UHVDC高端換流變?nèi)∠纸宇^對運(yùn)行工況影響的仿真研究

顏 均，錢珞江，蘭泳文，蔣維勇

（1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209）

UHVDC高端換流變?nèi)∠纸宇^對運(yùn)行工況影響的仿真研究

顏 均1，錢珞江1，蘭泳文1，蔣維勇2

（1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209）

為研究高端換流變?nèi)∠纸宇^對直流系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響，根據(jù)實(shí)際輸電工程的換流器控制系統(tǒng)包括閥組觸發(fā)角控制和換流變分接頭控制建立仿真模型，通過對系統(tǒng)的全電壓運(yùn)行與降壓運(yùn)行的仿真，對各個(gè)工況下高端換流變?nèi)∠纸宇^引起的高低端換流器運(yùn)行和控制的不對稱性進(jìn)行分析評估，這對研究換流變?nèi)∠纸宇^的可行性及其主回路參數(shù)的設(shè)計(jì)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

特高壓直流；換流變；分接頭；閥組觸發(fā)角；運(yùn)行工況

0　引 言

取消換流變壓器分接開關(guān)或減少檔位數(shù)不僅可以減小換流變尺寸，解決換流變的運(yùn)輸問題，大大降低工程造價(jià)［12］，還可以簡化換流站控制，避免因分接頭頻繁動作引起的設(shè)備損壞和系統(tǒng)停運(yùn)，從而提高設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性；但為了使換流站處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，又不能取消所有換流變的分接頭調(diào)節(jié)功能［3］。在綜合考慮上述因素的基礎(chǔ)上，針對特高壓直流（ultra high voltage direct current，UHVDC）換流站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出一種取消高端換流變分接開關(guān)、由低端換流變維持整個(gè)換流器檔位調(diào)節(jié)作用的設(shè)計(jì)方案。

高端換流變分接開關(guān)取消后，最主要的問題是高、低端換流器運(yùn)行狀態(tài)的不平衡，因此為了準(zhǔn)確掌握著這種不平衡問題對設(shè)計(jì)方案工程可行性的影響程度，文章首先根據(jù)實(shí)際UHVDC系統(tǒng)運(yùn)行與控制的機(jī)理建立實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation，RTDS）模型；其次，基于RTDS模型分別對直流系統(tǒng)全電壓運(yùn)行方式與降壓運(yùn)行方式進(jìn)行仿真；最后，從整流/逆變控制與直流系統(tǒng)運(yùn)行工況動態(tài)關(guān)聯(lián)性的角度，對仿真結(jié)果進(jìn)行了全面分析，歸納出高、低端換流器電壓、控制角等工況變量的不平衡狀態(tài)及其變化規(guī)律。

1　UHVDC串聯(lián)換流器的控制

圖1　UHVDC同極串聯(lián)換流器的控制原理圖

根據(jù)對象的不同，換流器控制系統(tǒng)包括有閥組觸發(fā)角控制和換流變分接頭控制，兩者分述如下。

1.1閥組觸發(fā)角控制

在UHVDC控制系統(tǒng)中，閥組觸發(fā)角控制因其快速且無級調(diào)節(jié)的固有特性（動作響應(yīng)時(shí)間一般在1～10ms范圍內(nèi)），故而是換流器運(yùn)行的主控部件。閥組觸發(fā)角控制的依據(jù)是直流系統(tǒng)UdId特性［7］，即通過調(diào)節(jié)整流器和逆變器的觸發(fā)角α來控制直流電壓Ud和直流電流Id，如圖2所示。

圖2　UHVDC換流器觸發(fā)控制的伏安特性

按國際大電網(wǎng)會議（Cigre）第I類標(biāo)準(zhǔn)［8］，整流器采用定電流控制，控制方式為電流偏差式帶限幅的比例-積分PI調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖中電流指令I(lǐng)dO由功率指令Pset與實(shí)測直流電壓Ud動態(tài)計(jì)算得出，計(jì)算公式為

圖3　UHVDC整流器電流調(diào)節(jié)功能框圖

UHVDC系統(tǒng)的直流電壓是通過逆變器的觸發(fā)角確定的，即所謂的定電壓或定熄弧角γ控制。較整流側(cè)稍復(fù)雜，逆變器控制由多個(gè)調(diào)節(jié)器級聯(lián)而成，包括越前觸發(fā)角計(jì)算、電壓PI調(diào)節(jié)、電流PI調(diào)節(jié)等控制環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4　UHVDC逆變器電壓控制功能框圖

