柔性直流配電網(wǎng)的RTDS 仿真試驗(yàn)研究

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102）

0 引言

目前城市供電面臨用電負(fù)荷激增、可靠性要求高、電能質(zhì)量要求高、土地資源緊張、環(huán)保要求高等現(xiàn)狀。同時(shí)，交流配電網(wǎng)也遭遇到一系列難題，比如短路電流過大、電磁環(huán)網(wǎng)問題、潮流控制乏術(shù)、負(fù)荷中心電壓支撐弱、交流電纜損耗大、故障傳導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)增大等。

隨著柔性直流技術(shù)的不斷成熟、完善，將其靈活潮流控制特點(diǎn)應(yīng)用于交流配電網(wǎng)，構(gòu)建兼顧交直流優(yōu)點(diǎn)的混合配電網(wǎng)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高質(zhì)量配電網(wǎng)的理想方案，也是對現(xiàn)有配電網(wǎng)升級改造的有效途徑[1-2]。因此直流配電網(wǎng)技術(shù)目前已是國內(nèi)外學(xué)者的熱門研究課題[3-4]，并且近幾年來國內(nèi)已有不少直流配電網(wǎng)工程成功投運(yùn)并取得了良好的示范效應(yīng)。

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真是研究直流配電網(wǎng)最有效和便捷的手段之一，具有方便搭建、方便參數(shù)修正、占地小、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于復(fù)雜電網(wǎng)的高精度仿真，以及包含電力電子設(shè)備或元件的小步長仿真[5]。在目前各種實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)中，RTDS（實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器）是優(yōu)秀的數(shù)字仿真系統(tǒng)之一，是計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)和數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是一套專門用來對電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)過程進(jìn)行全數(shù)字模擬的裝置。RTDS可用于進(jìn)行自動控制和保護(hù)等設(shè)備閉環(huán)試驗(yàn)，完成系統(tǒng)分析研究、設(shè)備研發(fā)和試驗(yàn)，以及運(yùn)行人員、工程師和學(xué)生的培訓(xùn)。它是一種取代暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀和模擬式或數(shù)?；旌鲜窖b置的經(jīng)濟(jì)而高效的方案。

目前已有很多文獻(xiàn)分別針對直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制[6]、潮流分析[7]、故障特性與繼電保護(hù)[8-10]等方面進(jìn)行了研究，也有文獻(xiàn)針對直流配電網(wǎng)的物理動模仿真試驗(yàn)研究進(jìn)行了分析[11-12]。本文對直流配電網(wǎng)RTDS 數(shù)字仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并通過仿真模型的建立和仿真結(jié)果說明了試驗(yàn)方法的有效性。

1 杭州大江東直流配電網(wǎng)示范工程簡介

理論上，直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有輻射型、手拉手型、環(huán)網(wǎng)型、背靠背型等類型。綜合考慮供電可靠性、建設(shè)成本、工程實(shí)施難度及工程實(shí)用性等因素，目前國內(nèi)已投運(yùn)的直流配電網(wǎng)示范工程大多采用三端或四端，各端通過公共直流母線實(shí)現(xiàn)背靠背互聯(lián)的方案。其中，杭州大江東工程是最具有示范意義的直流配電網(wǎng)工程之一。

杭州大江東新城位于杭州市蕭山區(qū)東北部的沿錢塘江區(qū)域。本直流配電網(wǎng)示范工程結(jié)合該區(qū)域配電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，利用柔性直流裝置將10 kV和20 kV 兩個(gè)不同電壓等級配電網(wǎng)連接起來，解決不同電壓等級電源間互聯(lián)以及相同電壓等級、不同相角的電源間的互聯(lián)問題，使得10 kV 和20 kV 互為備用，而且可以通過遠(yuǎn)程操作，控制潮流的流向，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)供。

杭州大江東直流配電網(wǎng)示范工程采用的是如圖1 所示的三端換流站（背靠背互聯(lián)）及一條直流線路的接線方式。全系統(tǒng)由4 個(gè)模塊組成，T1—T3 是三端換流器，每端換流器連接到不同的交流配電分區(qū)，直流端連接到公共的直流母線，一般中壓直流配電網(wǎng)的直流母線電壓等級選擇在10～20 kV。T4 包含直流斷路器、直流變壓器、平波電抗器、直流線路等設(shè)備，連接到直流負(fù)荷。本文中所介紹的直流配電網(wǎng)RTDS 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图词腔趫D1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建的。

