Пример в этом разделе иллюстрирует моделирование линии передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC) с использованием 12-импульсных тиристорных преобразователей [1]. Для проверки производительности системы применяются возмущения. Цели этого примера состоят в том, чтобы продемонстрировать использование Simscape™ Electrical™ Специализированные блоки Энергосистем в сочетании с блоками Simulink® в моделировании полного полюса системы передачи HVDC с 12 пульсом.
Откройте окно power_hvdc12pulse и сохраните его под другим именем, чтобы можно было внести дальнейшие изменения в исходную систему.
Соединение постоянного тока мощностью 1000 МВт (500 кВ, 2 кА) используется для передачи мощности от системы 500 кВ, 5000 МВА, 60 Гц к системе 345 кВ, 10000 МВА, 50 Гц. Системы переменного тока представлены затухающими L-R эквивалентами с углом 80 градусов на основной частоте (60 Гц или 50 Гц) и на третьей гармонике.
Выпрямитель и инвертор являются 12-импульсными преобразователями, использующими два блока Universal Bridge, соединенных последовательно. Преобразователи соединены между собой линией протяженностью 300 км и сглаживающими реакторами 0,5 H. Преобразовательные трансформаторы (Wye grounded/Wye/Delta) моделируются с помощью блоков трехфазного трансформатора (Three-Windings). Переключатели отводов трансформатора не моделируются. Положение отвода скорее в фиксированном положении, определяемом коэффициентом умножения, приложенным к первичному номинальному напряжению преобразовательных трансформаторов (0,90 на стороне выпрямителя; 0,96 на стороне инвертора).
С точки зрения переменного тока в качестве источника гармонических токов выступает преобразователь HVDC. С точки зрения постоянного тока является источником гармонических напряжений.
Порядок n этих характерных гармоник связан с номером импульса p конфигурации преобразователя: n = kp ± 1 для переменного тока и n = kp для постоянного напряжения, k - любое целое число. В примере p = 12, так что инжектированные гармоники на стороне переменного тока равны 11, 13, 23, 25, а на стороне постоянного тока равны 12, 24.
Фильтры переменного тока используются для предотвращения распространения нечетных гармонических токов в системе переменного тока. Фильтры сгруппированы в две подсистемы. Эти фильтры также выглядят как большие конденсаторы на основной частоте, обеспечивая, таким образом, компенсацию реактивной мощности для потребления выпрямителя из-за угла зажигания α. Для α = 30 градусов потребность в реактивной мощности преобразователя составляет приблизительно 60% от мощности, передаваемой при полной нагрузке. Подсистема фильтров переменного тока содержит настроенные фильтры высокого Q (100) на 11-й и 13-й гармониках и фильтр низкого Q (3), или демпфированный фильтр, используемый для устранения гармоник более высокого порядка, например, 24-й и выше. Дополнительная реактивная мощность также обеспечивается конденсаторными батареями.
Два блока прерывателей применяют отказы на стороне выпрямителя постоянного тока и на стороне инвертора переменного тока для проверки характеристик системы.
Система питания и система управления и защиты дискретизированы с одинаковым временем выборки Ts = 50 мкс. Некоторые системы защиты имеют время выборки 1 или 2 мс.
В разделе Анализ простой схемы (Analyze a Simple Circuit) объясняется, как можно использовать блок Измерение импеданса (Impedance Measurement) для вычисления импеданса линейной системы на основе ее модели состояния-пространства. Поскольку тиристорные клапаны преобразователей являются нелинейными блоками, они игнорируются при расчете импеданса, и происходит открытие импедансов с клапанами.
Подсистемы выпрямителя и инвертора используют блоки измерения импеданса для измерения частотной характеристики между фазой А и фазой В систем переменного тока. Измерение импеданса между двумя фазами дает в два раза больше импеданса положительной последовательности. Поэтому в блоках измерения импеданса задается коэффициент умножения 1/2 для получения правильного значения импеданса. Блок измерения импеданса ZDC измеряет импеданс на стороне вывода выпрямителя линии постоянного тока.
Вы можете использовать инструмент измерения импеданса и частоты Powergui для отображения величины и фазы как функции частоты, измеренной тремя блоками измерения импеданса.
Здесь показаны величины трех импедансов как функции частоты.
