UHVDC高端換流變閥側(cè)電壓PCOV的一種數(shù)字仿真模型

錢(qián)珞江，李高望, 李存軍

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072；2. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209； 3.舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江省舟山市 316000)

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UHVDC高端換流變閥側(cè)電壓PCOV的一種數(shù)字仿真模型

錢(qián)珞江1，李高望2, 李存軍3

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072；2. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209； 3.舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江省舟山市 316000)

高端換流變閥側(cè)電壓的持續(xù)運(yùn)行最大峰值(peak value of the continuous operating voltage，PCOV)是特高壓直流換流站直流避雷器參數(shù)設(shè)計(jì)和絕緣配合方案評(píng)估的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。利用RTDS的非實(shí)時(shí)運(yùn)算功能，本著尊重實(shí)際工程事實(shí)的原則及突出關(guān)鍵點(diǎn)、保留關(guān)聯(lián)點(diǎn)和等效次要點(diǎn)的基本方式，通過(guò)采用自定義閥元件模型、低端換流器等效為可調(diào)直流源、控制系統(tǒng)依運(yùn)行特性最簡(jiǎn)化等建模技術(shù)，建立了一種能夠模擬換相過(guò)沖暫態(tài)過(guò)程、計(jì)算高端換流變閥側(cè)電壓PCOV的數(shù)字仿真高頻模型，并且以向家壩—上海800 kV直流輸電工程為實(shí)例，從不同運(yùn)行工況和不同設(shè)備參數(shù)的角度對(duì)模型準(zhǔn)確性和可用性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

高端換流變閥側(cè)電壓；持續(xù)運(yùn)行最大峰值；直流避雷器；換相過(guò)沖；數(shù)字仿真模型

0 引 言

包括換相過(guò)沖的持續(xù)運(yùn)行電壓峰值 (peak value of the continuous operating voltage，PCOV)是決定換流站直流避雷器參數(shù)的一個(gè)基本運(yùn)行變量[1-2]。而對(duì)于雙12脈動(dòng)換流器串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特高壓直流輸電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高端換流變閥側(cè)繞組對(duì)地電壓PCOV又具有特殊重要意義，因其涉及到換流閥和換流變這2種主要設(shè)備最高電位點(diǎn)避雷器配置方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可行性等多方面指標(biāo)的評(píng)估與優(yōu)化[3]。

從物理機(jī)理的角度分析，包括換流變閥側(cè)繞組對(duì)地電壓在內(nèi)的換流站直流側(cè)各節(jié)點(diǎn)間電壓PCOV均為閥電壓周期性換相暫態(tài)峰值的電磁耦合或分壓，因此，準(zhǔn)確模擬換流閥的換相過(guò)程是用數(shù)字仿真建模手段定量計(jì)算換流變閥側(cè)電壓PCOV的關(guān)鍵。

換流器換相過(guò)程及其PCOV與換流站設(shè)備參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行工況密切相關(guān)。本文采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(real time digital simulator，RTDS)的非實(shí)時(shí)運(yùn)算功能[4]并以向家壩—上海800 kV直流輸電工程主回路結(jié)構(gòu)/參數(shù)為實(shí)例，首先建立一次系統(tǒng)等效電路模型，系統(tǒng)模型為微秒級(jí)離散步長(zhǎng)的高頻模型；其次根據(jù)CIGRE Benchmark仿真測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)建立系統(tǒng)控制模型；最后基于多工況仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目捎眯浴?/p>

1 一次系統(tǒng)及其RTDS高頻模型

不失普遍適用性，本文僅針對(duì)整流側(cè)(即復(fù)龍換流站)[5]。遵循PCOV定義和研究目標(biāo)，一次系統(tǒng)RTDS建模及元件模型參數(shù)圍繞下述運(yùn)行工況進(jìn)行等效設(shè)計(jì)。

(1)理想空載直流電壓為計(jì)及測(cè)量誤差的Udi0最大限值Udi0absmax=237.6 kV；

(2)直流極電壓Ud取最大設(shè)計(jì)值Udmax=809 kV且在不同傳輸功率下保持不變；

(3)工況變量點(diǎn)火角α、換相角μ與直流電流Id的對(duì)應(yīng)關(guān)系符合以下6脈動(dòng)整流器運(yùn)行特性[6]：

(1)

