Тиристорная ссылка HVDC

Описание системы передачи HVDC

Пример в этом разделе иллюстрирует моделирование ссылки передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) с использованием 12-импульсных тиристорных преобразователей [1]. Возмущения применяются, чтобы проверить производительность системы. Цели этого примера состоят в том, чтобы продемонстрировать использование блоков Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems в сочетании с Simulink^® блокирует в симуляции полный полюс 12-импульсной системы передачи HVDC.

Откройте power_hvdc12pulse Модель и сохраните его под другим именем, чтобы позволить дальнейшие изменения исходной системы.

Соединение постоянного тока мощностью 1000 МВт (500 кВ, 2 кА) используется для передачи степени от системы 500 кВ, 5000 МВА, 60 Гц к системе 345 кВ, 10000 МВА, 50 Гц. Системы переменного тока представлены демпфированными L-R эквивалентами с углом 80 степеней 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. Конвертеры соединены между собой через 300-км линию и 0.5 H сглаживающих реакторов. Преобразовательные трансформаторы (Wye grounded/Wye/Delta) моделируются блоками Трехфазного Трансформатора (Трехобмотки). Преобразователи ответвлений трансформатора не моделируются. Положение крана скорее находится в фиксированном положении, определяемом коэффициентом умножения, приложенным к первичному номинальному напряжению трансформаторов преобразователя (0,90 на стороне выпрямителя; 0,96 со стороны инвертора).

С точки зрения переменного тока, HVDC конвертер действует как источник гармонических токов. С точки зрения постоянного тока, это источник гармонических напряжений.

Порядок n этих характеристических гармоник связан с числом импульсов p строения конвертера: n = kp ± 1 для переменного тока и n = kp для постоянного напряжения, k является любым целым числом. В примере p = 12, так что инжектируемые гармоники на стороне переменного тока являются 11, 13, 23, 25, и на стороне постоянного тока являются 12, 24.

Фильтры переменного тока используются, чтобы предотвратить распространение нечетных гармонических токов в системе переменного тока. Фильтры сгруппированы в две подсистемы. Эти фильтры также появляются как большие конденсаторы на основной частоте, таким образом, обеспечивая компенсацию реактивной степени для потребления выпрямителя из-за угла горения α. Для α = 30 степени потребность в реактивной степени конвертера составляет приблизительно 60% от степени, передаваемой при полной нагрузке. Подсистема фильтров переменного тока содержит фильтры с высокой Q (100) настройкой в 11-й и 13-й гармониках и фильтр с низкой Q (3) или демпфированный фильтр, используемый для устранения гармоник более высокого порядка, например, 24-й и более. Дополнительная реактивная степень также обеспечивается блоками конденсаторов.

Два блока Breaker применяют отказы на стороне постоянного тока выпрямителя и на стороне переменного тока инвертора, чтобы проверить производительность системы.

Система степени и система управления и защиты дискретизированы с одним и тем же шагом расчета Ts = 50 мкс. Некоторые системы защиты имеют шаг расчета 1 или 2 мс.

Частотная характеристика систем переменного и постоянного тока

Раздел Анализ простой схемы объясняет, как можно использовать Impedance Measurement блок для вычисления импеданса линейной системы из ее модели пространства состояний. Поскольку тиристорные клапаны преобразователей являются нелинейными блоками, они игнорируются при вычислении импеданса, и вы получаете импедансы с открытыми клапанами.

Подсистемы выпрямителя и инвертора используют блоки Измерение, чтобы измерить частотную характеристику между фазой A и фазой B систем переменного тока. Измерение импеданса между двумя фазами дает в два раза больше импеданса положительной последовательности. Поэтому вы задаете коэффициент умножения 1/2 на блоках Измерение, чтобы получить правильное значение импеданса. Блок ZDC Impedance Measurement измеряет импеданс на стороне клеммы выпрямителя линии постоянного тока.

Можно использовать инструмент Powergui Impedance vs Frequency Measurement, чтобы отобразить величину и фазу как функцию частоты, измеренную тремя блоками Измерение..

Здесь показаны величины трех импедансов как функции от частоты.

Импедансы положительной последовательности двух систем переменного тока и линии постоянного тока

Обратите внимание на два минимальных импеданса по Z величинам в системах переменного тока. Эти последовательные резонансы создаются 11-м и 13-м гармоническими фильтрами. Они имеют частоту 660 Гц и 780 Гц в системе 60 Гц. Следует также отметить, что сложение емкостных фильтров 600 Mvar в индуктивные системы создает резонансы около 188 Гц на стороне выпрямителя и 220 Гц на стороне инвертора. В области 60 Гц величина составляет 56,75 Ом для системы 60 Гц, что соответствует эффективному уровню короткой схемы 500²/ 56.75 = 4405 MVA на стороне выпрямителя (5000 MVA - 600 Mvar фильтров).

