多端柔性直流输电系统启动控制及其仿真.pdf

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第41卷第14期2013年7月l6日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.41NO.14July16,2013多端柔性直流输电系统启动控制及其仿真冯明,李兴源,李宽,朱瑞可,陈博(四川大学电气信息学院,四川成都610065)摘要:启动控制是多端柔性直流输电(VSC-MTDC)系统中重要的附加控制。合适的启动控制策略可以减小VSC-MTDC启动时—产生的过电压和过电流,缓解其对交流电网和各个元器件的冲击,防止设备损坏。为此,首先分析了VSCMTDC系统过电压—过电流的形成原因,针对不同的启动阶段设计了适合于VSCMTDC系统的启动控制策略,最后在PSCAD/EMTDC环境下建立了VSC-MTDC系统的模型,验证了设计的启动控制策略。仿真结果表明,该控制策略可以有效地抑制启动过程中的过电压和过电流,保证系统平稳地过渡到额定运行状态。关键词:电压源换流器;多端直流输电;启动控制;电容器充电;限流电阻ControlandsimulationofVSC--MTDCstart--upprocedureFENGMing,LIXing-yuan,LIKuan,ZHURui-ke,CHENBo(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)—Abstract:Start-upcontrolisanimportantadditionalcontrolinthesystemofmultiterminalHVDCbasedonvoltagesource—converterfVSC-MTDC).AppropriatestartupcontrolCanreducetheimpactofover-voltagesandovercurrentsontheACgrid,andavoidthedamagetoequipment.Tothisend,theanalysisoftheove ̄voRageandover-currentcauseshasbeendone;andthenastart・・upcontrolstrategywhichissuitablefortheVSC--MTDCsystemhasbeendesigned;atlastaVSC・-MTDCsystemmodelhasbeenbuiltinthesoftwarePSCAD|EMTDCtoverifytheeffectivenessoftheprocedure.SimulationresultsshowthatthecontrolstrategyCaneffectivelyrestricttheover-voltageandover-currentinthest’art-upprocess,whichensuresthesystemSsmoothtransitiontOitsratedstate.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51037003).—Keywords:voltagesourceconverter(VSC);muRiterminalHVDC;start-upcontrol;capacitorcharging;limitresistor中图分类号:TM72文献标识码:A——文章编号:16743415(2013)140060-060引言随着大功率电力电子全控开关器件和PWM(PulseWidthModulation)技术的发展,基于电压源型换流器的柔性直流输电(HighVoltageDirect—CurrentBasedonVoltageSourceConverter,VSCHVDC)技术得到了迅速的发展【lJ。VSC.HVDC作为一种新型的直流输电技术,克服了传统直流输电系统中的消耗大量无功功率、会发生换相失败、必须联结于有源网络等缺点,并且具有可独立控制有功和无功功率;可向孤岛或无源网络供电;可以动态补偿交流母线无功功率;潮流反转时直流电流基金项目:国家自然科学基金重点项目(51037003);国家电网公司科技项目资助方向反转,而直流电压极性不变等特点。在此基础上发展而来的多端柔性直流输电(Multi.terminal—HVDCbasedonVoltageSourceConverter,VSCMTDC),由于其能够实现多电源供电,多落点受电,输电方式灵活快捷,因而吸引了越来越多的学者对其进行更加广泛和深入的研究L6J。