基于RTDS的VDCOL控制仿真研究

林益茂，周雅潔，劉建國，蘭泳文，顧建新

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

當逆變站或整流站直流電壓或交流電壓處于較低水平時，經(jīng)常會通過高壓直流輸電系統(tǒng)控制來限制直流功率的傳輸。在低電壓水平條件下，直流電流將增加，消耗的無功功率會增多，交流濾波器所發(fā)出的無功功率也將以電壓平方倍的速率下降，進一步加劇交流母線電壓的下降，從而對直流輸電以及交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成重要的影響。為了避免系統(tǒng)受到較大的擾動時，其穩(wěn)定性受到破壞，在高壓直流控制中引入低壓限流環(huán)節(jié)[1]。VDCOL一般有兩種控制類型，即依靠直流電壓的低壓限流和依靠交流母線電壓的低壓限流。目前，大多數(shù)直流工程均采用DC-VDCOL控制，該類型可以根據(jù)直流電壓的變化作用于直流電流指令，有效地減少直流故障后可能的換相失敗。AC-VDCOL近年來才應(yīng)用于實際工程中，它依賴實際檢測到的交流換相電壓作用于直流電流指令，能有效改善交流故障發(fā)生后換流站附近交流電壓和直流功率的恢復(fù)。[2-3]

在高壓直流輸電實際控制系統(tǒng)中，VDCOL的參數(shù)一般會跟隨其輸入電壓信號變化而變化。多數(shù)VDCOL仿真實驗沒有明確VDCOL的參數(shù)與其輸入電壓信號之間的關(guān)系，以及這種關(guān)系是否有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。本文基于實時數(shù)字仿真器，給出VDCOL變斜率控制的函數(shù)表達式，并在RTDS仿真平臺上搭建模型進行驗證。DC-VDCOL與AC-VDCOL這兩種控制類型對系統(tǒng)穩(wěn)定均有一定的作用，但是缺乏對兩種不同控制類型的對比性仿真驗證，另外，AC-VDCOL正處于初步應(yīng)用階段，為了更好地掌握AC-VDCOL對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文在采用VDCOL變斜率控制的基礎(chǔ)上，對比分析了DC-VDCOL與AC-VDCOL這兩種控制類型在直流和交流系統(tǒng)發(fā)生故障條件下對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響，驗證了變斜率VDCOL控制與AC-VDCOL控制的有效性。

1 VDCOL控制參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析

低壓限流環(huán)節(jié)的任務(wù)是在直流電壓或交流電壓跌落到某個指定值時對直流電流指令進行限制。當交流電網(wǎng)換相母線電壓過低，即使點火角α調(diào)節(jié)至最小值（5o）也可能無法使直流電流達到電流指定值，VDCOL通過降低電流指令，使系統(tǒng)傳輸功率自動運行于可控的降容狀態(tài)。如圖1所示，VDCOL通常包括一個最小電流指令I(lǐng)L限制功能，目的是防止電流太低時可控硅在導(dǎo)通期間關(guān)斷電流。最小電流指令一般取值為0.1 pu，但在應(yīng)用時可降低此值。當HVDC工程用于聯(lián)網(wǎng)頻率控制時，應(yīng)將此值改為0 pu，這樣可使兩端換流站在起動過程中小負荷運行。VDCOL功能包括一個最大電流指令I(lǐng)H限制，此值一般與最大過負荷限制相等。低壓限流特性的直流電壓動作值UL通常取0.45～0.35 pu,其最高電壓門檻值UH通常取0.7～0.9 pu[4]。

圖1 VDCOL的I-U特性曲線Fig.1 I-U Characteristic curve of VDCOL

當IL下降時，I-U的斜率會增大，針對相同的輸入電壓，直流輸送的功率將減少，不利于緩解兩端交流系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡[5]。在相同輸入電壓下，電流指令值將下降，換流站消耗的無功也將減少，因而有利于交直流系統(tǒng)的無功平衡和交流系統(tǒng)的電壓恢復(fù)。

根據(jù)VDCOL中的參數(shù)變化，分析了VDCOL參數(shù)對直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。如表1所示，當IL、UL、IH、UH發(fā)生變化時，直流輸電系統(tǒng)的功率穩(wěn)定和交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性具有不同的情況。

表1 VDCOL參數(shù)對直流和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的對照Tab.1 Contrast of VDCOL parameters influence on the stability of DC and AC systems

