HVDC на основе VSC Ссылки
Введение
Увеличение номинальных и улучшенных производительностей самокоммутируемых полупроводниковых устройств сделали возможной передачу постоянного тока высокого напряжения (HVDC) на основе преобразователя напряжения (VSC). Двумя технологиями, предлагаемыми производителями, являются HVDC Light [1] и HVDCplus [2].
Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует моделирование принудительно коммутируемого преобразователя напряжения высокого напряжения постоянного тока (VSC-HVDC) ссылки передачи. Целями этого примера являются демонстрация использования блоков Simscape™ Electrical™ Specialized Степени Systems в симуляции ссылки передачи HVDC на основе трехуровневых преобразователей Neutral Точки Clamped (NPC) VSC с переключением Синусоидальной модуляции ширины импульса (SPWM) на однофазной несущей. Возмущения применяются для исследования динамической эффективности системы.
Описание ссылки HVDC
Основной характеристикой передачи VSC-HVDC является ее способность независимо управлять реактивным и реальным потоком степени в каждой из систем переменного тока, к которой она подключена, в точке общей связи (PCC). В отличие от линейно коммутируемой передачи HVDC, полярность напряжения ссылка остается неизменной, при этом постоянный ток преобразуется назад, чтобы изменить направление степени.
Ссылка HVDC, описанная в этом примере, доступна в power_hvdc_vsc модель. Можно запустить команду, введя следующее в MATLAB® Командное окно: power_hvdc_vsc. Загрузите эту модель и сохраните ее в рабочей директории как case5 для дальнейшего изменения исходной системы. Эта модель представляет трансмиссию VSC-HVDC на 200 МВА, +/- 100 кВ ссылки.
230 кВ, 2000 MVA AC system1 и AC system2 подсистемы моделируются демпфированными L-R эквивалентами с углом 80 степеней на основной частоте (50 Гц) и в третьей гармонике. Преобразователи VSC являются трехуровневыми мостовыми блоками, использующими IGBT/диоды. Относительная легкость, с которой можно управлять IGBT, и его пригодность для высокочастотного переключения сделали это устройство лучшим выбором по сравнению с GTO и тиристорами. Откройте подсистемы Station 1 и Station 2, чтобы увидеть, как они построены.
Преобразовательный трансформатор (Wye заземленный/Delta) используется, чтобы позволить оптимальное преобразование напряжения. Настоящее устройство обмотки блокирует гармоники трипплена, производимые конвертером. Преобразователь ответвлений трансформатора или насыщение не моделируются. Положение отвода скорее находится в фиксированном положении, определяемом коэффициентом умножения, приложенным к первичному номинальному напряжению преобразовательных трансформаторов. Коэффициенты умножения выбираются так, чтобы иметь индекс модуляции около 0,85 (отношения трансформаторов 0,915 на стороне выпрямителя и 1,015 на стороне инвертора). Реактор конвертера и реактивное сопротивление утечки трансформатора позволяют напряжению выхода VSC перемещаться в фазе и амплитуде относительно системы переменного тока, и позволяет управлять активной и реактивной степенью выхода.
Для соответствия гармоническим спецификациям системы переменного тока, фильтры переменного тока образуют неотъемлемую часть схемы. Они могут быть подключены как элементы шунта на стороне системы переменного тока или на стороне конвертера трансформатора. Поскольку существуют только высокие частоты гармоники, фильтрация шунта, следовательно, относительно небольшая по сравнению с рейтингом конвертера. Это достаточно с фильтром высоких частот, и никакие настроенные фильтры не нужны. Более поздняя компоновка используется в нашей модели, и реактор-конвертер, устройство с воздушным стержнем, отделяет основную частоту (шина фильтра) от необработанной формы волны PWM (шина конвертера). Генерация гармоник переменного тока [4] в основном зависит от:
Тип модуляции (например, однофазная или трехфазная несущая, пространственный вектор и т.д.)
