直流输电准稳态模型有效性的仿真验证

1、直流输电准稳态模型有效性的仿真验证1引言目前广泛使用的交直流电力系统机电暂态仿真程序中，直流换流器普遍采用准稳态模型1,2，其根本电路结构如图 1所示。利用这种模型计算时，取换流站交流母线电压V作为计算时的换相电压，换流站的所有控制角都据此换相电压来定义；取换流变压器的漏抗作为计算时的换相电抗。在此前提条件下，多桥换流器的各个单桥之间没有相互影响，可以独立计算。一个单桥6脉动换流器(逆变器)的准稳态模型可以采用如下一组表达式来描述3:(1)4% =(3Xc/n)Zdu,(2)(3)(4)(5>(7)arccos(近 Xc fV)式(1)(8)中VdO为无相控的理想空载直流电压；V为换流母

2、线电压；DVdc为换相压降；Vdc、Ide、Pdc、Qdc、分别为直流电压、电流、有功、无功；cosj为换流装置的功率因数；b、g及m分别为换流器(逆变器)的触发越前角、关断角及换相角；Xc为折算到阀侧的换流变压器的漏抗。而实际上，由经典换流理论导出换流器计算模型并非如上所述，而是如图2所示。图中，换相电压为从换流站交流母线看出去的系统等值电势，相应地换流站的所有控制角都据此等值电势来定义；换相电抗由交流系统等值电抗和换流变压器漏抗两者组成。因此，对于一个多桥换流器而言，因其中的各个单桥通过交流系统等值电抗耦合，故各个桥的运行是相互影响的。血经硼型所依据的沁讎g虫®Equhaknt

3、drcuii or thenioddHk.2为使讨论更清楚，称按图1导出的换流器模型为准稳态模型(Quasi-Steady StateModel)，称按图2导出的换流器模型为经典模型 (Classical Model)。因此，自然就存在如 下的问题：准稳态模型与经典模型是否一致？如不一致，准稳态模型的误差在什么范围？本文试图采用数字仿真的方法对上述问题进行研究。2准稳态模型的分析对准稳态模型进行验证，首先要尽可能地再现该模型成立的根本条件，即(1) 换流母线电压是对称、平衡的正弦波；(2) 换流器本身的运行也是对称的；(3) 直流电压、直流电流是平直的；(4) 换流变压器无损且激磁电抗可以忽略

4、。合理选择系统元件及其参数， 条件(2)(4)不难满足。要使条件(1)得到满足，那么须在交流侧 装设完善的滤波装置，才能维持换相电压为正弦。在稳态条件下，当只考虑基波分量时，直流输电系统与交流系统的接口电路结构可用图3来表示。比照图3与1可看出：只有当交流系统等值阻抗Z为0,即交流系统无穷大时，换流器的经典模型与准稳态模型才是一致的。而其他情况下两者并不相同。经典模型与准稳态模型之间的区别在于对交流系统的不同描述，准稳态模型的起点是换流母线，而经典模型那么考虑了交流系统的等值电源及等值阻抗。因此考察准稳态模型的有效性，就要考察换流母线电压保持不变时交流系统阻抗的变化是否会影响到换流器的运行。交

5、流系统阻抗的变化可用短路比SCR的变化来表示。汪：厂:“为z此氧皎脾怖也齡；zzo勿交诫茨$備阳埴*谦母城电也：野卉检誉空压鞋M鳳为直拽电旗刃“壷山用和尢劝1 f十久为交说打功阳t加0为矗泾的七功l 4i.a刘相的軸堆ft!吐辻金押帐障*图3 *渡输电系统与交滾系统的擾口橫型Fift. 3 InlcrfAce of AC and oPIJktAfde * 00直流输电准稳态模型是基于单个6脉动换流桥的各个阀的通断过程提出的。根据换流器运行在整流或逆变状态下，各有一套相应的计算公式。 因此，本文的仿真工作都是针对单桥换流器且使其分别作整流或逆变运行的。在测试系统中只保存一个换流装置，而将其他直流

6、局部进行等值。即：研究整流运行的特性时，需要在整流侧直流线路末端串联一个固定的直 流电压源来代替逆变侧电路；研究逆变运行特性时， 整流侧也需进行类似的等值，直流系统的准稳态模型并没有考虑控制系统的作用，因此对该模型进行验证时，也不应考虑控制系统的调节作用。验证的物理量主要包括直流电压 Vdc和电流Ide ,直流的有功Pdc和无功Qdc, 换相角m以及关断角go3交直流系统仿真模型图4给出了整流运行状态下的仿真模型,其交流侧结构及参数均取自 Cigre BenchmarkModel4。当换流器运行于逆变状态下时，只需将换流器各阀反向即可。图中，直流线路末端的直流电压源，整流运行时取为97kV,逆

7、变运行时为107kVo交流系统滤波器对于维持换流器准稳态运行具有重要作用。对于6脉动换流器，将在其交流侧产生n=6k±l次的谐波。为了维持换流母线的正弦波形，本文所采用的滤波器结构及参数如图5所示。装设滤波器后，仿真模型的交流侧系统阻抗频率曲线如图5所示，由图可交流系统滤波器的见，系统在5次及7次谐波频率以及高频段都表现出了很低的系统阻抗, 作用得到了表达。：r；电阻.堪憊闭吐写術单忖册业为辽it图§交漪遞波器结构亠taiww.xede>cn卜怙5 昭、川讣，,3312来源:输配电设备网4交直流系统的仿真及分析4.1仿真条件本文基于PSCAD/EMTD软件进行仿真工作