2 VDCOL控制特性改進

2.1 變斜率控制

參數(shù)IL主要用于限制直流電流過低，而參數(shù)IH與直流輸電系統(tǒng)所允許的負荷限制有關(guān)，綜合這四個VDCOL參數(shù)對直流輸電系統(tǒng)和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對VDCOL的控制特性做出改進，僅考慮UH和UL的合理搭配。當系統(tǒng)處于正常工況時，交流或直流系統(tǒng)的擾動，即電壓水平降低，相比較參數(shù)UH和UL，UH對直流輸電系統(tǒng)和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。UH所設(shè)的值越高，電壓下降時，電流下降得越快，無功消耗得越少，但不利于直流輸送功率的穩(wěn)定性。根據(jù)直流系統(tǒng)所連接的交流系統(tǒng)的強弱程度，來設(shè)定UH，強交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性一般能夠得到保障，UH可以設(shè)置偏低，來盡量保證直流輸送功率的穩(wěn)定性。

基于以上的分析，對傳統(tǒng)VDCOL的特性進行改進，如圖2所示，采用變斜率的I-U特性。相比采用固定的UH，當電壓降低時，通過降低UH來控制電流指令，使得直流功率穩(wěn)定。當交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)時，電壓降低時，為了保證交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，可以采取適當增大UH。

圖2 VDCOL改進I-U特性曲線Fig.2 I-U Characteristic curve of improved VDCOL

由圖2可知，VDCOL的數(shù)學特性可以表達為：

其中UH與U的函數(shù)關(guān)系可以表示為

UHMAX指的是UH所允許的最大值，UHMIN指的是UH所允許的最小值，UHMAX與UHMIN可根據(jù)不同的工程類型選取不同的值，在本文仿真模型搭建中，取UHMAX=0.75，UHMIN=0.6，Uhmin代表的是所檢測的電壓最低門檻值，本文中取Uhmin=0.8，以上均為標幺值。

2.2 改進特性仿真驗證

本實驗參考±500 kV三常直流聯(lián)網(wǎng)工程，搭建一次等值模型和二次簡單控制系統(tǒng)，如圖3所示一次RTDS仿真模型。三常工程的相關(guān)運行參數(shù)如下：額定直流輸送功率：Pd＝3 000 MW；額定直流電壓：Ud＝±500 kV；額定直流電流：Id＝3 kA。

圖3 常規(guī)直流輸電一次系統(tǒng)RTDS模型Fig.3 Model of primary system of traditional HVDC system in RTDS

整流側(cè)交流母線線電壓：U＝525 kV；逆變側(cè)交流母線線電壓：U＝500 kV。

整流側(cè)觸發(fā)角：α＝15度；逆變側(cè)關(guān)斷角：γ＝17度。

在高壓直流輸電運行過程中，逆變側(cè)作為電網(wǎng)的接入點，會有換相失敗的狀況發(fā)生，其VDCOL控制對直流和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性影響更大[6]，因而本實驗主要研究逆變側(cè)VDCOL的曲線特性對直流和交流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在逆變側(cè)的交流系統(tǒng)中，采用戴維南電源來進行等效。

逆變側(cè)電壓為500 kV，初始相位角為-5.4719度，正序阻抗為7.94 Ω，頻率50 Hz。

（1）傳統(tǒng)VDCOL控制

在傳統(tǒng)VDCOL控制中，一般采取UH固定不變。在直流極線和交流母線分別發(fā)生接地故障情況下，直流電壓和電流變化，以及交流母線電壓變化如圖4所示。在這里，VDCOL引入的電壓信號采用直流電壓。

圖4 逆變側(cè)直流極線發(fā)生接地故障時相關(guān)波形Fig.4 Waveforms of voltage and current when a ground fault occurred in DC pole bus in inverter side

圖5 交流母線發(fā)生接地故障時相關(guān)波形Fig.5 Waveforms of voltage and current when a ground fault occurred in AC bus

（2）改進VDCOL控制

根據(jù)變斜率控制，進行仿真實驗。其中，VDCOL引入的電壓信號采取直流電壓。在直流極線和交流母線分別發(fā)生接地故障情況下，直流電壓和電流變化，以及交流母線電壓變化如圖6所示。

當逆變側(cè)直流極線發(fā)生接地故障時，通過對比圖4和圖6，可以看到，采用改進型的VDCOL控制策略后，直流電流在恢復(fù)過程中，其振蕩次數(shù)明顯減少，在交流母線發(fā)生接地故障下，也有同樣的效果。通過對比傳統(tǒng)VDCOL和改進VDCOL，交流母線電壓在恢復(fù)過程中，其波形振蕩也明顯減少。通過比較傳統(tǒng)VDCOL和改進VDCOL對直流電流命令值的控制，可以發(fā)現(xiàn)直流電流振蕩最大值有所增加。