Частотный индекс p = несущая частота/частота модулятора (например, p = 1350/50 = 27)
Индекс модуляции m = основное выходное напряжение преобразователя/полюса в напряжение постоянного тока полюса
Основные гармонические напряжения генерируются при и вокруг кратных р. Шунтируемые фильтры переменного тока являются 27-м и 54-м высокочастотными, составляющими в общей сложности 40 Мвар. Чтобы проиллюстрировать действие фильтра переменного тока, мы провели анализ БПФ в установившемся состоянии напряжения фазы А преобразователя и напряжения фазы А шины фильтра, используя блок Powergui. Результаты показаны в Фазе А Напряжение и Анализ БПФ: (a) Шина конвертера (b) Шина фильтра.
Фаза А Напряжение и анализ БПФ: (a) Шина конвертера (b) Шина фильтра
Конденсаторы постоянного тока резервуара подключены к клеммам VSC. Они оказывают влияние на динамику системы и пульсацию напряжения на стороне постоянного тока. Размер конденсатора определяется постоянной времени, соответствующей времени, необходимому для зарядки конденсатора до базового напряжения (100 кВ), если он заряжается базовым током (1 кА). Это дает
, = C· Zbase = 70e-6· 100 = 7 мс
с Zbase = 100kV/1 кА
Боковые фильтры постоянного тока, блокирующие высокочастотные, настраиваются на 3-ю гармонику, т.е. основную гармонику, присутствующую в положительных и отрицательных полюсных напряжениях. Показано, что реактивный ток преобразователя генерирует относительно большую третью гармонику как в положительном, так и в отрицательном полюсных напряжениях [3], но не в общем постоянном напряжении. Гармоники постоянного тока могут также быть гармониками нулевой последовательности (нечетные множители 3), переданными на сторону постоянного тока (например, через заземленные фильтры переменного тока). Сглаживающий реактор соединяется последовательно с каждым полюсным выводом.
Чтобы сохранить сторону постоянного тока сбалансированной, уровень различия между напряжениями полюса должен управляться и поддерживаться равным нулю (см. блок DC Voltage Balance Control в блоке VSC Controller).
Выпрямитель и инвертор соединены между собой через 75 км кабель (2 пи секции). Использование подземного кабеля типично для ссылок VSC-HVDC. Выключатель используется, чтобы применить трехфазный отказ к отказу заземления на стороне переменного тока инвертора. Трехфазный программируемый источник напряжения используется в системе станции 1 для применения провисаний напряжения.
Система управления VSC
Обзор системы управления конвертера VSC и интерфейса с основной схемой показывает обзорную схему системы управления VSC и ее интерфейс с основной схемой [3].
Обзор системы управления преобразователя VSC и интерфейса к основной схеме
Преобразователь 1 и преобразователь 2 проектирования контроллера идентичны. Два контроллера являются независимыми, между ними нет связи. Каждый конвертер имеет две степени свободы. В нашем случае они используются для контроля:
P и Q на станции 1 (выпрямитель)
Udc и Q в станции 2 (инвертор).
Управление напряжением переменного тока также было бы возможно в качестве альтернативы Q. Для этого требуется дополнительный регулятор, который не реализован в нашей модели.
Откройте подсистему Контроллер, чтобы узнать подробности.
Шаг расчета моделей контроллеров (Ts_Control) составляет 74,06 мкс, что в десять раз превышает шаг расчета симуляции. Более поздний выбран равным одной сотой периода несущей ШИМ (т.е. 0,01/1350 с), что дает приемлемую точность симуляции. Элементы степени, фильтры сглаживания и блок PWM Generator используют основной шаг расчета (Ts_Power) 7,406 мкс. Для нашей модели выбран несинхонизированный режим работы ШИМ.
Нормированные дискретизированные напряжения и токи (в pu) подаются на контроллер.
Блок Clark Transformations преобразует трехфазные величины в пространственные векторные компоненты α и β (действительная и мнимая часть). Измерения сигнала (U и I) на первичной стороне вращаются на ± pi/6 в соответствии с соединением трансформатора (YD11 или YD1), чтобы иметь одну и ту же систему отсчета с сигналом, измеренным на вторичной стороне трансформатора (см. блок CLARK YD ).
Блок преобразований dq вычисляет прямую ось «d» и квадратичную ось «q» величин (две вращающиеся опорные системы координат) из α и β величин.
Блок Signal Calculations вычисляет и фильтрует величины, используемые контроллером (например, активная и реактивная степень, индекс модуляции, постоянный ток и напряжение и т.д.).