Для линии постоянного тока обратите внимание на последовательный резонанс на частоте 240 Гц, который соответствует основному режиму, вероятно, возбуждается на стороне постоянного тока, при больших нарушениях порядка.

Системы управления и защиты

Система управления полюсами выпрямителя (ток) и подсистемы управления полюсами инвертора (ток/напряжение/гамма) генерируют ссылку тока для обоих преобразователей и инициируют запуск и остановку передачи степени постоянного тока. В инверторе подсистема Гамма- Измерения измеряет угол исчезновения Гамма 6-импульсных тиристорных преобразователей.

Системы защиты могут быть включены и отключены. На выпрямителе защита от отказа постоянного тока обнаруживает отказ на линии и принимает необходимые меры для устранения отказа. 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 отказа коммутации [2] уменьшает отказы коммутации из-за падения напряжения переменного тока.

Система синхронизации и включения

Синхронизация и генерация 12 пусковых импульсов выполняется системой 12-Pulse Firing Control. Эта система использует первичные напряжения, чтобы синхронизировать и генерировать импульсы в соответствии с альфа- углом включения, вычисленной контроллером конвертера. Синхронизирующие напряжения измеряются на основной стороне трансформатора, потому что формы волны менее искажены. A Фазы Locked Цикла (PLL) используется, чтобы сгенерировать три напряжения, синхронизируемых на основной компонент напряжений положительной последовательности. Генератор импульса включения синхронизируется с тремя напряжениями, генерируемыми ФАПЛ. При пересечениях нуля коммутирующих напряжений (AB, BC, CA) сбрасывается наклон. Импульс включения генерируется каждый раз, когда значение наклона становится равным желаемому углу задержки, обеспечиваемому контроллером.

Статическая характеристика V-I

Подсистемы Rectifier Pole Control и Inverter Pole Control реализуют эту установившуюся характеристику:

Статические характеристики выпрямителя и инвертора и функция VDCOL

При нормальной операции выпрямитель управляет током на Id_ref опорное значение, в то время как инвертор управляет напряжением или гаммой в Vd_ref или Gamma_min ссылочное значение.

Система обычно работает в точке 1, как показано на рисунке. Однако во время серьезного непредвиденного случая, вызывающего падение напряжения в системе 1 переменного тока, питающей выпрямитель, рабочая точка переходит к точке 2. Выпрямитель, поэтому, принудительно переходит в режим минимального α, и инвертор находится в текущем режиме управления. Точно так же падение напряжения в системе переменного тока, питающей инвертор, заставит изменить режим управления на Гамма-регулирование, чтобы ограничить угол β мин. Во время тяжелой непредвиденности необходим более быстрый ответ, чтобы увеличить запас коммутации и, следовательно, уменьшить вероятность отказа коммутации. Подсистема управления предотвращением сбоев коммутации (смотрите под блоком Inverter protections) генерирует сигнал, который уменьшает максимальный предел угла задержки во время падения напряжения (например, во время отказа переменного тока).

Примечание

β = угол вымирания = 180º - α -

Функция VDCOL

Другая важная функция управления реализована, чтобы изменить ссылке ток согласно значению напряжения постоянного тока. Это управление, названное Зависимый от Напряжения Ограничитель Порядка Тока (VDCOL), автоматически уменьшает ссылку ток (Id_ref) заданную точку, когда VdL уменьшается (как, например, во время отказа линии постоянного тока или серьезного отказа переменного тока). Уменьшение Id опорные токи также уменьшают потребность в реактивной степени в системе переменного тока, помогая восстановиться после отказа. Параметры VDCOL объясняются этой схемой:

Характеристика VDCOL; Id_ref = f (VdL)

The Id_ref значение начинает уменьшаться, когда напряжение линии Vd падает ниже порога значения VdThresh. Фактический опорный ток, используемый контроллерами, доступен на выходе второго контроллер выхода с именем Id_ref_lim. IdMinAbs - абсолютный минимум Id_ref значение. Когда напряжение линии постоянного тока падает ниже VdThresh значение, VDCOL падает мгновенно, чтобы Id_ref. Однако, когда напряжение постоянного тока восстанавливается, VDCOL ограничивает I d_ref время нарастания с постоянной времени, заданной параметром Tup.

