基于PSCAD/EMTDC的HVDC換流器觸發控制建模仿真

劉 磊，林 圣，何正友

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

Δφ=αo-αPCO+30°

tf=tf1+Δt

基于PSCAD/EMTDC的HVDC換流器觸發控制建模仿真

劉 磊，林 圣，何正友

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

為準確分析高壓直流輸電(HVDC)的動態行為，針對PSCAD/EMTDC軟件自帶的換流器元件全封裝導致仿真靈活性降低的問題，搭建了較詳細的換流器觸發控制模型。以自定義元件為基礎，實現了目前工程廣泛采用的等相位間隔觸發控制。仿真分析了控制環節的響應特性，并將觸發控制模型引入HVDC系統模型，對比仿真結果與工程實際錄波，驗證了所建模型的準確性。

HVDC；換流器觸發控制；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)以其在遠距離、大容量輸電和區域聯網的顯著優勢在中國電力格局中占據著越來越重要的地位[1-3]。準確的HVDC電磁暫態模型對研究其動態行為、分析故障特性和研究交直流相互影響具有重要意義[4]。國際大電網會議(International Council on Large Electric systems，CIGRE)基于PSCAD/EMTDC軟件搭建的基準模型(Benchmark)提供了較完善的模型庫和控制方法，但對換流器觸發控制部分采用了全封裝形式，用戶只能定義部分輸入參數，查看部分輸出變量，無法了解內部具體的控制方式，更不能手動調整[5]。當實際系統的換流器觸發控制結構和參數改變時，模型就不再滿足仿真需求。

目前關于HVDC控制系統的建模仿真已經有許多分析和探索[6-9]，但對換流器觸發控制進行詳

細建模的文獻較少。文獻[10]介紹了鎖相環、相控振蕩器的實現方法，但未提出整體模型框架。文獻[11]建立了基于ABB實際控制器的簡化模型，但其模擬逆變側故障時仿真結果與實測曲線有較大誤差。

下面分析了等相位間隔觸發控制的基本原理及關鍵環節的實現方法，并在PSCAD/EMTDC軟件中自定義了相關元件，搭建了完整的換流器觸發控制模型?？刂骗h節及整體模型的仿真結果都驗證了模型的準確性。

1 基本控制原理

換流器觸發控制是HVDC系統控制和調節的基礎，將觸發角指令轉化為觸發脈沖，控制各個閥的觸發時刻。采用的等相位間隔觸發控制以保證各觸發脈沖間相位間隔相等為控制目標，其基本原理[12-15]如下：

1)在確定某個閥的觸發時刻時，利用上兩個閥的觸發信息對觸發角指令進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為鎖相環的影響因子(一般取0.05)；αPCO-1對應上次觸發閥;αPLL為根據鎖相相位實測的觸發角。式(2)中，Δφ-1是上兩個閥觸發脈沖的實測相位間隔。

2)根據觸發角指令αo和αPCO確定當前閥觸發時間間隔指令Δt。

Δφ=αo-αPCO+30°

(3)

(4)

3)以上個閥的觸發時刻tf1為時間起點，確定當前閥的觸發時刻tf。

tf=tf1+Δt

(5)

以12脈動換流器為例，系統正常運行時Δφ保持30°不變，αo-αPCO=0。

若觸發角指令發生變化αo-αPCO≠0。由式(1)～式(3)可知，對于當前閥Δφ≠30°，但在等距性修正的作用下，下個閥觸發時Δφ仍可恢復至30°。

若交流電壓相位發生變化，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，即觸發脈沖緩慢跟蹤相位變化，且盡可能保證Δφ為30°。

2 元件設計與模型結構

2.1 自定義元件設計

建模重點在于觸發時刻信息的采集、αpLL的測量、脈沖產生邏輯的實現。對于以上功能，PSCAD/EMTDC軟件均未提供相應的元件或組件，需自行設計。

2.1.1 觸發時刻寄存元件

圖1 觸發時刻寄存元件外觀圖

為實現閉環控制，用上兩個閥的實測觸發間隔進行等距性修正，用上個閥的實測觸發角進行換相電壓同步修正。觸發時刻寄存元件保證計算當前閥的觸發時刻時，上兩個閥的觸發時刻信息未丟失。外觀圖如圖1 所示。

引腳定義情況如表1所示。

表1 觸發時刻寄存元件引腳定義

實現原理如圖2所示，圖中tf i表示此前第i個閥的觸發時刻，利用EMTDC提供的兩個存儲單元專門存儲tf1和tf2，Si表示此前第i個閥觸發后兩個存儲單元中的內容。