式中：dx為每相的換相電抗；下標(biāo)“N”代表相應(yīng)變量的額定值。

由于上述工況僅存在于理論上，嚴(yán)格按實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制建立完整模型是得不出其仿真的，因此，需要在突出重點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)一次主回路和控制系統(tǒng)大幅度簡(jiǎn)化。

顯然，相應(yīng)于本文研究目標(biāo)的重點(diǎn)部分為整流站高端12脈動(dòng)整流器，結(jié)合控制模型的處理，簡(jiǎn)化的RTDS一次系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 一次系統(tǒng)等效模型

圖1所示一次系統(tǒng)模型為單極模型且整流站和逆變站的低端12脈動(dòng)換流器均由直流電壓源等效(在平波電抗分置條件下2個(gè)串聯(lián)12脈動(dòng)換流器的中點(diǎn)母線電壓可合理地認(rèn)為是純直流電壓[7])。一次系統(tǒng)的這種模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等效可使控制模型省略極間和換流器間平衡功能，只需一套最簡(jiǎn)單的HVDC控制模型即可。

另外，該一次系統(tǒng)模型還具有以下特點(diǎn)：

(1)交流系統(tǒng)以?xún)?nèi)阻為0的恒壓源等效配以固定變比的換流變(省略變壓器自動(dòng)調(diào)檔)，使高端換流器Udi0恒定于Udi0absmax，以滿(mǎn)足上述理論工況(1)；

(2)高端12脈動(dòng)換流器Ud和低端12脈動(dòng)換流器等效直流源電壓不必嚴(yán)格相同且不用擔(dān)心其差異會(huì)導(dǎo)致高頻離散模型的數(shù)值發(fā)散；

(3)模擬低端12脈動(dòng)換流器的等效直流源電壓可調(diào)，使高端12脈動(dòng)換流器各工況變量滿(mǎn)足理論工況(3)的同時(shí)，整流站直流電壓滿(mǎn)足理論工況(2)，即Ud=809 kV(整流站等效直流源電壓恒為404.5 kV)；

(4)整流站高端12脈動(dòng)換流器采用自定義的真實(shí)閥元件詳細(xì)模型構(gòu)建，而不像逆變站那樣采用RTDS元件庫(kù)中現(xiàn)成閥組模型，這是因?yàn)槌耸箵Q流變閥側(cè)電壓具有可測(cè)性外，主要是為了掌握設(shè)備參數(shù)對(duì)PCOV值的影響；

(5)影響PCOV的設(shè)備參數(shù)由式(2)定義：

(2)

式中：L為每相的換相電感dx/ω；R、C為換流閥內(nèi)部阻容回路參數(shù)。

經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化處理，RTDS系統(tǒng)模型的非實(shí)時(shí)運(yùn)算步長(zhǎng)可設(shè)為微秒級(jí)，達(dá)到計(jì)算PCOV的高頻模型標(biāo)準(zhǔn)。并且與PSCAD軟件相比，由于不受仿真周期限制，各種工況的轉(zhuǎn)換和持續(xù)均可在線進(jìn)行，因而仿真運(yùn)算更具直觀生動(dòng)性。

2 控制系統(tǒng)RTDS模型

系統(tǒng)仿真控制模型采用最簡(jiǎn)單的CIGRE Benchmark標(biāo)準(zhǔn)模型，其基本策略為整流側(cè)定電流、逆變側(cè)定熄弧角。

相應(yīng)的RTDS控制模型如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)模型

由圖2可見(jiàn)，整流側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)直流電流指令值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行工況的控制；而逆變側(cè)換流器的熄弧角定于17°。逆變側(cè)模擬低端12脈動(dòng)換流器的等效直流源電壓根據(jù)式(3)調(diào)節(jié)：

Ud低=809-id·Rdc-Ud高

(3)

