯站交流電壓等級(jí)為220/110/35 kV。仿真試驗(yàn)中模擬仿真平臺(tái)參數(shù)為：變壓器為DYn-11接法，二次側(cè)中性點(diǎn)通過(guò)電阻接地，閥側(cè)電壓線為145 V；短路阻抗比為0.08；橋臂電抗器標(biāo)幺值為0.17；換流器為49電平；直流電壓為±140 V。

4.2 仿真應(yīng)用

以直流母線雙極短路試驗(yàn)為例，用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)驗(yàn)證該故障態(tài)PSCAD離線仿真的正確性、控制保護(hù)邏輯的可靠性和VBC的功能性，如PCP主保護(hù)策略及響應(yīng)速度、閥控系統(tǒng)閉鎖子模塊的時(shí)序等。圖5為直流雙極短路示意圖及短路電流方向。

圖5 直流雙極短路及短路電流方向Fig.5 Current direction under DC bipolar short circuit

兩站正常運(yùn)行情況下（送端采用定有功功率、定無(wú)功控制，受端定直流電壓、定無(wú)功控制），兩極短路后換流站電容均通過(guò)故障點(diǎn)放電，同時(shí)交流系統(tǒng)通過(guò)故障點(diǎn)形成三相短路，此時(shí)閥承受交流電流與電容放電電流的疊加。顯然電容放電電流主要與電感參數(shù)相關(guān)，不考慮損耗，設(shè)所有的電容能量轉(zhuǎn)換為電感容量，見(jiàn)式（10）。

此時(shí)的交流短路電流為：

其中，n為橋臂電平數(shù)，Xs為交流系統(tǒng)等值阻抗，id為橋臂電流。

計(jì)算可得，如果直流欠壓保護(hù)和換流器過(guò)流保護(hù)未能可靠動(dòng)作，則放電電流在16 ms時(shí)達(dá)到最大，橋臂電流為放電電流疊加交流短路電流的一半，后者在10ms時(shí)達(dá)到最大，按照最大疊加計(jì)算橋臂電流最大值為2.514 kA，遠(yuǎn)超過(guò)換流器的承受能力，因此必須對(duì)工程的控制保護(hù)邏輯和動(dòng)作可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

按照4.1節(jié)參數(shù)調(diào)整仿真平臺(tái)，試驗(yàn)開(kāi)始后，依次合交流斷路器使換流器和直流線路自然充電，旁路充電電阻，直流電壓控制站解鎖換流器。完成順控啟動(dòng)流程后，建立等效直流電壓60 kV，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行工況。啟動(dòng)控制流程如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)PCP順序控制啟動(dòng)流程的測(cè)試Fig.6 Test of PCP sequential control startup by real-time simulation system

圖中，Dback_en為VBC允許檢測(cè)換流器子模塊電壓，Lock為PCP向VBC發(fā)出的閉鎖命令信號(hào)，VBC_TRIP為VBC向PCP上報(bào)的故障閉鎖信號(hào)。

圖7 順序啟動(dòng)試驗(yàn)暫態(tài)波形Fig.7 Transient waveforms of PCP sequential control startup

圖7為PSCAD和實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)平臺(tái)順序啟動(dòng)充電的暫態(tài)過(guò)程對(duì)比（縱軸為標(biāo)幺值），其中直流電壓上升波形具有很高的相似度；子模塊電壓上升波形與離線仿真波相比，存在一定的誤差，這是由于功率電力電子器件的模型很難用PSCAD精確描述，但滿足電壓控制要求；圖7（c）為實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)功率送出站解鎖前后橋臂電流波形，可見(jiàn)6個(gè)橋臂電流波形具有良好的對(duì)稱(chēng)性。

雙站均完成充電后，在模擬風(fēng)場(chǎng)站送出有功10 MW、定交流電壓控制參考值35 kV時(shí)，將直流正負(fù)極母線永久性短路。發(fā)生故障后要求VBC立即閉鎖換流器并開(kāi)通旁路晶閘管，同時(shí)交流跳閘以切斷交流電流的持續(xù)饋入。

圖8（a）中，短路后電壓迅速跌落，試驗(yàn)波形和PSCAD仿真非常接近，考慮到電壓測(cè)量點(diǎn)到短路點(diǎn)有一定電氣距離，故實(shí)測(cè)電壓出現(xiàn)小幅振蕩。圖8（b）中系統(tǒng)a相電流峰值半周期后過(guò)4倍標(biāo)幺值，過(guò)流3 ms內(nèi) VBC先閉鎖，10 ms后 PCP保護(hù)動(dòng)作，發(fā)VBC_TRIP指令、跳閘、觸發(fā)晶閘管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主電路設(shè)備的保護(hù)。而無(wú)保護(hù)的PSCAD仿真則顯示為持續(xù)過(guò)流，必然造成主電氣設(shè)備的損壞。

圖8 雙極短路時(shí)直流電壓和交流電流仿真波形Fig.8 Simulative waveforms of DC voltage and AC current under bipolar short circuit

該試驗(yàn)可證明在嚴(yán)重的直流雙極短路故障狀態(tài)下，實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的交流電流和直流電壓波形與PSCAD仿真在響應(yīng)速度、幅值特性上具有很高的相似性，該平臺(tái)能夠?qū)﹄x線仿真結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，更重要的是對(duì)我國(guó)首套柔性直流工程的站控和閥控系統(tǒng)進(jìn)行了在線測(cè)試，證明了被測(cè)PCP和VBC系統(tǒng)直流短路和過(guò)流保護(hù)邏輯正確，主保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。

5 結(jié)論

目前世界范圍內(nèi)，柔性直流輸電的電壓等級(jí)和規(guī)模越來(lái)越大，隨著工程容量的不斷提升，MMC-HVDC技術(shù)體現(xiàn)出越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)。隨著上海示范工程在我國(guó)的實(shí)施，多電平數(shù)、交直流混合、且能夠?qū)φ究亻y控系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)驗(yàn)證的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，體現(xiàn)了良好的前景。

該系統(tǒng)采用的49電平換流器物理模型，具有很高的等效精度，驅(qū)動(dòng)功率小，且能夠和工程用VBC進(jìn)行全規(guī)模實(shí)時(shí)通信。

該模擬實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)建立過(guò)程中采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括換流閥的物理模型、交直流系統(tǒng)的劃分、數(shù)模仿真子系統(tǒng)的劃分以及多種模型元件的選擇等。