2 RTDS 仿真建模

2.1 RTDS 整體建模

圖1 大江東直流配電網(wǎng)系統(tǒng)主接線

柔性直流配電網(wǎng)的仿真建模涉及到全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件的建模，要求在較高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的仿真精度，因此本模型采用RTDS 中的小步長模塊搭建，步長典型值為1.4～3.75 μs。

由于受到小步長模塊節(jié)點(diǎn)及仿真運(yùn)算能力的限制，該模型需要通過若干個(gè)小步長模塊組合在一起進(jìn)行建模。根據(jù)如圖1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)主接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，很自然地將模型劃分為4 個(gè)小步長模塊，模型中每個(gè)小步長模塊對應(yīng)于圖1 中每個(gè)設(shè)備模塊（T1，T2，T3，T4），模型整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柔性直流配電網(wǎng)RTDS 仿真模型整體結(jié)構(gòu)

2.2 直流配電網(wǎng)換流閥建模

柔性直流換流閥及其控制保護(hù)單元是全控電壓源型換流系統(tǒng)的核心設(shè)備，它基于全控型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有功和無功的四象限快速、靈活控制。電壓源型柔性直流換流閥主要有三相兩電平、三電平以及MMC（模塊化多電平換流器）[13-14]等幾種類型。其中，由于MMC無需全控型開關(guān)器件直接串聯(lián)，而是采用子模塊級聯(lián)實(shí)現(xiàn)多電平輸出，在中高壓變流領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)投運(yùn)的幾個(gè)柔性直流配電網(wǎng)工程，換流閥基本上都是采用MMC 結(jié)構(gòu)。

三相MMC 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，包含3 個(gè)相單元，每個(gè)相單元包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由若干個(gè)功率SM（子模塊）和一個(gè)換流電抗器串聯(lián)組成。子模塊有半橋結(jié)構(gòu)和全橋結(jié)構(gòu)兩種類型。圖3 所示的MMC 換流閥結(jié)構(gòu)中采用的是最常見的半橋結(jié)構(gòu)的MMC 功率子模塊，它由兩個(gè)IGBT 器件和一個(gè)直流儲能電容并聯(lián)組成。

圖3 三相MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC 結(jié)構(gòu)的換流閥在RTDS 試驗(yàn)系統(tǒng)中采用叫做MMC-SUPPORT-UNIT（GTFPGA）的外設(shè)來進(jìn)行仿真，在RTDS 模型中，也有專門為MMC換流閥開發(fā)的小步長模塊rtds_vsc_ MMC.def（如圖4 所示），其具有非常豐富的參數(shù)設(shè)置（如圖5所示），可以完全模擬實(shí)際MMC 換流閥正常運(yùn)行和故障等各種工況。一個(gè)rtds_vsc_MMC.def 模塊對應(yīng)于一臺MMC-SUPPORT-UNIT 仿真單元，同時(shí)對應(yīng)于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)換流站。

圖4 RTDS 中的MMC 模型

圖5 RTDS 中MMC 模塊的主要設(shè)置

2.3 直流斷路器建模

直流斷路器是柔性直流配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，起到高速分?jǐn)喙收想娏鞯淖饔?。直流斷路器主要有機(jī)械式、固態(tài)式和混合式3 種類型。在高壓柔性直流輸電領(lǐng)域，混合式直流斷路器[15-18]已經(jīng)投入使用?；旌鲜街绷鲾嗦菲鹘?jīng)過結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化，也可以應(yīng)用于中壓直流配電網(wǎng)領(lǐng)域（10～20 kV）。

中壓直流配電網(wǎng)混合式直流斷路器的典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示，主支路包括相互串聯(lián)的高速機(jī)械斷路器和主支路閥組（包含正反兩個(gè)方向），轉(zhuǎn)移支路由橋式整流型拓?fù)錁?gòu)成，單相IGBT閥組由IGBT 單相串聯(lián)，二極管整流橋由二極管閥組串聯(lián)組成。耗能支路由避雷器組成。

圖6 中低壓混合式直流斷路器拓?fù)?/p>

混合式直流斷路器的RTDS 模型也在小步長模塊中建立，即圖2 中的S4 模塊。考慮到小步長模塊中的資源和節(jié)點(diǎn)限制，模型在保證直流斷路器正確的外特性的前提下，對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以簡化。圖7 所示為混合式直流斷路器的簡化RTDS模型結(jié)構(gòu)。

圖7 混合式直流斷路器的RTDS 簡化模型結(jié)構(gòu)