式中：Ud高為高端12脈動(dòng)換流器電壓；id為直流電流；Rdc為輸電線路電阻。

3 實(shí)例仿真

對(duì)應(yīng)于整流側(cè)Udi0=237.6 kV和變壓器變比，交流系統(tǒng)線電壓折算至閥側(cè)的峰值Em=248.81 kV，即為閥電壓的不計(jì)換相暫態(tài)的持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(crest value of the continuous operating voltage, CCOV)值。

換流變壓器每相的換相電感L=9.417 mH，換流閥內(nèi)部阻容回路參數(shù)R=2 160 Ω、C=0.026 7 μF，故由式(2)得λ=0.075 6。

模型的工程適用性可通過(guò)仿真實(shí)例從兩方面得以校驗(yàn)：一是在保持整流側(cè)直流電壓在809 kV不變的情形下在線改變直流電流指令，以計(jì)算不同運(yùn)行工況時(shí)的PCOV值；二是改變閥阻容回路參數(shù)λ值以定量分析設(shè)備參數(shù)對(duì)PCOV的影響。仿真工況取直流電流Id=0.1，0.25，0.5，0.75，1.0 pu這5種運(yùn)行狀態(tài)；而設(shè)備參數(shù)λ除了取實(shí)際數(shù)據(jù)0.075 6外，還增設(shè)最大極限值λ=1作為分析比較的參考。

設(shè)置仿真運(yùn)算步長(zhǎng)Δt=2.5 μs，得出高端換流變閥側(cè)對(duì)地電壓波形及其PCOV值如圖3所示。

圖3 高端換流變閥側(cè)電壓波形及其PCOV仿真結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，高端換流變閥側(cè)對(duì)地電壓的PCOV值隨傳輸功率(即直流電流Id)或設(shè)備參數(shù)λ的增大而增大。分別依縱向和橫向比較圖中每個(gè)波形可發(fā)現(xiàn)工況Id和設(shè)備參數(shù)λ對(duì)PCOV影響機(jī)理是不同的：λ一定時(shí)，不同Id工況下電壓的高頻過(guò)沖分量都相同，Id主要通過(guò)換相發(fā)生時(shí)刻(即不同的α、μ角度)影響PCOV；而Id一定時(shí)，不同λ的電壓基本波形相同，區(qū)別在于高頻過(guò)沖分量。

鑒于閥內(nèi)部阻容回路RC參數(shù)對(duì)PCOV影響較大，理論上可在閥設(shè)備制造環(huán)節(jié)通過(guò)增大R或C的方法來(lái)減小λ，從而降低PCOV；但實(shí)際上R和C的增大會(huì)使閥內(nèi)部功耗和發(fā)熱增加[8-9]，因此需考慮閥設(shè)備工藝因素綜合權(quán)衡降低PCOV的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

向—上工程實(shí)際系統(tǒng)中高端換流變閥側(cè)過(guò)電壓保護(hù)避雷器配置采用的是2個(gè)避雷器串聯(lián)方案[10]：高端12脈動(dòng)換流器中間母線避雷器M2+閥間避雷器V1。其CCOV和PCOV參數(shù)分別如下：M2：CCOV為695.1 kV，PCOV為737.3 kV；V1：CCOV為248.1 kV，PCOV為290.3 kV。

很明顯，等效的PCOV為M2的CCOV加上V3的PCOV，即PCOVM2+V1=CCOVM2+PCOVV1=985.4 kV。

該值高出本文模型Id=1 pu、λ=1的計(jì)算值約7%，說(shuō)明向—上工程設(shè)計(jì)中避雷器PCOV參數(shù)取值是按額定電流工況和極限設(shè)備參數(shù)考慮的，并留有一定的安全裕度。

4 結(jié) 論

利用RTDS非實(shí)時(shí)小步長(zhǎng)功能建立的UHVDC系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型能夠精確模擬換流器換相過(guò)程中的高頻暫態(tài)過(guò)沖現(xiàn)象，可靈活、便捷地用于計(jì)算高端換流變閥側(cè)對(duì)地電壓PCOV值并全面分析掌握PCOV與系統(tǒng)運(yùn)行工況和設(shè)備參數(shù)間的復(fù)雜關(guān)系。模型的可用性經(jīng)過(guò)了基于向—上工程實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)所建仿真算例的校驗(yàn)。

[1]GB/T 311.3—2007 絕緣配合 第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序[S].