圖2 觸發時刻寄存元件實現原理

每個仿真步長都判斷是否有新的脈沖到達，若是，則從當前時刻開始，新到達的脈沖變為“上個閥觸發脈沖”，此前所認為的“上個閥觸發脈沖”變為“上上個閥觸發脈沖”，故用tf1更新tf2，并用新脈沖到達時刻更新tf1；否則不做更新。由圖2可知，從時間軸上任意一點來看，兩個存儲單元里均為此前兩個閥的觸發時刻數據。

由于仿真步長很小(10 μs)，可及時捕捉到脈沖并判斷是否更新。

2.1.2 換相電壓過零時刻計算元件

根據各閥對應換相電壓的鎖相相位可判斷其過零時刻，以求得準確的αpLL。元件外觀圖如圖3所示。

引腳定義情況如表2所示。

實現原理如圖4所示，對A、B、C三相交流電壓相位的正弦、余弦分別鎖相，可得到6個穩態時相位

表2 換相電壓過零時刻計算元件引腳定義

相差60°的斜坡信號，其值均在0°～360°變化。分別檢測各斜坡信號的過零時刻和值為180°時刻，可得12個換流閥分別對應的換相電壓過零時刻。任何時刻只需輸出本次觸發閥最近一次換相電壓過零時刻。

圖4 換相電壓過零時刻計算元件實現原理

PLL鎖相環采用PSCAD/EMTDC軟件自帶元件。過零時刻檢測思路與2.1.1類似，利用12個存儲單元分別寄存12個閥對應的換相電壓過零時刻，以斜坡信號幅值大小為更新條件。閥號與換相電壓過零點的對應關系如表3所示，負號表示波形的負過零點。

表3 閥號與換相電壓過零點對應關系

2.1.3 脈沖產生元件

元件利用觸發間隔信號得到控制脈沖，再轉換為觸發脈沖分配給各閥。外觀圖如圖5所示。

圖5 脈沖產生元件外觀圖

引腳定義情況如表4所示?？刂泼}沖產生原理如圖6所示。穩態時兩個相鄰觸發脈沖Δφ=30°，

表4 脈沖產生元件引腳定義

圖中對應線1。暫態時在系統調節作用下，Δφ可能在30°附近波動，圖中對應線2。在每一個仿真步長判斷當前相位與最近一次觸發相位的差Δφnow是否≥Δφ，若是則立即產生一個控制脈沖，并更新Δφnow。如此循環，可以得到滿足觸發間隔要求的脈沖序列。

圖6 控制脈沖產生原理

將控制脈沖轉換為12個觸發脈沖對應各閥，原理如圖7所示。圖中Pre_v為上次觸發閥號，Next_v為待觸發閥號，Pi為i閥的觸發信號。閥選擇邏輯可根據Pre_v得到Next_v。采樣保持器每到達一個控制脈沖，Next_v通過采樣保持器成為Pre_v，此時觸發脈沖產生模塊立即將Pre_v變為高電平，持續120°；同時閥選擇邏輯計算出新的Next_v。如此循環，最終產生的12個觸發脈沖同時滿足觸發順序和觸發間隔要求。

圖7 觸發脈沖產生原理

2.2 模型結構

模型整體結構框圖如圖8所示。

用來自極控系統的αo和來自相控振蕩器的αPCO計算Δt，并根據不同工況設置限幅，以滿足直流系統整體穩定性的相關特性要求。Δt經過脈沖產生元件后，得到作用于換流器的觸發脈沖及用于計算反饋量的控制脈沖。時刻寄存元件將控制脈沖轉化為兩個時間量，相控振蕩器結合αPLL、Δφ-1和上個計算周期的αPCO得到新的αPCO，實現閉環控制。

圖8 模型結構框圖

3 仿真分析

為驗證模型準確性，仿真分析重要控制環節的響應特性，并將引入所建模型的直流系統模型仿真結果與工程實際錄波對比。

以靈州—紹興±800 kV直流工程一次參數為基礎，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建直流測試系統模型如圖9所示。AC_1、AC_2分別為整流側、逆變側交流系統，用電壓源串聯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?？刂葡到y中主控、極控模型根據測試需求，在實際控制的基礎上進行一定簡化，未考慮變壓器分接頭控制、順序控制等動作時間較長的控制功能，換流器觸發控制采用所建模型。