Регуляторы тока, напряжения и гаммы

И органы управления выпрямителем, и инвертором имеют регулятор тока, вычисляющий срабатывание _{α i}. На инверторе, работающем параллельно с регулятором тока, находятся регуляторы напряжения и/или гамма-регуляторы, вычисляющие углы включения _{α v} и/или _{α g}. Эффективный угол α является минимальным значением _{α i},_{α v}и/или _{α g}. Все регуляторы имеют пропорционально-интегральный тип. Они должны иметь достаточно высокие усиления для низких частот (< 10 Гц), чтобы поддерживать ток, напряжение или гамма-характеристику, равную опорному току (Id_ref_lim), опорное напряжение (Vd_ref), или эталонная гамма (Gamma_min), если α находится в пределах минимального и максимального пределов (5º < α < 166 ° для выпрямителя, 92º < α < 166 ° для инвертора). Как описано выше, сигнал (D_alpha), полученный от защиты от отказа коммутации, может временно уменьшить предел 166 ° на инверторе. Усиления регулятора Kp и Ki регулируются во время небольших возмущений в ссылке.

Другой особенностью регулятора является линеаризация пропорциональной составляющей. Как Vd напряжение, генерируемое выпрямителем, и инвертором, пропорционально cos (α), изменениеподобие Βd, обусловленное изменением, пропорционально sin (α). При постоянном значении Kp эффективное усиление, следовательно, пропорционально sin (α). Чтобы сохранить постоянную пропорциональную составляющую, независимо от значения α, коэффициент усиления линеаризируется путем умножения константы Kp на 1/sin (α). Эта линеаризация применяется для области значений α, заданной двумя пределами, заданными в блоках Rectifier и Inverter Pole Control.

Запуск/остановка системы - статические и переходные характеристики

Система запрограммирована на запуск и достижение устойчивого состояния. Затем сначала прикладывается шаг к ссылке току, а позже к напряжению ссылки чтобы можно было наблюдать динамическую характеристику регуляторов. Наконец, инициируется последовательность остановки для плавного отключения передачи степени перед блокировкой преобразователей. Заметьте в контроллере конвертера, что после приема сигнала Stop Forced_alpha упорядочивается на 0,150 с, а затем на 0,1 с позже упорядочивается блокировка импульсов.

Запустите симуляцию и наблюдайте сигналы на возможностях Rectifier и Inverter. Формы волны воспроизводятся здесь:

Запуск/остановка системы постоянного тока и шаг, приложенный к опорным значениям тока и напряжения

В Главном Управлении импульсные генераторы преобразователей деблокированы, и передача степени началась путем увеличения тока ссылки на t = 20 мс. Ссылка достигает минимального значения 0,1 пу в 0,3 с. Заметьте, что ток постоянного тока начинает строиться, и линия постоянного тока заряжается при своем номинальном напряжении. При t = 0,4 с ток ссылки растёт с 0,1 до 1 пу (2 кА) за 0,18 с (5 пу/с). Постоянный ток достигает устойчивого состояния в конце стартовой последовательности приблизительно на 0,58 с. Выпрямитель управляет током, а инвертор управляет напряжением. Трассировка 1 и выпрямителя, и инвертора возможностей показывает напряжение линии постоянного тока (1 pu = 500 кВ). В инверторе также показана ссылка напряжения. Трассировка 2 показывает ссылку тока и измеренную Id ток (1 пу = 2 кА). Во время наклона инвертор фактически управляет током (Trace 4: Mode = 1) до значения Id_ref_lim меньше поля тока (0,1 pu), и выпрямитель пытается контролировать ток в Id_ref_lim. На инверторе режим управления переходит с управления током на гамма-управление (Mode = 6) перед стабилизацией на управление напряжением (Mode = 2) при t = 0,3 с. Выпрямитель переходит после этого в управление током. Однако произойдет изменение режима управления, и альфа ограничивается минимальным значением 5 степеней (Mode = 3) во время увеличения постоянного напряжения, инициируемого эталонным увеличением напряжения на инверторе, как объяснено в следующем абзаце. В установившемся состоянии (измеренном в t между 1,3 и 1,4 с) углы включения α составляют около 16,5 степени и 143 степени соответственно на стороне выпрямителя и инвертора. Управление инвертором измеряет угол исчезновения β для каждого тиристора двух шестиимпульсных мостов (то есть моста, соединенного с обмотками Уая и Дельты) путем определения истекшего времени, выраженного в электрических степенях от конца проводимости тока до пересечения нуля коммутирующего напряжения. Среднее значение измеренной гаммы для последних 12 вымираний (6 преобразователя Дельта и 6 преобразователя Уай) показано в следах 5 вместе с ссылкой Гамма. В установившемся состоянии среднее β составляет около 22,5 степени.