圖中電壓指令UdO為逆變側(cè)同一極的換流器均分極線直流電壓Ud所得。

1.2 換流變分接頭控制

換流變分接頭控制是直流輸電系統(tǒng)中用于自動調(diào)整換流變有載調(diào)壓分接頭位置的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于換流變的分接開關(guān)是機(jī)械式的，轉(zhuǎn)換一檔通常需要3～5s的時(shí)間，對控制的響應(yīng)很慢。所以，它一般是作為換流器控制系統(tǒng)的輔助控制手段［9］。

換流變分接頭控制的功能是配合閥組觸發(fā)角控制，調(diào)節(jié)分接頭位置以保持被控量在一定范圍［10］，當(dāng)檢測到被控量大于其范圍的上限值時(shí)，發(fā)出降分接頭的命令，使換流變變比增大，再通過閥組觸發(fā)角調(diào)節(jié)使被控量減少。與之相反的是，當(dāng)檢測到被控量小于其范圍的下限時(shí)，發(fā)出升分接頭的命令，使換流變變比降低，則再通過閥組觸發(fā)角控制的作用增大被控量。但是為避免分接頭頻繁動作，被控量瞬時(shí)超過其限定范圍時(shí)，分接頭不應(yīng)動作，只有當(dāng)被控量連續(xù)超過限定范圍并維持一定的時(shí)間后，分接頭才會動作。

根據(jù)被控量的不同，換流變分接頭控制分為：調(diào)電壓模式和調(diào)角度模式，其被控變量的調(diào)節(jié)范圍如表1所示。換流變分接頭控制要根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況選擇不同的直流電壓參考值Udref：全電壓運(yùn)行時(shí)，其值均為100%；降壓運(yùn)行時(shí)，其值與相應(yīng)的降壓整定值有關(guān)，如80%降壓運(yùn)行時(shí)，其值均取80%。

表1　換流變壓器分接頭控制系統(tǒng)的參數(shù)及范圍

整流器和逆變器的換流變分接頭控制與閥組觸發(fā)角控制的配合分別如表2和表3所示。

基于上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，建立如下仿真模型：

①一次系統(tǒng)仿真模型：高端換流變?nèi)∠纸宇^。

②控制系統(tǒng)仿真模型：高端換流器控制僅采用閥組觸發(fā)角控制；低端換流器除了采用同高端相同的閥組觸發(fā)角控制外，還擁有與之匹配的換流變分接頭調(diào)節(jié)。

表2　整流側(cè)換流變分接頭控制與閥組觸發(fā)角控制的配合

表3　逆變側(cè)換流變分接頭控制與閥組觸發(fā)角控制的配合

UHVDC系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)全電壓和降壓運(yùn)行控制模式［11］。所以為了研究高端換流變?nèi)∠纸宇^對系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響，對所建的仿真模型的全電壓及降壓運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2　全電壓運(yùn)行工況的仿真分析

全電壓運(yùn)行工況是指UHVDC系統(tǒng)運(yùn)行在額定直流電壓的情形，此時(shí)整流器處于定電流控制，逆變器則采用定γ角控制。為研究在該控制方式下取消高端換流變分接頭對直流輸電系統(tǒng)的影響，對系統(tǒng)全電壓運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析。

2.1網(wǎng)側(cè)交流母線電壓額定情形的分析

由于取消了高端換流變壓器分接頭，所以高端換流變壓器的變比為一固定值，該值與換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流電壓額定值UacN有關(guān)，可由式（3）計(jì)算得到。高端換流變壓器的固定變比nUH確定后，對網(wǎng)側(cè)交流母線電壓額定時(shí)的系統(tǒng)全電壓運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果見表4，表中電流、電壓均為標(biāo)幺值。

為方便說明，表中以TCCHL表示高低端換流變壓均有分接頭；TCCL表示高端換流變?nèi)∠纸宇^。試驗(yàn)表明，在此固定變比下，在網(wǎng)側(cè)交流母線電壓額定時(shí)，高端換流變?nèi)∠纸宇^的全電壓運(yùn)行工況與高端換流變有分接頭的全電壓運(yùn)行工況得到很好的吻合，所有的系統(tǒng)控制參數(shù)均一致。

表4　系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)交流母線電壓額定的全電壓運(yùn)行工況

2.2網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動對系統(tǒng)的影響

隨著電力網(wǎng)負(fù)荷急劇增加，特別是沖擊性、非線性負(fù)荷所占比重不斷加大，使實(shí)際系統(tǒng)中交流電壓不可能是理想的，而是在一定范圍內(nèi)有規(guī)律或隨機(jī)地變化，即稱為電壓波動［12］。電壓波動通常會引起許多電氣設(shè)備無法正常工作，影響系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，所以有必要考慮網(wǎng)側(cè)交流母線的電壓波動對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。對網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動最嚴(yán)重情形下的全電壓運(yùn)行進(jìn)行仿真。