在電壓下降過程中，變斜率的VDCOL控制通過降低UH提升了電流指令值，這樣可以保證直流輸電功率的穩(wěn)定。在電流恢復(fù)過程中，隨著電壓的上升，UH值增大，可以使得電流指令值有所減少，從而保證直流傳輸功率的穩(wěn)定，以及直流電流的振蕩性減少。由于采取變斜率的VDCOL控制，在電壓恢復(fù)過程中，降低了電流指令值，換流器消耗的無功功率相應(yīng)減少，交流母線電壓波動變得更小。

圖6 逆變側(cè)直流極線發(fā)生接地故障Fig.6 Ground fault in DC pole bus in inverter side

圖7 交流母線發(fā)生接地故障Fig.7 Ground fault in AC bus

圖8 直流故障下的直流電壓和電流波形Fig.8 Waveform of DC voltage and current when a fault occurred in DC side

3 VDCOL控制類型比較

VDCOL控制可以通過引入直流電壓或是交流電壓，來限制直流電流命令值。采用和上述驗證實驗一樣的一次RTDS模型和二次控制系統(tǒng)，仿真研究當直流極線發(fā)生接地故障、交流母線發(fā)生接地故障時，直流電壓和電流，以及交流母線電壓，在不同的VDCOL控制類型下，所發(fā)生的變化。

（1）研究直流輸送功率穩(wěn)定

在圖8中，當直流極線發(fā)生接地故障時，VDCOL引入交流電壓信號來控制直流電流指令值，能夠很好地保證直流電流值振蕩幅度，要小于采取直流電壓信號。在圖9中，也能得到在VDCOL當中引入交流電壓，在保證直流電流穩(wěn)定方面，要優(yōu)于引入直流電壓。在交流故障情況下，采用AC-VDCOL，直流電壓的波動程度也要小于DC-VDCOL情況下的。

通過對比AC-VDCOL和DC-VDCOL兩種控制類型，在直流故障下，交流系統(tǒng)相對直流系統(tǒng)而言，電壓更加穩(wěn)定，此時引入交流電壓到VDCOL當中，直流電流指令值的波動也會更小。當交流母線發(fā)生接地故障，采取AC-VDCOL相比DC-VDCOL，可以更加靈敏地反應(yīng)電壓的波動，調(diào)整直流電流指令值的輸出，從而保證直流輸送功率的穩(wěn)定性。

（2）研究交流電壓穩(wěn)定

圖9 交流故障下的直流電壓和電流波形Fig.9 Waveform of DC voltage and current when a fault occurred in AC side

圖10 直流故障下的交流電壓波形Fig.10 Waveform of AC voltage when a fault occurred in DC side

在圖10中，AC-VDCOL控制類型下，交流電壓的波動幅度要小于DC-VDCOL當中的，相比較DC-VDCOL當中的電壓振蕩，AC-VDCOL中的交流電壓振蕩次數(shù)更多。在圖11中，兩種控制類型對于交流電壓的振蕩幅度和次數(shù)的影響程度基本相同。

在VDCOL控制中采用交流電壓信號，當直流發(fā)生故障時，可以依靠交流系統(tǒng)更加穩(wěn)定的電壓水平，通過降低電流指令，減少無功消耗，來保證交流電壓穩(wěn)定。

圖11 交流故障下的交流電壓波形Fig.11 Waveform of AC voltage when a fault occurred in AC side

4 結(jié)論

本文從分析VDCOL參數(shù)對直流輸電穩(wěn)定性和交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性出發(fā)，給出變斜率的VDCOL控制方式，根據(jù)電壓輸入值的變化來動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)UH，從而調(diào)整直流電流命令值。在RTDS仿真實驗過程中，驗證了變斜率控制有利于直流電流、直流電壓以及交流電壓的恢復(fù)。在電壓降低情況下，增大直流電流指令值，可以來保證直流輸電的功率穩(wěn)定。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，采取的是非線性元件，UH和引入VDCOL中電壓信號呈線性關(guān)系，對于限制直流電壓和交流電壓波動效果不明顯，可以采取一定措施加以改進。通過仿真實驗，對VDCOL的兩種控制類型進行比較，在AC-VDCOL控制類型下，有利于直流輸送功率的穩(wěn)定，對保證交流電壓的穩(wěn)定性，也有一定的作用。

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