Импедансы положительной последовательности двух систем переменного тока и линии постоянного тока
Обратите внимание на два минимальных значения импеданса для Z систем переменного тока. Эти последовательные резонансы создаются фильтрами 11-й и 13-й гармоник. Они возникают при 660 Гц и 780 Гц в системе 60 Гц. При этом добавление емкостных фильтров 600 Мвар на индуктивных системах создает резонансы около 188 Гц на стороне выпрямителя и 220 Гц на стороне инвертора. В области 60 Гц величина равна 56,75 Ом для системы 60 Гц, что соответствует эффективному уровню короткого замыкания 5002/56,75 = 4405 МВА на стороне выпрямителя (5000 МВА - 600 Мвар фильтров).
Для линии постоянного тока следует отметить последовательный резонанс при 240 Гц, который соответствует основному режиму, который может возбуждаться на стороне постоянного тока при больших возмущениях.
Подсистемы управления полюсами выпрямителей (ток) и управления полюсами инверторов (ток/напряжение/гамма) генерируют опорный ток для обоих преобразователей и инициируют запуск и остановку передачи питания постоянного тока. В инверторе подсистема Гамма-измерения измеряет угол исчезновения Гамма 6-импульсных тиристорных преобразователей.
Системы защиты могут быть включены и выключены. В выпрямителе защита от отказа постоянного тока обнаруживает неисправность на линии и предпринимает необходимые действия для устранения неисправности. Подсистема обнаружения низкого напряжения переменного тока в выпрямителе и инверторе служит для различения отказа переменного тока и отказа постоянного тока. В инверторе подсистема управления предотвращением отказов коммутации [2] устраняет сбои коммутации из-за провалов напряжения переменного тока.
Синхронизация и генерация импульсов стрельбы 12 осуществляется системой управления стрельбой 12-Pulse. Эта система использует первичные напряжения для синхронизации и генерации импульсов в соответствии с альфа-углом зажигания, вычисленным контроллером преобразователя. Синхронизирующие напряжения измеряются на первичной стороне преобразовательного трансформатора, поскольку формы сигналов менее искажены. Фазовый контур автоподстройки частоты (ФАПЧ) используется для генерации трех напряжений, синхронизированных с основным компонентом напряжений положительной последовательности. Генератор импульсов зажигания синхронизирован с тремя напряжениями, генерируемыми ФАПЧ. При пересечении нулей коммутирующих напряжений (AB, BC, CA) происходит сброс клина. Импульс возбуждения генерируется всякий раз, когда значение клина становится равным желаемому углу задержки, обеспечиваемому контроллером.
Подсистемы управления полюсом выпрямителя и управления полюсом инвертора реализуют эту характеристику устойчивого состояния:
Устойчивые характеристики выпрямителя и инвертора и функция VDCOL
При нормальной работе выпрямитель управляет током на Id_ref опорное значение, тогда как инвертор управляет напряжением или гамма при Vd_ref или Gamma_min ссылочное значение.
Система обычно работает в точке 1, как показано на рисунке. Однако во время сильного непредвиденного события, приводящего к падению напряжения в системе 1 переменного тока, питающей выпрямитель, рабочая точка перемещается в точку 2. Выпрямитель, таким образом, переводится в режим минимального α, а инвертор находится в режиме управления током. Аналогично, падение напряжения в системе переменного тока, питающей инвертор, заставит изменить режим управления на гамма-регулирование, чтобы ограничить угол до γ мин. Во время сильной непредвиденной ситуации необходима более быстрая реакция, чтобы увеличить запас коммутации и, следовательно, уменьшить вероятность отказа коммутации. Подсистема управления предотвращением отказов коммутации (см. блок защиты инвертора) генерирует сигнал, который уменьшает максимальный предел угла задержки во время падения напряжения (например, во время отказа переменного тока).
Примечание
γ = угол затухания = 180 ° - α -
Другая важная функция управления реализована для изменения опорного тока в соответствии со значением постоянного напряжения. Этот элемент управления, называемый ограничителем тока, зависящего от напряжения (VDCOL), автоматически уменьшает опорный ток (Id_ref) уставка, когда VdL уменьшается (например, во время отказа линии постоянного тока или серьезного отказа переменного тока). Уменьшение Id опорные токи также снижают потребность в реактивной мощности в системе переменного тока, помогая восстанавливаться после отказа. Параметры VDCOL объясняются на следующей схеме:
Характеристика VDCOL; Id_ref = f (VdL)
Id_ref значение начинает уменьшаться, когда напряжение линии Vd падает ниже порогового значения VdThresh. Фактический опорный ток, используемый контроллерами, доступен на втором выходе контроллера, названном Id_ref_lim. IdMinAbs - абсолютный минимум Id_ref значение. Когда напряжение в линии постоянного тока падает ниже VdThresh значение, VDCOL мгновенно падает до Id_ref. Однако, когда напряжение постоянного тока восстанавливается, VDCOL ограничивает Id_ref время нарастания с постоянной времени, определенной параметром Tup.