圖9 直流測試系統

3.1 換流器觸發控制環節響應特性

模擬整流側交流母線在0.6 s時發生三相短路故障，持續0.05 s。

αPCO與αo仿真波形如圖10所示。系統穩定運行時二者基本擬合，觸發脈沖等相位間隔；故障期間，αo下降至5°，但交流電壓的異常導致αPLL計算錯誤，進而影響αPCO使其劇烈變化；故障恢復后，αo被整流側最小觸發角控制器限制在30°，一段時間后逐漸恢復為15°，在此期間交流電壓正常，觸發模型的負反饋調節作用使αPCO能快速跟蹤αo，保持等相位間隔觸發。

圖10 整流側三相故障αPCO與αo仿真波形對比

脈沖產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。在此暫態過程中，控制脈沖的實測間隔總與Δt保持一致。

圖11 觸發間隔與控制脈沖仿真波形

3.2 模型整體仿真驗證

模擬逆變側交流母線在0.6 s時發生三相短路故障，持續0.05 s。對比相同故障條件下仿真波形與靈州—紹興直流系統聯調試驗實測波形，結果如圖12所示。

故障時，逆變側發生換相失敗，直流電壓迅速降低，直流電流增大。整流側在定電流控制作用下，觸發角增大，電壓減小，抑制電流增大。故障消除后，逆變側電壓恢復，各物理量恢復正常?？梢钥闯?，仿真得到的直流電流、直流電壓及觸發角變化趨勢基本準確。系統恢復過程中仿真結果與實際有一定差別(仿真整流側一直保持定電流控制，而實際有0.1 s左右為定最小觸發角控制)，其原因是極控系統模型調節功能、控制參數等無法與實際完全一致，導致暫態過程中整流側控制模式切換有差異。

4 結 論

1)基于PSCAD/EMTDC軟件自定義了等相位間隔觸發控制所需控制元件，在其基礎上設計了HVDC換流器觸發控制整體模型結構，提高了建模仿真靈活性。

(1)整流側直流電壓

(2)逆變側直流電壓

(3)直流電流

(4)

2)各控制環節響應特性與理論相符，模型可實現等相位間隔觸發，且觸發間隔信號可精確轉化為脈沖信號。

3)采用所提觸發控制模型的直流輸電系統模型仿真結果與實際系統動態響應基本一致，驗證了所提模型的準確性及可行性。

[1] 趙婉君．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[2] 鄭超．直流逆變端擾動對整流端影響機制及應對措施[J]．中國電機工程學報，2016，36(7)：1817-1827．

[3] 湯奕，陳斌，皮景創，等．特高壓直流分層接入方式下受端交流系統接納能力分析[J]．中國電機工程學報，2016，36(7)：1790-1800．

[4] 劉云，蔣衛平，印永華，等．特高壓直流大電網的數?；旌蠈崟r仿真系統建模[J]．電力系統自動化，2008，32(12)：52-56.

[5] 董曼玲，謝施君，何俊佳,等．采用ATP/EMTP的CIGRE HVDC建模與仿真[J]．高電壓技術，2010， 36(3)：796-804．

[6] 雷霄，許自強，王華偉,等．±800 kV特高壓直流輸電工程實際控制保護系統仿真建模方法與應用[J]．電網技術，2012，37(5)：1359-1364．

[7] 黃志嶺，田杰．基于詳細直流控制系統模型的EMTDC仿真[J]．電力系統自動化，2008，32(2)：45-48.

[8] 劉文焯，湯涌，萬磊,等．大電網特高壓直流系統建模與仿真技術[J]．電網技術，2008， 32(22)：1-3．

[9] Faruque M O，Zhang Y Y，Dinavahi V. Detailed Modeling of CIGRE HVDC Benchmark System Using PSCAD/EMTDC and PSB/SIMULINK[J]. IEEE Transactions on Power Delivey, 2006，21(1)：378-387．

[10] 熊凌飛．HVDC換流閥觸發控制模型研究[D]．北京：華北電力大學，2011.

[11] 萬磊，丁輝，劉文焯．基于實際工程的直流輸電控制系統仿真模型[J]．電網技術，2013，37(3)：629-634．

[12] ABB，Overview of the HVDC Control system[G] ．IJNL100033-106.

[13] ABB，Converter Firing Control Technical Report[G] ．IJNL100037-013.

[14] 陶瑜．直流輸電控制保護系統分析及應用[M]．北京：中國電力出版社，2015．

[15] 李興源．高壓直流輸電運行與控制[M]．北京：科學出版社，1998．

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

國家自然科學基金資助項目(51307145)

TM771

A

1003-6954(2017)01-0014-05

2016-10-27)

劉 磊(1993)，博士研究生，研究方向為高壓直流輸電控制與保護。