多端柔性直流输电系统是由多个基于VSC的换流站及其相互连接的各直流输电线路所组成的高压直流输电系统。合适的启动控制策略对—VSCMTDC正常投入运行和保障设备安全是十分必要的。到目前为止,针对VSC.MTDC的研究多集中于稳态运行控制策略和提高故障情况下的运行—性能等方面,而对VSCMTDC的详细启动过程的研究还较少。文献[9】给出了一端定直流电压,一端—定交流电压控制方式下两电平VSCHVDC的启动冯明,等多端柔性直流输电系统启动控制及其仿真一61.控制策略。文献[10]针对新型模块化多电平电压源换流器,详细分析了其预充电动态过程,并设计了合适的预充电控制策略。文献[11]研究了两电平—VSCHVDC的启动特性,提出了一种基于拉普拉斯变换的启动电阻的设计方法。但是,上述文献仅是针对单个换流站和两端VSC系统进行了建模和仿真研究,对于需要协调控制多个换流站和直流线路的多端柔性直流输电系统的研究则还基本处于空白阶段。随着我国舟山多端柔性直流系统的建成投运以及我国柔性直流输电技术的不断推广和发展,针—对VSCMTDC的启动控制策略以及建模仿真研究就显得更加必要。针对目前应用较广泛的两电平电压源型换流器的拓扑结构,首先分析了VSC.MTDC启动时过电压和过电流的形成过程,进而提出了一种适用于多端柔性直流系统的协调控制方案,并在PSCAD/EMTDC中搭建的三端柔性直流系统中进行了仿真验证。仿真结果表明,所提出的协调控制方案能够有效地抑制VSC启动时的过电压和过电流,并能够快速有效地完成对直流电容器的充电,进而使系统安全平稳地过渡到额定运行状态。1VSC.MTDC启动过电压过电流形成机理三相两电平电压源型换流器的的主电路拓扑结构如图1所示。在同步旋转dq坐标系下,一端VSC换流站的交流侧数学模型可用式(1)表示。为—Uedqj警姻(1)式中,为输出电压的dq轴分量;为交流母线电压的dq轴分量;dq为电抗器电流的dq轴分量;尺和分别为换流器的等效电阻和等效电感;为额定角频率。直流侧电容的充电过程可用图2来描述。在启动的初始阶段,换流器的电容未充电,=0,交流图1两电平电压源型换流器的的主电路拓扑结构图Fig.1Maincircuittopologydiagramoftwo-levelVSC输出端电压=0,由于换流器的等效电阻尺。和等效电感£都较小,故如果没有采取限流措施,将产生很大的充电电流i,并发生一定程度的电压过冲现象。并且由于在VSC中所采用的IGBT元件相较于传统直流输电所采用的晶闸管元件,其耐压等级和所能承受的过电流水平都要小得多,故在VSC.MTDC系统的仿真和工程设计中都需要采取有效的限流措施,用以防止过大的过电流和过电压损伤设备,危及系统运行安全。图2建立过程Fig.2ProcessofUaestablishing2VSC.MTDC启动控制策略2.1VSC-MTDC系统基本控制原理—VSCMTDC系统由于采用了电压源型换流器,在运行的过程中需要有稳定的直流侧电压。对于所有的换流站,直流电压都是相同的。直流电压由一个换流站控制,其余的换流站则通过控制流经本站—的直流电流来控制各自的功率。在VSCMTDC系统中,控制直流电压的节点相当于一个有功功率平衡节点。其他换流站的功率与流经该站的直流电流成正比,其他换流站的直流电流之和等于控制直流电压的换流站处的直流电流。以一个三端VSC.HVDC为例来说明。其主电路拓扑图如图3所示。换流站1采用定直流电压控制,其余换流站采用定有功功率控制。在这种情况下,换流站2和换流站3可根据实际情况调制输出的有功功率,换流站1则负责确定VSC.MTDC系统的直流电压,其有功功率输出等于其余换流站有功功率输出与系统损耗之和。在理想的情况下,各换流站只需根据本地电压,功率信号即可完成各站的控制目标,从而使整个系统安全稳定地运行I1。现在常使用的换流站级控制系统主要分为间接电流控制和直接电流控制两大类,目前主要采用的“”是直接电流控制,也称为矢量控制。其控制系统结构主要包括:内环电流控制器,外环电压控制器,同步锁相环(PLL),触发脉冲生成环节等。直接电流控制原理示意图如图4所示[14-15】。电力系统保护与控制图3三端VSC.HVDC拓扑图——Fig.3TopologyofthreeterminalVSCHVDC图4中外环控制器主要有:定直流电压控制,定有功功率控制,定交流电压控制和定频率控制等。其中Aref为有功功率类控制量,如直流电压、直流电流、交流系统频率等;f为无功功率类控制量,如无功功率、交流电压等。对于控制量的选取,每个换流站只能在两类控制量中各选其一。