8、，与PSS/E、NETOMA等交直流机电暂态仿真软件不同，PSCAD/EMTD仿真的是交直流系统的电磁暂态，它采用的模型不是机电暂态的准 稳态模型，故可用它来验证准稳态模型的有效性。仿真系统必须要预先运行足够长的时间， 使其到达一个相对稳态后，再以此稳态为起点进行仿真，并与准稳态计算值作比拟。4.2逆变运行的换流器对于图4所示的模型，设逆变运行时换流器b=40°换流变压器的漏抗 uk=18%;其他系统参数采用图中所示的数据。根据式18，由准稳态模型计算得到的相关数据为Vdc=97.748kV ； g=20.97° ldc=4.626kA ； Pdc=452.18 MW。m=

9、19.03° Qdc=280.35MVar。令该测试系统的短路比 SCR从 2.5变到无穷大，可以得到一系列相关参数的仿真值。因为SCR勺变化必然会引起系统运行条件的变化如交流系统电压的降落以及功率的消耗都会随之改变。因此在每次仿真中，对于不同的SCR必须相应地改变交流等值电势来维持换流母线电压恒定。NCKa>勺射幅比的获陥浏览更多信息一 0 S.G K a 10 G 20.0 «SCRidl d鹿暫助，昭功巻馳爲比®7仿真11与计算值之间的英斥Hv. 7 RrUtionship h«(wccp 1h« 就里g仲僧 atxl. >.

10、 wwuj *teae* cncukulabon图7给出了 SCF变化时仿真结果与准稳态计算结果之间的关系。由图可以看到，在SCR由2.5a范围内，Pdc、Qdc Ide、卩及丫的仿真值都只有很小的变化，近似表现为一条 直线。并且随着SCR的增大，该直线具有与准稳态计算数据接近的趋势。由经典及准稳态模型的定义出发，这一点是可以理解的，当 SCR增大为无穷，即交流系统等值阻抗为零，此时的交流电源直接联在换流母线上，此时的经典模型已经退化为准稳态模型。准稳态模型以标准正弦的换流母线作为计算的起点，忽略了交流阻抗的影响，因此它与实际系统模型或经典模型必然存在着误差。但进一步计算可知：各种物理量的误差

11、都在4%以内，而且随着交流系统强度的增大，这种误差会进一步减小，在工程计算中它是完全可以 忽略的。如果保持系统的短路比为 2.5不变，只改变换流器的触发角 a,可得到换相角 m关断 角g与触发角a之间的关系。由图8可看到，在整个逆变器的合理运行范围内， 仿真数据与 计算值几乎均相等。1K14125 IM D5140图"相氣关耐与触发倔隹虫Hp.H ('ommutaiion & cxlinctionliriri；4.3整流运行的换流器将换流器反向，使其运行在整流状态下，其系统结构仍如图4所示，触发角a设定为15°,其他参数与换流器逆变运行时保持一致，由准稳态模

12、型计算得到的运行参数为Vdc=103.894kV ;ldc=3.447kA ; Pdc=358.12MV； Qdc=166.38MVar ;卩=17.76 °。经类似的仿真得到的相关运行参数的数据如表1所示。由表1、2中数据可以看到，当换流器整流运行时，准稳态模型计算得到的数据与实际系统仿真得到的数据也是根本一致的。*1交溉系统强度变化时赠波器的仿真结擱 Tab. l The simulation mult of tbe rretifkr >ersu varied:输配电设备网更多信息SCR曲'Je產CZjSIViM2.5J.4S1403.69|7.44(j36LOIH

13、O4.01 W2LO.L7917 J1433614175.6刃10J.7TI7.4M3A14门界S.017.MJM.0175.S10.0t 52243660177.020015 U?I01S217 57564.7176.1MiltOirM门50?$7WWW.tx| AC Mstem slrtnglh浏览n AnrUfiWi 雹WnanitW*馆鼻ir H4114 VIW4MTq vf.t1*1 w f vD>fd* it411*191 AltIQ3L7鮒MO *90iff3 nJ271yrr、w *nT*l aLHbMJimt*7韜*iQi210 IIOM71 7 QQ5结论如果换流母线

14、电压非常接近于对称的正弦波，那么换流器无论运行在整流还是逆变状态下，只要维持换相电压恒定且在换流器合理运行范围内，交流系统的强度变化对直流系统的运行几乎没有影响。因此，多桥换流器中的各个换流桥可以在交流侧实现完全解耦，认为各个换流桥独立运行，彼此没有相互作用，这样就可以将交直流系统的工程计算起点从交流系 统等值电势前移到换流母线，而采用准稳态模型对其进行简化计算。在实际直流工程中，交流侧都装设有完善的滤波装置，其换流母线电压可认为是正弦的，且当网络结构一定时，其稳态换流母线电压的值也是恒定的，因此，准稳态模型虽然只是一种简化的计算模型，但它可用于交直流电力系统机电暂态仿真。其精度完全可以到达工

15、程计算的要求。参考文献1 张桂斌，徐政，王广柱 (Zhang Guibin, Xu Zheng, Wang Guangzhu).基于 VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制(Steady-state model and its non li near controlof VSC-HVDC system) J.中国电机工程学报 (Proceedi ngs of the CSEE), 2002, 22(1):17-22.2 Buchholz B M, Lei X, Retzma nn D W. Adva need solutio ns for power systemanalysis-computer study and real-time simulation C.International Conference onPower System Technology, Perth, Australia ,2000,2: 613-618.3 徐政(Xu Zh