И выпрямительный, и инверторный органы управления имеют регулятор тока, рассчитывающий срабатывание αi. На инверторе, работающем параллельно регулятору тока, находятся регуляторы напряжения и/или гамма, вычисляющие углы зажигания αv и/или αg. Эффективный α угол представляет собой минимальное значение αi, αv и/или αg. Все регуляторы имеют пропорциональный интегральный тип. Они должны иметь достаточно высокие коэффициенты усиления для низких частот (< 10 Гц), чтобы поддерживать ток, напряжение или гамма-отклик равным опорному току (Id_ref_lim), опорное напряжение (Vd_ref) или эталонная гамма (Gamma_min), при условии, что α находится в пределах минимального и максимального пределов (5 ° < α < 166 ° для выпрямителя, 92 ° < α < 166 ° для инвертора). Как описано выше, сигнал (D_alpha), полученный от защиты от сбоев коммутации, может временно уменьшить предел 166 ° на инверторе. Коэффициенты усиления регулятора Kp и Ki корректируются при малых возмущениях в эталоне.
Другой особенностью регулятора является линеаризация пропорционального усиления. В качестве Vd напряжение, генерируемое выпрямителем и инвертором, пропорционально cos (α), изменение ΔVd вследствие изменения Δα пропорционально sin (α). При постоянном значении Kp эффективный коэффициент усиления, следовательно, пропорционален sin (α). Для поддержания постоянного пропорционального усиления, независимого от значения α, усиление линеаризуется умножением константы Kp на 1/sin (α). Эта линеаризация применяется для диапазона α, определяемого двумя пределами, определенными в блоках управления выпрямителем и инвертором.
Система запрограммирована на запуск и достижение устойчивого состояния. Затем сначала применяется шаг к опорному току, а затем к опорному напряжению, чтобы можно было наблюдать динамический отклик регуляторов. Наконец, инициируется последовательность остановок для плавного снижения передачи мощности перед блокированием преобразователей. Обратите внимание в контроллере преобразователя, что после приема сигнала остановки Forced_alpha упорядочивается на 0,150 с, а затем на 0,1 с позже упорядочивается блокировка импульсов.
Запустите моделирование и просмотрите сигналы в областях выпрямителя и инвертора. Здесь воспроизводятся формы сигналов:
Запуск/останов системы постоянного тока и шаг, примененный к опорному току и напряжению
В главном управляющем устройстве генераторы импульсов преобразователей разблокируются, и передача мощности начинается путем увеличения опорного тока при t = 20 мс. Опорное значение достигает минимального значения 0,1 pu за 0,3 с. Наблюдайте, что ток постоянного тока начинает формироваться, и линия постоянного тока заряжается при своем номинальном напряжении. При t = 0,4 с эталонный ток увеличивается от 0,1 до 1 pu (2 кА) за 0,18 с (5 pu/с). Постоянный ток достигает установившегося состояния в конце начальной последовательности на уровне приблизительно 0,58. Выпрямитель управляет током, а инвертор управляет напряжением. Дорожка 1 как выпрямителя, так и инвертора показывает напряжение в линии постоянного тока (1 pu = 500 кВ). На инверторе также показан опорный сигнал напряжения. Трасса 2 показывает опорный ток и измеренный Id ток (1 pu = 2 кА). Во время клина инвертор фактически управляет током (Trace 4: Mode = 1) до значения Id_ref_lim за вычетом запаса тока (0,1 pu), и выпрямитель пытается управлять током при Id_ref_lim. На инверторе режим управления переходит от управления током к гамма-управлению (Режим = 6) перед стабилизацией к управлению напряжением (Режим = 2) при t = 0,3. Выпрямитель становится после этого управлять током. Однако происходит изменение режима управления, и альфа ограничивается минимальным значением 5 градусов (режим = 3) во время увеличения напряжения постоянного тока, инициированного повышением опорного напряжения в инверторе, как поясняется в следующем абзаце. При установившемся состоянии (измеренном при t между 1,3 и 1,4 с) углы α-стрельбы составляют около 16,5 градусов и 143 градусов соответственно на стороне выпрямителя и инвертора. Управление инвертором измеряет угол γ затухания для каждого тиристора двух шестиимпульсных мостов (то есть моста, соединенного с обмотками Уайя и Дельты), определяя прошедшее время, выраженное в электрических градусах от конца токовой проводимости до пересечения нуля коммутирующего напряжения. Среднее значение измеренной гаммы для последних 12 вымираний (6 преобразователя Дельта и 6 преобразователя Уай) показано на трассах 5 вместе с гамма-эталоном. В установившемся состоянии среднее значение γ составляет около 22,5 градусов.