保持逆變側(cè)交流電壓額定，整流側(cè)交流電壓在其額定值與上限或下限之間波動時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行與控制的暫態(tài)仿真波形如圖5所示，圖中電壓電流均為標(biāo)幺值。由圖可見，在t=2s時(shí)，網(wǎng)側(cè)交流母線電壓在其額定值附近發(fā)生較大波動，此時(shí)閥組觸發(fā)角控制需增加或減少觸發(fā)角來保持直流電流不變，這樣使得低端整流器觸發(fā)角長時(shí)間高于或低于其運(yùn)行范圍，低端換流變分接頭控制發(fā)出升或降分接頭檔位TCPrL的命令，以維持低端整流器觸發(fā)角在其運(yùn)行范圍內(nèi)，但又由于高端換流器沒有分接頭調(diào)節(jié)功能，所以分接頭取消后的整流側(cè)高端和低端的換流器變比不一致，從而造成整流側(cè)高端和低端換流器承受的直流電壓不等。

圖5　整流側(cè)交流電壓波動的仿真波形

與整流側(cè)不同的是，逆變側(cè)雖然高端和低端換流器都采用相同的定γ角控制，但這不意味著二者的熄弧角相等。整流側(cè)交流電壓保持額定值，而逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓波動的暫態(tài)運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)網(wǎng)側(cè)交流母線電壓工作在上限或下限時(shí)，此時(shí)逆變側(cè)直流電壓隨之增加或減少，這樣使得低端逆變器的直流電壓長時(shí)間高于或低于其運(yùn)行范圍，低端換流變分接頭控制發(fā)出升或降分接頭的命令，以維持低端直流電壓在其運(yùn)行范圍內(nèi)。低端換流變分接頭動作，導(dǎo)致高端換流變與低端換流變的變比存在差異，造成高端和低端逆變器的理想空載直流電壓不等，從而影響高端和低端逆變器的直流電壓和熄弧角的對稱運(yùn)行，即其值均不同。

圖6　逆變側(cè)交流電壓波動的仿真波形

由于高端換流器取消分接頭，高端逆變器就只能在定γ角控制控制方式下在一定的范圍內(nèi)增加或減少熄弧角來盡量保持直流電壓不變，但由于受定γ角調(diào)節(jié)范圍限制的影響，高端逆變器電壓調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動時(shí)，高端直流電壓也隨之發(fā)生的波動，所以即使低端逆變器能保持直流電壓不變，極線電壓也會隨交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動而波動。

3　降壓運(yùn)行工況的仿真分析

惡劣的氣候條件或嚴(yán)重污染的情況下，直流架空線路如果仍在全電壓下運(yùn)行，則會發(fā)生較高的故障率。為了提高輸電線路的可靠性和可用率，直流輸電系統(tǒng)應(yīng)具有降壓運(yùn)行的性能［13］。系統(tǒng)降壓運(yùn)行時(shí)，整流器依舊處于定電流控制，逆變器則轉(zhuǎn)換為定電壓控制。降壓運(yùn)行時(shí)低端換流器分接頭動作，引起高端和低端換流變的變比不一致，進(jìn)而導(dǎo)致高端和低端換流器的不對稱運(yùn)行。因此，需要對降壓運(yùn)行時(shí)高端和低端換流變的運(yùn)行和控制特性進(jìn)行分析和評估。

3.1網(wǎng)側(cè)交流母線電壓額定情形的分析

為不增加換流站的造價(jià)，降壓方式應(yīng)盡量爭取較大的直流電流來保持較大的直流功率。對直流電壓降低至額定直流電壓80%，直流輸電工程在額定電流下降壓運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的仿真結(jié)果如表5所示。

表5　系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)交流母線電壓額定的降壓運(yùn)行工況

與全電壓運(yùn)行時(shí)相同的是：降壓運(yùn)行工況下整流器亦處于定電流控制方式下，所以仍存在有高端和低端換流器觸發(fā)角相等，但其所承受的直流電壓值不等的現(xiàn)象。不同之處在于：降壓運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在較大的觸發(fā)角下，因?yàn)榻祲哼\(yùn)行時(shí)換流器觸發(fā)控制需大幅度的增加觸發(fā)角來保持直流電流不變，低端觸發(fā)角長時(shí)間高于其運(yùn)行范圍，其換流變分接頭控制系統(tǒng)將發(fā)出升分接頭的命令，直至分接頭檔位調(diào)至其上限后，就只能讓系統(tǒng)運(yùn)行在較大的觸發(fā)角控制下，以保持直流電流不變。