图4直接电流控制原理示意图Fig.4Schematicdiagramofthedirectcurrentcontrol—2.2VSCMTDC启动过程对于单个VSC换流站的启动过程可以分为两个阶段:电流不可控阶段和电流可控阶段。在电流不可控阶段,主要通过串接限流电阻Iim来限制启动阶段的过电流;在电流可控阶段,主要通过系统的外环控制器来限制启动阶段的过电流。从而实现在启动的整个过程中均能够将充电电流限制在合理安全的范围内。VSC两阶段启动控制如图5所示。对于限流电阻的接线方式,可以选择串接在直流侧,也可以选择串接在交流侧。当选择串接在交流侧时,既可以接在变压器高压绕组侧,也可以接在低压绕组侧。对于采用不同外环控制量的换流站,其启动控制方式也不尽相同。对于定直流电压控制端来说,可以先封锁触发脉冲,当直流侧电容两端的电压上升到设定值时,再解除脉冲封锁,并切换到定直流电压控制方式。对于定有功功率控制端来说,可以先断开直流线路,然后采用与定直流电压控制端完全相同的启动控制方式;当直流电压达到额定值时再接通直流线路,并切换到正常的定有功功率控制方式。当然,也可以在启动期问始终封锁触发脉冲,直到直流电压在定直流电压控制端的控制下达到额定值,再切换到正常的定有功功率控制方式。一一一一一::::::一,=::::::::一:=一~一一Hk…L一一一二一一j【_IL…一一堕JI…I…一j图5VSC两阶段启动控制—Fig.5Two-stagestartupcontrolofVSC根据单个VSC换流站的启动过程,在VSC.MTDC系统中由于各个换流站的外环控制量不同,故其对应的启动控制方式也有所不同。由于在VSC.MTDC系统中必须要有一端采用定直流电压的控制方式,故一般选择定直流电压控制端为主导换流站。主导换流站通过其限流环节来控制启动过程中的过电流。VSC.MTDC的启动过程为:首先,各换流站闭锁本地IGBT的触发脉冲,接入限流电阻Rl然后,交流系统通过由续流二极管所组成的三相全波不可控整流桥来对直流电容充电;当主导换流站的直流电容电压达到设定值时便可以切除其限流电阻,此时主导换流站已经具有了一定的直流电压控制能力,之后就可以按照制定的启动控制策略将各直流电容与直流线路电压继续提升到额定值附近;当检测到各换流站的直流电容与直流线路电压都已经充电到预设的值时,就可以切除所有的限流电阻,打开IGBT触发脉冲,将VSC.MTDC切换到一般控制策略。冯明,等多端柔性直流输电系统启动控制及其仿真一63.2.3限流电阻的整定和投切在VSC.MTDC系统的启动过程中,限流电大小的选择十分重要,如果选择的太小,则其限流作用不够明显;若选择的太大,则导致直流电压上升过于缓慢,并有可能是直流电压无法达到解除触发脉冲的设定值。由于限流电阻的选择与交直流两侧的系统参数以及控制与工作方式等密切相关,所以到目前为止还没有有效的方法能够计算出限流电阻的大小。限流电阻的整定一般是通过仿真验证的方法来获得的l。限流电阻的投切时间对VSC.MTDC系统的顺利启动也有着关键性的影响。若限流电阻切除的电压阀值武过小,将会影响其对过电流的抑制效果;若。设定的过高,由于当直流电压提升到0.9pu左右时其提升速率很低,故会导致直流电压迟迟无法达到。从而使启动过程过长。总体来说,限流电阻大小的选择和投切时间的确定应至少满足以下条件:(1)限流电阻能够有效限制启动第一阶段产生的最大冲击电流和最大冲击电压;(2)能够保证直流电容两端的电压迅速上升到解除触发脉冲闭锁的阈值;(3)限流电阻容量满足系统要求。3仿真验证为了验证所述启动控制的有效性,在PSCAD/—EMTDC环境下搭建了如图3所示的VSCMTDC的仿真模型。系统额定频率为50Hz,两条直流电缆长度均为100km。各个VSC换流站的参数如表1所示。表1换流站参数Table1Parametersofconverterstations在未采用任何启动控制的情况下,在VSC.MTDC系统的启动阶段,各换流站交流侧均出现了很大的过电流,峰值均在2kA以上。如图6~图8所示。由图6~图8可知,在加入所设计的启动控制策略之后,三个换流站交流侧的电流均得到了明显的抑制,均被限制在了0.8kA以内,交流侧电流波动情况得到了有效缓解,这样就有效减轻了启动初期的冲击电流对交直流侧的影响,提高了系统的稳定性。t图6换流站1交流侧单相电流Fig.6Single-phasecurrentoftheconverterstation1图7换流站2交流侧单相电流Fig.7Single-phasecurrentoftheconverterst ̄ion21.501..050.0:1.5图8换流站3交流侧单相电流Fig.8Single-phasecurrentoftheconverterstolon3在启动的过程中换流站1直流侧电压的变化情况如图9所示。