При t = 0,7 с шаг -0,2 pu применяется в течение 0,1 с к опорному току, чтобы можно было наблюдать динамическую реакцию регуляторов. Затем, при t = 1,0 с, в течение 0,2 с на опорное напряжение инвертора подается шаг 0,1 pu. Обратите внимание, что в инверторе угол затухания достигает эталонного значения (например, минимально допустимого значения) и что регулятор Гамма принимает управление при t около 1,1 с. При t около 1,3 с регулятор напряжения снова осуществляет управление напряжением.
При t = 1.4 с последовательность останова инициируется понижением тока до 0.1 pu. При t = 1,6 с Forced-alpha (до 166 °) на выпрямителе гасит ток, а при инверторе Forced-alpha (до 92 ° с ограниченной скоростью) снижает напряжение постоянного тока из-за захваченного заряда в емкости линии. При t = 1,7 с импульсы блокируются в обоих преобразователях.
Основные уравнения, регулирующие работу системы постоянного тока в установившемся режиме, приведены здесь, чтобы можно было сравнить теоретические значения с результатами моделирования.
Следующее выражение связывает среднее постоянное напряжение Vd 12-импульсного моста с постоянным током Id и углом зажигания α (пренебрегая омическими потерями в трансформаторе и тиристорах):
− Rc × Id)
где Vdo - идеальное постоянное напряжение без нагрузки для шестиимпульсного моста:
× Vc
Vc - среднеквадратичное коммутационное напряжение, зависящее от напряжения системы переменного тока и коэффициента трансформатора.
Rc - эквивалентное сопротивление коммутации.
× Xc
Xc - коммутирующее реактивное сопротивление или реактивное сопротивление трансформатора, относящееся к стороне клапана.
При моделировании использовались следующие параметры выпрямителя.
Напряжение Vc должно учитывать эффективное значение напряжения на шине 500 кВ и коэффициент трансформатора. Если вы посмотрите на формы сигналов, отображаемые в области AC_Rectifier, вы обнаружите 0,96 pu, когда постоянный ток Id достиг стационарного состояния (1 pu).
При открытии диалогового окна выпрямительного трансформатора коэффициент умножения 0,90 применяется к первичному номинальному напряжению. Поэтому напряжение, подаваемое на инвертор, повышается на коэффициент 1/0,90.
Vc = 0.96 * 200 kV/0.90 = 213.3 kV Id = 2 kA α = 16.5º Xc = 0.24 pu, based on 1200 MVA and 222.2 kV = 9.874 Ω
Поэтому это теоретическое напряжение хорошо соответствует ожидаемому напряжению выпрямителя, вычисленному из напряжения инвертора и падения напряжения в линии постоянного тока (R = 4,5 Ом) и в сглаживающем реакторе выпрямителя (R = 1 Ом):
+ 1 Ом) × 2 = 511 кВ
Также может быть вычислен угол коммутации или перекрытия. Его теоретическое значение зависит от α, постоянного тока Id и реактивности Xc коммутации.
288,1 кВ
9,429 Ом
× 2) = 515 кВ
−9.874⋅2⋅2213.3]−16.5°=17.6°
Теперь проверьте угол переключения путем наблюдения токов в двух клапанах, например, затухания тока в клапане 1 и нарастания тока в клапане 3 Y-шестиимпульсного моста выпрямителя. Эти сигналы доступны в объеме VALVE13_RECT.
Формы сигналов, иллюстрирующие два цикла, показаны на следующем рисунке. Измеренный угол коммутации составляет 14 шагов 50 мкс или 15,1 ° периода 60 Гц. Разрешение с шагом времени 50 мкс составляет 1.1°; этот угол достаточно хорошо сравнивается с теоретическим значением.
Напряжение и токи клапана (переключение с клапана 1 на клапан 3)
Наконец, для проверки измерения γ на инверторе, проверьте напряжение и ток клапана 1 в объеме VALVE1_INV. Также проверьте напряжение коммутации, соответствующее выходящему клапану 1, подлежащему погашению, и среднее значение γ, как показано в разделе Ток и напряжение коммутации клапана 1, показывающего γ. Убедитесь также, что значения α, λ и γ составляют до 180 °.