如果仿真試驗(yàn)的研究對象側(cè)重于直流配電網(wǎng)的控制保護(hù)，為了避免增加不必要的仿真資源和難度，也可以直接使用RTDS 中的斷路器小步長模型rtds_vsc_BKR_RES1（如圖8 所示）。斷路器的通態(tài)和斷態(tài)電阻、滅弧電流能力等重要參數(shù)可在其模型參數(shù)中直接設(shè)定，斷路器的關(guān)斷時(shí)間、開通時(shí)間等參數(shù)可以在斷路器的分合閘邏輯模型中設(shè)定。

圖8 RTDS 中斷路器模型及參數(shù)

3 RTDS 仿真器及其連接

直流配電網(wǎng)的RTDS 仿真試驗(yàn)平臺是一種半實(shí)物的架構(gòu)，RTDS 仿真系統(tǒng)通過對模型的運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)的功能，其與工程實(shí)際使用的控制保護(hù)設(shè)備的連接如圖9 和圖10 所示。

圖9 柔性直流配電網(wǎng)RTDS 實(shí)驗(yàn)平臺整體架構(gòu)

圖10 控制保護(hù)設(shè)備與RTDS 的連接

試驗(yàn)平臺的核心設(shè)備是RTDS 仿真處理器。RTDS 采用并行處理的硬件結(jié)構(gòu)和高速DSP 芯片，利用數(shù)學(xué)上可分隔子系統(tǒng)的概念，在各運(yùn)算芯片或芯片組間分擔(dān)計(jì)算任務(wù)，各子系統(tǒng)之間的聯(lián)結(jié)使用傳輸線模型或變壓器模型。RTDS 硬件的基本單元稱為RACK，RACK 相互連接可以組成較大規(guī)模的仿真器，可以模擬較復(fù)雜的、較大規(guī)模的電力系統(tǒng)。

此外，試驗(yàn)平臺所需要的接口設(shè)備還包括處理器外設(shè)GTFPGA、仿真接口板卡及功率放大器、接口繼電器等。

RTDS 有豐富的模擬量輸出、高速數(shù)字輸入輸出等IO 設(shè)備，主要的接口卡有：GTAO（模擬量輸出卡）、GTDI（數(shù)字量輸入卡）、GTDO（數(shù)字量輸出卡）等。

RTDS 將運(yùn)算所得的、控保設(shè)備所需要采集的模擬量通過GTAO 輸出給控保系統(tǒng)，由于GTAO輸出為0～10 V 的小信號，必須通過功率放大器轉(zhuǎn)化為控制保護(hù)裝置可以采集的0～100 V 電壓信號或0～1 A（或5 A）的電流信號。斷路器、隔離開關(guān)等開關(guān)量狀態(tài)則通過GTDO 傳送，同時(shí)控保設(shè)備經(jīng)GTDI 將開關(guān)量信號送給仿真系統(tǒng)。

針對直流配電網(wǎng)仿真工程，還需要外設(shè)MMC-SUPPORT-UNIT（GTFPGA），專門用于模擬MMC 結(jié)構(gòu)的柔性直流輸電換流閥部分，其運(yùn)行性能、仿真結(jié)果已得到業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)可。

4 RTDS 試驗(yàn)項(xiàng)目與結(jié)果

為了模擬杭州大江東直流配電網(wǎng)工程的實(shí)際運(yùn)行，配合該工程控制保護(hù)系統(tǒng)的性能測試和出廠試驗(yàn)，搭建了完全符合該工程拓?fù)浜蛥?shù)的RTDS 仿真模型和閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 柔性直流配電網(wǎng)仿真試驗(yàn)電氣參數(shù)

該工程在實(shí)際現(xiàn)場與控制保護(hù)相關(guān)的所有運(yùn)行工況、例行試驗(yàn)以及一些風(fēng)險(xiǎn)較大而不便于進(jìn)行的試驗(yàn)（比如一些交直流保護(hù)試驗(yàn)）都可以在本仿真平臺上模擬進(jìn)行，主要包括但不限于以下試驗(yàn)項(xiàng)目：分系統(tǒng)調(diào)試、換流站啟停、換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動態(tài)階躍、控制模式切換、直流電壓控制接管、單站投退、孤島聯(lián)網(wǎng)互轉(zhuǎn)、孤島運(yùn)行穩(wěn)態(tài)及動態(tài)試驗(yàn)等。以下僅列出部分重要試驗(yàn)內(nèi)容的結(jié)果與波形。

4.1 換流站的啟停及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

本項(xiàng)試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)有源HVDC（高壓直流輸電）、無功動態(tài)調(diào)節(jié)STATCOM 的啟停及功率升降。