[2]周曉琴，茍銳鋒，呂金壯，等. ±800 kV 特高壓直流換流站最高端換流變閥側(cè)避雷器保護(hù)研究[J].高壓電器,2009,45(2):1-3. Zhou Xiaoqin， Gou Ruifeng， Lu Jinzhuang, et al. Arrester protection at valve-side of highest potential converter transformer in ±800 kV UHVDC project [J].High Voltage Apparatus, 2009, 45(2):1-3.

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[4]RTDS Technologies Inc. RTDS User’s manual[R].RTDS Technologies Inc .，2013.

[5]國(guó)家電網(wǎng)公司，北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司. 向家壩—上海±800 kV直流輸電工程成套設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告：主回路參數(shù) [R].北京：北京網(wǎng)聯(lián)直流工程技術(shù)有限公司，2008.

[6]趙畹君. 高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,2004. Zhao Wanjun. HVDC Engineering Technology [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2004.

[7]周沛洪，修木洪，谷定燮,等. ±800 kV直流系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合研究[J]. 高電壓技術(shù)，2006，32(12)：125-132. Zhou Peihong, Xiu Muhong, Gu Dingxie, et al. Study on overvoltage protection and insulation coordination for ±800 kV HVDC transmission system[J]. High Voltage Engineering, 2006，32(12): 125-132.

[8]浙江大學(xué). 直流輸電[M]. 北京：水利電力出版社，1982.

[9]趙中原，邱毓昌，于永明，等. 換流閥內(nèi)可控硅端電壓特性分析和緩沖電路參數(shù)優(yōu)化[J]. 中國(guó)電力, 2003, 36(1):52-54. Zhao Zhongyuan, Qiu Yuchang, Yu Yongming, et al. Analysis on voltage distribution across thyristor level in HVDC valve and its corresponding optimization of snubber circuit parameters [J]. Electric Power, 2003, 36(1):52-54[10] 聶定珍, 馬為民, 鄭勁. ±800 kV特高壓直流換流站絕緣配合[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(9):75-79. Nie Dingzhen, Ma Weimin, Zheng Jin. Insulation coordination for ±800 kV UHVDC converter stations [J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9):75-79.

(編輯：劉文瑩)

A PCOV Digital Simulation Model of HV Transformer Valve Side Voltage in UHVDC System

QIAN Luojiang1, LI Gaowang2, LI Cunjun3

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 3.Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316000, Zhejiang Province, China)

The peak value of continuous operating voltage (PCOV) of HV transformer valve side voltage is an important data for the design of DC arrester parameters and the evaluation of insulation coordination scheme in UHVDC converter stations. Utilizing non real time operation functions of RTDS (real time digital simulator), in respect of the principle of the actual engineering facts, as well as to highlighting the key points, retain the related points and get equivalent of no significant points, this paper established a digital simulation high-frequency model which could simulate commutation overshoot transient process and calculate the PCOV of HV transformer valve side voltage with using multiple modeling techniques such as user-define valve component, adjustable DC voltage source equivalent for LV converter, the most simplification for control system according to the operating characteristics and so on. Taking Xiangjiaba-Shanghai ±800 kV UHVDC transmission project as an example, the accuracy and availability of the model were analyzed and verified from aspects of different operating conditions and equipment parameters.

HV transformer valve side voltage; peak value of continuous operating voltage (PCOV); DC arresters; commutation overshoot; digital simulation model

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(多換流器并聯(lián)特高壓直流輸電工程的關(guān)鍵技術(shù)研究)。

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0069-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.011

2015-06-19

2015-07-28

錢(qián)珞江(1961)，男，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、電力系統(tǒng)仿真技術(shù)等方面的研究；

李高望(1985)，男，博士，工程師，通信作者，主要從事直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合方面的研究;

李存軍(1966)，男，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)備技術(shù)檢測(cè)管理方面的工作。