Ток и напряжение коммутации клапана 1, показывающие γ
Деактивируйте шаги, выполняемые на репере тока и репере напряжения в главном устройстве управления и в инверторе управления и защиты соответственно, установив переключатели в более низкое положение. В блоке «Отказ постоянного тока» измените коэффициент умножения 100 на 1, Таким образом, что отказ теперь применяется при t = 0,7. Сокращение времени остановки моделирования до 1,4. Откройте область выпрямителя, а также область отказа для наблюдения за током отказа и область резервирования выпрямителя для наблюдения за действием защиты от отказа постоянного тока. Перезапустите моделирование.
Отказ линии постоянного тока на стороне выпрямителя
При подаче отказа (t = 0,7 с) постоянный ток увеличивается до 2,2 pu, а напряжение постоянного тока падает до нуля на выпрямителе. Это падение напряжения постоянного тока наблюдается с помощью ограничителя зависимого от напряжения тока (VDCOL) и защиты от отказа постоянного тока. VDCOL уменьшает опорный ток до 0,3 pu на выпрямителе. Постоянный ток продолжает циркулировать в случае неисправности. Затем при t = 0,77 с угол срабатывания выпрямителя α принудительно доводится до 166 градусов защитой от отказа постоянного тока после обнаружения низкого напряжения постоянного тока. Выпрямитель теперь работает в инверторном режиме. Напряжение в линии постоянного тока становится отрицательным, и энергия, накопленная в линии, возвращается в систему переменного тока, вызывая быстрое истечение тока повреждения при следующем пересечении нуля. Затем α освобождается при t = 0,82 с и нормальное напряжение постоянного тока и ток восстанавливаются приблизительно за 0,5 с. Обратите внимание, что временное изменение режима в выпрямителе управляет от 1,18 с до 1,25 с.
Теперь измените время отказа, чтобы применить отказ линии к земле. В блоке DC Fault измените коэффициент умножения от 1 до 100, чтобы устранить отказ DC. В блоке A-G Fault (отказ A-G) измените коэффициент умножения при переключении на 1, так чтобы шестисекционный отказ линии-земля теперь применялся при t = 0,7 с на инверторе. Перезапустите моделирование.
Выпрямитель, сигналы инвертора для отказа линии переменного тока на стороне инвертора
Напряжения и токи на стороне 50 Гц для отказа линии переменного тока на стороне инвертора
Обратите внимание на колебания 120 Гц в напряжении постоянного тока и токах во время сбоя. Неизбежный сбой коммутации происходит в инверторе в самом начале неисправности, и постоянный ток увеличивается до 2 pu. Отказ коммутации является результатом отказа входного клапана принять постоянный ток до того, как напряжение коммутации изменит свою полярность. Симптомами являются нулевое напряжение постоянного тока на пораженном мосту, вызывающее увеличение постоянного тока со скоростью, определяемой главным образом индуктивностью цепи постоянного тока. Когда неисправность устраняется при t = 0,8 с, VDCOL работает и уменьшает опорный ток до 0,3 pu. Система восстанавливается приблизительно через 0,35 с после устранения неисправности.
Просмотрите формы сигналов, отображаемые в области PROTECTION INVERTER. Блок низкого напряжения переменного тока обнаруживает неисправность и блокирует защиту от неисправности постоянного тока, которая в этом случае не должна обнаруживать неисправность постоянного тока, даже если напряжение линии постоянного тока падает. Посмотрите на выход (A_min_I) управления предотвращением отказов коммутации (CFPREV), который уменьшает предел максимального угла задержки для увеличения запаса коммутации во время и после неисправности.
Теперь откройте диалоговое окно блока CFPREV, расположенного внутри подсистемы защиты инвертора, и отключите защиту CFPREV, отменив выбор «ON State». Перезапустите моделирование. Обратите внимание на несколько другое переходное поведение во время и после сбоя.
[1] Arrilaga, J., высоковольтная передача постоянного тока, IEEE ® Power Engineering Series 6, Peter Peregrinus, Ltd., 1983.
[2] Лидун Чжан, Ларс Дофнас, «Новый метод смягчения сбоев коммутации в системах HVDC», Труды PowerCon 2002. Международная конференция, том 1, 13-17 октября 2002 года, стр. 51-56.