При t = 0,7 с, шаг -0,2 pu применяется в течение 0,1 с к ссылке току, так что можно наблюдать динамическую реакцию регуляторов. Позже, при t = 1,0 с, шаг 0,1 pu прикладывается в течение 0,2 с при опорном напряжении инвертора. Заметьте, что в инверторе угол вымирания достигает ссылки значения (например, минимально допустимого значения) и что регулятор Гамма принимает управление в t около 1,1 с. В t около 1,3 с регулятор напряжения возвращает управление напряжением.

На t = 1,4 с последовательность Stop инициируется увеличением тока до 0,1 pu. На t = 1,6 с принудительная альфа (до 166 ° C) в выпрямителе гасит ток, а на инверторе принудительная альфа (до 92 ° C с ограниченной частотой) снижает постоянное напряжение из-за захваченного заряда в емкости линии. На t = 1,7 с импульсы блокируются в обоих конвертерах.

Сравнение теории и Результатов симуляции в установившемся состоянии

Основные уравнения, регулирующие установившуюся операцию системы постоянного тока, приведены здесь, чтобы можно было сравнить теоретические значения с результатами симуляции.

Следующее выражение связывает среднее прямое напряжение Vd 12-импульсного моста с идентификатором постоянного тока и углом включения α (пренебрегая омическими потерями в трансформаторе и тиристорах):

$V d = 2 \times (V d o \times \cos (α) - R c \times I d)$

где Vdo является идеальным постоянным напряжением без нагрузки для шестиимпульсного моста:

$V d o = (3 \sqrt{2} / π) \times V c$

Vc является линейным RMS коммутирующим напряжением, которое зависит от напряжения системы переменного тока и отношения трансформаторов.

Rc - эквивалентное сопротивление коммутации.

$R c = (3 / π) \times X c$

Xc - коммутирующее реактивное сопротивление или реактивное сопротивление трансформатора, относящееся к стороне клапана.

Следующие параметры выпрямителя использовались в симуляции.

Напряжение Vc должно учитывать эффективное значение напряжения на шине 500 кВ и коэффициент трансформатора. Если вы посмотрите на формы волны, отображенные на AC_Rectifier возможностей, вы находите 0,96 pu, когда постоянный ток Id достиг своего устойчивого состояния (1 pu).

Если вы открываете диалоговое окно трансформатора выпрямителя, вы находите коэффициент умножения 0,90, приложенный к главному номинальному напряжению. Напряжение, приложенное к инвертору, поэтому повышается в 1/0,90 раза.

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, рассчитанному из напряжения инвертора и падения напряжения в линии постоянного тока (R = 4,5 Ом) и в реакторе для сглаживания выпрямителя (R = 1 Ом):

$\begin{array}{l} V d = V d L_{i n v e r t e r} + (R_{D C l i n e} + R_{i n d u c t a n c e}) \times I d \\ V d = 500 k V + (4.5 Ω + 1 Ω) \times 2 = 511 k V \end{array}$

Может быть также вычислен угол коммутации или перекрытия. Его теоретическое значение зависит от α, постоянного тока Id и коммутационного реактивного напряжения Xc.

$V d o = (3 \sqrt{2} / π) \times 213.3 = 288.1 k V$

$R c = (3 / π) \times 9.874 = 9.429 Ω$

$V d = 2 \times (288.1 k V \times \cos (16.5 °) - 9.429 \times 2) = 515 k V$

$\begin{array}{l} μ = acos [\cos (α) - \frac{X c \cdot I d \cdot \sqrt{2}}{V c}] - α \\ μ = acos [\cos (16.5 °) - \frac{9.874 \cdot 2 \cdot \sqrt{2}}{213.3}] - 16.5 ° = 17.6 ° \end{array}$

Теперь проверьте угол коммутации, наблюдая токи в двух клапанах, например, вымирание тока в клапане 1 и накопление тока в клапане 3 шестиимпульсного моста Y выпрямителя. Эти сигналы доступны в VALVE13_RECT возможностей.

Формы волны, иллюстрирующие два цикла, показаны на следующем рисунке. Измеренный угол коммутации составляет 14 шагов 50 мкс или 15,1º периода 60 Гц. Разрешение с временным шагом 50 мкс составляет 1,1º; этот угол достаточно хорошо сравнивается с теоретическим значением.