由图9可知,在没有启动控制时,换流站1的直流侧电压从零迅速提升到400kV以上,然后持续波动。这种情况下,对交直流侧的冲击都非常大,不利于系统的稳定。而在加入启动控制后,开始阶段直流电压平滑上升,避免了启动时的冲击电压。当直流侧电压到达360kV左右时,电压上升的速率明显降低。此时应切除限流电阻,解除换流站1的脉冲闭锁。与此同时,利用换流站1的直流电压控制能力进一步提高直流电压到达额定值400kV。换流站2和换流站3直流侧电压如图10~图11—所示。在VSCMTDC系统启动的初期,两个换流站的电压都是稳步上升的,没有出现电压过冲现象。22l●OOO1电力系统保护与控制图9换流站1直流侧电压Fig.9DCvoltagesoftheconverterstation1在0.2S左右时,换流站1切换到了定直流电压控制,故换流站2和换流站3直流侧的电压在该控制作用下继续提升。图10换流站2直流侧电压Fig.10DCvokageoftheconverterstation2图11换流站3直流侧电压Fig.11DCvoltageoftheconverterstation3由于控制系统的设计需要综合考虑到超调量、调节时间等多个性能指标,故不可避免地会出现一定的过调。在没有启动控制时,由于直流电压是从0快速提升到400kV以上,故其电容充电电流会很大,电压过冲现象也比较明显。其电压峰值可达460kV以上。而当采用了启动控制之后,虽然由于控制方式的转换、限流电阻的投切和脉冲闭锁的解除会使直流电压出现短暂的过调,但是由于之前直流侧电压已经调升到了额定值附近,故其电容充电电流比没有启动控制时要小得多,对交直流的冲击也要小得多,而且之后能够迅速恢复稳定。由图9~图11可知,在系统加入启动控制之后,有效改善了系统的启动,从而保证了系统的安全稳定运行。仿真结果表明,所设计的VSC.MTDC系统的启动控制策略有效地缓解了启动阶段的过电压和过电流,使得直流电容两端的电压能够平缓上升到额定值附近,电容充电电流明显减小,从而减小了对交直流系统的冲击,保护了IGBT元件等输电设备。4结语本文针对多端柔性直流输电系统启动过程中过电压和过电流的产生原因进行了分析,然后设计了旨在减小启动过程中对系统冲击的启动控制策略,并在PSCAD/EMTDC环境中搭建了一个三端VSC.MTDC的仿真模型,进而验证了所述启动控制的有效性。结果表明,本文所述的启动控制是有效的,可行的。其控制策略对其他拓扑结构的VSC.MTDC系统的启动也有很大的借鉴意义。参考文献[1]VSCTransmission[R].CIGREStudyCommitteeB4,2004.[2]李兴源.高压直流输电【M】.北京:科学出版社,2010.[3]姚为正,邓祥纯,易映萍,等.基于dq0同步坐标的柔性直流输电控制策略及仿真研究[J1.电力系统保护与控制,2009,37(22):71.76.YAOWei-zheng,DENGXiang-chun,YIYing-ping,eta1.ResearchonmodelingandsimulationofVSC-HVDCbasedondq0synchronouscoordinate[J].PowerSystemProte ̄ionandControl,2009,37(22):71-76.[4]郑连清,池俊锋,陆治国.基于三级模糊自适应PI控制的VSC.HVDC控制器设计[J],电力系统保护与控制,2011,39(23):117.122.ZHENGLian-qing,CHIJan・feng,LUZhi・guo.Three・-stepfuzzyadaptivePIcontrollerforVSC・-HVDCsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(23):117-122.[5]袁旭峰,程时杰.多端直流输电技术及其发展[J].继电器,2006,34(19):61-67.—YUANXufeng,CHENGShi-jie.Multi-terminalHVDCtransmissiontechnologyanditsdevelopment[J].Relay,2006,34(19):61-67.[6]陈谦.新型多端直流输电系统的运行与控制【D].南京:东南大学,2005.[7]张茜.电压源型换流器控制策略的研究及其应用[D】.青岛:青岛科技大学,2011.[8]唐健,刘天琪,李兴源.新型直流输电数学模型和控—制方式研究综述[J】.