圖11 列舉的是換流站站1、站2 分別啟動解鎖后，由站1 控制直流電壓，站2 控制有功功率，站2 輸入的有功功率由0 上升到5 MW 期間的直流電壓、交流電流、有功功率波形，上升速率設(shè)定為50 MW/min。從波形可以看出，功率上升過程平穩(wěn)，無過壓、過流現(xiàn)象，上升過程中直流電壓的波動不超過1.5%，在6 s 內(nèi)有功由0 上升到5 MW，上升速率的實(shí)際值與指令值（50 MW/min）基本吻合，符合控制要求。

圖11 換流站（以站2 為例）解鎖后升有功波形

4.2 換流站的動態(tài)性能試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證控制系統(tǒng)動態(tài)性能，在全工作范圍內(nèi)，有功功率、無功功率、直流電壓等的階躍響應(yīng)應(yīng)快速且不對交流系統(tǒng)造成沖擊。需要分別對站1、站2、站3 進(jìn)行有功、無功和直流電壓的階躍試驗(yàn)，系統(tǒng)能對階躍變化的指令值做出快速準(zhǔn)確的跟蹤，保證較快的上升時(shí)間和較小的超調(diào)量。

圖12 為換流站站2 的有功功率由-1 MW 階躍到4 MW 的有功、無功、直流電壓波形。從波形可以看出，有功上升時(shí)間約10 ms，超調(diào)量不超過20%，階躍結(jié)束達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)后，有功實(shí)際值與指令值（4 MW）基本吻合，可以認(rèn)為是一次平穩(wěn)、快速、精確的功率階躍。

4.3 換流站的單站投退試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)是驗(yàn)證在直流配電網(wǎng)多端運(yùn)行時(shí)，某單個(gè)換流站的投入或退出對運(yùn)行中的交直流網(wǎng)絡(luò)無較大沖擊。

圖13 為直流配電網(wǎng)有源運(yùn)行時(shí)，站1 正常停運(yùn)且極隔離退出期間的波形。換流站單站投入、退出運(yùn)行的整個(gè)過程中，直流網(wǎng)絡(luò)無沖擊現(xiàn)象，正負(fù)極開關(guān)分合瞬間無沖擊電流。

圖12 換流站（以站2 為例）有功階躍波形

圖13 站1 正常停運(yùn)，極隔離退出時(shí)的波形

4.4 孤島聯(lián)網(wǎng)互轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖14 為直流配電網(wǎng)有源運(yùn)行，功率指令為有功2 MW，無功0，負(fù)載2.4 MW 時(shí)，站1 聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島期間的交流電壓、交流電流、有功、無功波形。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，站1 發(fā)出有功2 MW，轉(zhuǎn)為孤島后，由站2 和站3 向站1 供電，站1 吸收有功2.4 MW。轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn)，期間交流電壓和電流未出現(xiàn)諧波或發(fā)散。

4.5 孤島運(yùn)行負(fù)載突變試驗(yàn)

圖15 為站1 跟交流電網(wǎng)斷開，無源運(yùn)行（站1 孤島方式）時(shí)，由站2、站3 給站1 供電，且站1負(fù)載由2.4 MW 突變到4.8 MW 時(shí)的交流電壓、交流電流、有功波形、無功波形?？梢钥闯?，在單端孤島且負(fù)載突變時(shí)，仍能保證可靠的供電質(zhì)量和良好的動態(tài)性能。

圖14 站1 聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時(shí)的波形

圖15 站1 單端無源且負(fù)載突變的波形

從以上仿真試驗(yàn)結(jié)果可看出，直流配電網(wǎng)工程的控制保護(hù)系統(tǒng)完全可以借助RTDS 仿真試驗(yàn)平臺進(jìn)行各項(xiàng)性能測試和出廠試驗(yàn)，控制保護(hù)策略的正確性和性能的可靠性也可以在該試驗(yàn)平臺上得以體現(xiàn)，從而為直流配電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際現(xiàn)場測試和順利運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文以杭州大江東直流配電網(wǎng)工程為背景，結(jié)合三端背靠背直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了柔性直流配電網(wǎng)RTDS 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的建模及試驗(yàn)平臺的搭建，基于此實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)平臺，可對柔性直流配電網(wǎng)控制保護(hù)裝置進(jìn)行性能驗(yàn)證和產(chǎn)品測試。下一步將會把直流斷路器、直流變壓器等新型直流設(shè)備的詳細(xì)模型接入仿真系統(tǒng)，進(jìn)一步測試研究直流配電網(wǎng)的故障及分?jǐn)?、新能源及儲能系統(tǒng)接入等方面的特性。