Напряжение и токи клапана (коммутация между клапаном 1 и клапаном 3)

Наконец, чтобы подтвердить измерение β в инверторе, наблюдайте напряжение и ток клапана 1 в VALVE1_INV возможностей. Также наблюдайте коммутирующее напряжение, соответствующее выходному клапану 1, который будет потушен, и среднее значение β, как показано на значениях Тока и Коммутационного Напряжения Клапана 1, показывающее β. Проверьте также, что значения α,

Ток и напряжение коммутации клапана 1, показывающее

Отказ линии постоянного тока

Деактивируйте шаги, приложенные к опорному значению тока и к опорному значению напряжения в главном блоке управления и в элементах управления и защиты инвертора соответственно путем установки переключателей в более низкое положение. В блоке DC Fault измените коэффициент умножения 100 на 1, чтобы теперь применить отказ на уровне t = 0,7 с. Сократите время остановки симуляции до 1,4 с. Откройте возможности выпрямителя, а также возможности отказа для наблюдения тока отказа и возможности выпрямителя защиты для наблюдения за действием защиты от отказа постоянного тока. Перезапустите симуляцию.

Отказ линии постоянного тока на стороне выпрямителя

При применении отказа (t = 0,7 с) ток постоянного тока увеличивается до 2,2 pu, и напряжение постоянного тока падает до нуля в выпрямителе. Это падение напряжения постоянного тока наблюдается с помощью ограничителя зависящего от напряжения порядка тока (VDCOL) и защиты от отказа постоянного тока. VDCOL уменьшает ток ссылки до 0,3 pu в выпрямителе. В отказе продолжает циркулировать ток постоянного тока. Затем, при t = 0,77 с, угол включения выпрямителя α заставляется до 166 степеней защитой от отказа постоянного тока после обнаружения низкого напряжения постоянного тока. Выпрямитель теперь работает в режиме инвертора. Напряжение линии постоянного тока становится отрицательным, и энергия, сохраненная в линии, возвращается в систему переменного тока, вызывая быстрое исчезновение тока отказа при его следующем пересечении нуля. Затем α освобождается при t = 0,82 с и нормальное постоянное напряжение и ток восстанавливаются приблизительно за 0,5 с. Заметьте, изменение временного режима в выпрямителе управляет между 1,18 с и 1,25 с.

Отказ линии переменного тока на земле на инверторе

Теперь измените таймеры отказа, чтобы применить отказ «линия - земля». В блоке DC Fault измените коэффициент умножения 1 на 100, чтобы теперь устранить отказ DC. В блоке A-G Fault измените коэффициент умножения во времени переключения на 1, так что в инверторе теперь применяется отказ шестициклической линии на землю на уровне t = 0,7 с. Перезапустите симуляцию.

Сигналы выпрямителя, инвертора для отказа линии переменного тока на стороне инвертора

Напряжения и токи на стороне 50 Гц для отказа линии переменного тока на стороне инвертора

Заметьте колебания 120 Гц в напряжении постоянного тока и токах во время отказа. Неизбежный отказ коммутации происходит на инверторе в самом начале отказа, и ток постоянного тока увеличивается до 2 pu. Отказ коммутации является результатом отказа входного клапана взять на себя постоянный ток, прежде чем напряжение коммутации изменит свою полярность. Симптомами являются нулевое напряжение постоянного тока на пораженном мосту, вызывающее увеличение тока постоянного тока со скоростью, определяемой в основном индуктивностью схемы постоянного тока. Когда отказ устраняется на t = 0,8 с, VDCOL работает и уменьшает уставочный ток до 0,3 pu. Система восстанавливается примерно через 0,35 с после устранения отказа.

Просмотрите формы сигналов, отображаемые в области PROTECTION INVERTER. Блок низкого напряжения переменного тока обнаруживает отказ и блокирует защиту от отказа постоянного тока, которая в этом случае не должна обнаруживать отказ постоянного тока, даже если напряжение линии постоянного тока падает. Посмотрите на выход (A_min_I) управления предотвращением отказа коммутации (CFPREV), который уменьшает максимальный предел угла задержки, чтобы увеличить запас коммутации во время и после отказа.

Теперь откройте диалоговое окно блока CFPREV, расположенного внутри подсистемы Inverter Protections, и отключите защиту CFPREV, отменив выбор «ON State». Перезапустите симуляцию. Заметьте немного другое переходное поведение во время и после отказа.

Ссылки

[1] Arrilaga, J., Передача постоянного тока высокого напряжения, IEEE^® Power Engineering Series 6, Peter Peregrinus, Ltd., 1983.

[2] Lidong Zhang, Lars Dofnas, «A Novel Method to Mimition Commutation Failures in HVDC Systems», Proceedings PowerCon 2002. Международная конференция, том 1, 13-17 октября 2002 года, стр. 51-56.

Документация