继电器,2006,34(14):7580.TANGJian,LIUTian-qi,LIXing-yuan.Currentdevelopmentonthemathematicmodelandcontrolof冯明,等多端柔性直流输电系统启动控制及其仿真.65.—VSCHVDC[J].Relay,2006,34(14):7580。[9]梁海峰,王鹏,李广凯,等.VSC.HVDC系统起动过程—控制及仿真[J].华北电力大学学报,2006,33(2):7982.LIANGHai-feng,WANGPeng,LIGuang-kai,eta1.SimulationandcontrolofVSC--HVDCstart・・upprocess[J].JournalofNorthChinaElectricPower—University,2006,33(2):7982.[10]孔明,邱字峰,贺之渊,等.模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略[电网技术,2011,35(11、:67-73.KONGMing,QIUYu・feng,HEZhi-yuan,eta1.Pre-chargingcontrolstrategiesofmodularmultilevelconve ̄erforVSC-HVDC[J].PowerSystemTechnology,2011,35(11):67-73.[11]王珂,骆健,杨胜春,等.向无源网络供电的VSC.HVDC启动控制研究[J】.中国电机工程学报,2011,3l(增刊1:277.281.—WANGKe,LUOJian,YANGShengchun,eta1.StartupproceduresfortheVSC-HVDCsystemsupplyingpowertopassivenetwork[J].ProceedingsoftheCSEE,2011,31(S):277-281.[12]杨浩,张楠,叶明佳.向无源网络供电的VSC.HVDC离散模型及其控制策略[J].电力系统保护与控制,2012,40(4):37-42.YANGHao,ZHANGNan,YEMing-jia.Studyof—VSCHVDCconnectedtopassivenetworkdiscretemodelandjtscontrolstrategies[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(4):37-42.汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[MI.北京:中国电力出版社,2010.张欢,刘天琪,李兴源,等.新型多端直流输电技术研究[J].四川电力技术,2007,30(6):1-5.ZHANGHuan,LIUTian-qi,LIXing-yuan,eta1.Researchonanovelmulti-terminalHVDCtechnology[J].SichuanElectricPowerTechnology,2007,3O(6):1-5.陈谦,唐国庆,胡铭.采用dq0坐标的VSC.HVDC稳态模型与控制器设计[J].电力系统自动化,2004,—28(16):6166.CHENQian,TANGGuo-qing,HUMing.CurrentdevelopmentonthemathematicmodelandcontrolofVSCHVDC[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(16):61・66.饶宏,黄莹,陈名,等.中海油文昌柔性直流输电系统启停仿真分析[J】.南方电网技术,2011,5(4):5-9.RAOHong,HUANGYing,CHENMing,eta1.SimulationanalysisonstartingandstoppingofCNOOC—WenchangVSCHVDCtransmissionsystem[J].SouthernPowerSystemTechnology,2011,5(4):5-9.—收稿13期:2012-0917;修回Et期:2012-11-01作者简介:冯明(1988一),男,硕士研究生,研究方向为高压直流输电、电力统稳定与控制:E.mail:fengming1987@sina.com李兴源(1945一),男,教授,博士生导师,IEEE高级会员,主要研究方向为高压直流输电、电力系统稳定与控制;李宽(1988一),男,博士研究生,主要研究方向为电力系统稳定与控制。印印I二Inn-二J
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