降壓運(yùn)行工況下逆變器處于定電壓控制，由于高端和低端逆變器采用相同的定電壓控制環(huán)節(jié)和等值的電壓指令，所以高端和低端逆變器的直流電壓相等。當(dāng)系統(tǒng)接收到降壓運(yùn)行指令后，逆變器由定γ角控制轉(zhuǎn)換為定電壓控制，通過增加熄弧角來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的降壓運(yùn)行，而低端逆變器的熄弧角長時(shí)間超出其運(yùn)行范圍，其分接頭控制系統(tǒng)將發(fā)出升分接頭的命令，以維持低端逆變器的熄弧角運(yùn)行在指定范圍內(nèi)，但高端逆變器沒有分接頭調(diào)節(jié)功能，故高端逆變器只能在大熄弧角下運(yùn)行，由此造成高端和低端逆變器的熄弧角不等。

3.2網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動對系統(tǒng)的影響

為探討降壓運(yùn)行工況下，網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動對系統(tǒng)控制運(yùn)行的影響，對系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)交流母線電壓運(yùn)行在極端情況下的降壓運(yùn)行工況進(jìn)行仿真。

網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動時(shí)的暫態(tài)仿真波形如圖7所示，由圖可知在t=1.5s時(shí)，系統(tǒng)電壓發(fā)生波動。由于逆變側(cè)采用定電壓控制可以通過調(diào)節(jié)γ角保持直流電壓不變，所以網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動時(shí)，仍能保持系統(tǒng)的極線直流電壓、電流的穩(wěn)定。即取消高端換流變分接頭后對直流系統(tǒng)的每一極的運(yùn)行影響不大，但由于低端換流變分接頭的動作，高端和低端換流器依舊存在有高低端的整流器直流電壓、逆變器熄弧角不平衡的現(xiàn)象。

4　結(jié) 論

本文實(shí)現(xiàn)了利用RTDS建立高端換流變分接頭取消的直流系統(tǒng)模型，并運(yùn)用所建立的模型就直流全電壓運(yùn)行和降壓運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，及其在網(wǎng)側(cè)交流母線電壓波動時(shí)的暫態(tài)過程進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明：

①通過選取恰當(dāng)?shù)母叨藫Q流變的固定變比參數(shù)，即同高端換流變有分接頭時(shí)的相應(yīng)變比值的方法，可以保證高端換流變?nèi)∠纸宇^后系統(tǒng)的額定運(yùn)行不受影響。

②系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)交流電壓波動或降壓運(yùn)行時(shí)，高端換流變?nèi)∠纸宇^，低端換流變分接頭動作，使得相互串聯(lián)的高低端換流變變比存在差別，引起高低端換流器的不平衡。

③特高壓直流系統(tǒng)高端換流變?nèi)∠纸宇^后，同極串聯(lián)高低端整流器的不平衡表現(xiàn)在直流電壓的不對稱。

④不同工況下逆變器的控制方式也存在區(qū)別，導(dǎo)致同極串聯(lián)的高低端換流器的不平衡性也存在差異。全電壓運(yùn)行工況下逆變器的熄弧角和直流電壓均不對稱，而降壓運(yùn)行時(shí)僅熄弧角不對稱。

圖7　降壓運(yùn)行工況下網(wǎng)側(cè)交流電壓波動的仿真波形

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（責(zé)任編輯:楊秋霞）

Simulation Analysis on the Influence of the High-end Converter Transformer Without Tap-changer in the UHVDC on Its Operation Condition

UAN Jun1，QIAN Luojiang1，LAN Uongwen1，JIANG Weiyong2
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.State Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China）

To study the effect of high converter transformer with no tap-changer on operating conditions of DCsystem，a simulation model is established according to the converter control system of real transmission project that includes valve group firing angle control and converter transformer tap-changer control.By means of simulating the full voltage operation and decompression operation of the system，the asymmetry caused by the operation and control of high-end and low-end converter transformers is analyzed and evaluated，which has important realistic meaning for studying the feasibility of converter transformer without tap-changer and the parameters designing of its main circuit.

UHVDC；converter transformer；tap-changer；triggering angle；operation conditions

1007-2322（2015）02-0082-07

A

TM743

2014-05-28

顏 均（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制，E-mail：970785661@qq.com；

錢珞江（1961—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制，電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合，E-mail：ljqian@whu.edu.cn。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（GWJUUKJ［2012］277）