Фаза заблокированный Цикл (PLL)
Блок Phase Locked Loop измеряет частоту системы и обеспечивает фазовый синхронный угол В установившемся состоянии sin (В) находится в фазе с основной (положительной последовательностью) α компонентом и фазой A напряжения PCC ( Uabc).
Внешние активные и реактивные Степени и Цикл напряжения
Активная и реактивная степень и цикл напряжения содержат внешний контур регуляторы, которые вычисляют ссылку значение вектора тока преобразователя (Iref_dq), который является входом во внутренний цикл тока. Режимы управления: в оси «d», либо активный поток степени в PCC, либо полюсное напряжение постоянного тока; в оси «q» реактивная степень поток в PCC. Обратите внимание, что также можно было бы добавить режим управления переменным напряжением на PCC в оси «q». Основные функции активного и реактивного цикла степени и напряжения описаны ниже.
Блок Reactive Power Control объединяет управление PI с управлением с feedforward, чтобы увеличить характеристику скорости. Чтобы избежать наведения интегратора, выполняются следующие действия: ошибка сбрасывается на нуль, когда измеренное напряжение PCC меньше постоянного значения (т.е. во время возмущения переменного тока); когда выход регулятора ограничен, ошибка ограничения подается назад с правым знаком на вход интегратора. Блок переопределения переменного напряжения, основанный на двух ПИ-регуляторах, переопределяет регулятор реактивной степени, чтобы поддерживать напряжение переменного тока PCC в защищённой области значений, особенно в установившемся состоянии.
Блок Active Power Control аналогичен блоку Reactive Power Control. Дополнительный блок Ramping увеличивает порядок степени к желаемому значению с скорректированной скоростью, когда управление деблокировано. Растянутое значение сбрасывается до нуля, когда конвертер заблокирован. Блок переопределения постоянного напряжения, основанный на двух ПИ-регуляторах, переопределяет активный регулятор степени, чтобы поддерживать постоянное напряжение в защищённой области значений, особенно во время возмущения в системе переменного тока станции, управляющей постоянным напряжением.
Блок регулятора постоянного напряжения использует ПИ-регулятор. Блок включается, когда блок Active Power Control отключен. Выход блока является ссылкой значением для компонента «d» вектора тока конвертера для блока Current Ссылки Limitation.
Блок Current Reference Calculation преобразует активную и реактивную опорную мощность, рассчитанную контроллерами P и Q, в опорные токи в соответствии с измеренным (векторным) напряжением в шине фильтра. Текущая уставка оценивается путем деления опорной мощности на напряжение (до минимального заданного значения напряжения).
Текущий базовый вектор ограничивается максимально допустимым значением (т.е. зависящим от оборудования) блоком Current Reference Limitation. В режиме управления степенью одинаковое масштабирование применяется к активной и реактивной опорной степени, когда установлен предел. В режиме управления постоянным напряжением более высокий приоритет отдается активной степени, когда установлен предел для эффективного управления напряжением.
Внутренний цикл тока
Основные функции блока Inner Current Loop описаны ниже.
Блок управления током переменного тока отслеживает текущий базовый вектор («d» и «q» компоненты) с помощью прямой схемы подачи, чтобы добиться быстрого управления током при изменениях нагрузки и нарушениях порядка (например, поэтому отказы короткой схемы не превышают опорных) [3] [5] [6]. По сути, это состоит из знания U_dq напряжений вектора и вычисления того, какими должны быть напряжения преобразователя, путем добавления падения напряжения из-за токов на импедансе между напряжениями U и PWM-VSC. Используются уравнения состояния, представляющие динамику токов VSC (приближение делается путем пренебрежения фильтрами AC). Компоненты «d» и «q» разделяются для получения двух независимых моделей объекта управления первого порядка. Пропорциональная интегральная (PI) обратная связь тока конвертера используется, чтобы уменьшить ошибку до нуля в установившемся состоянии. Выход блока AC Current Control является неограниченным вектором ссылки Vref_dq_tmp напряжения.
Блок Ссылки Напряжения учитывает фактическое постоянное напряжение и теоретическое максимальное пиковое значение основного напряжения фазы моста относительно постоянного напряжения, чтобы сгенерировать новый оптимизированный вектор опорного напряжения. В нашей модели (т.е. трехуровневом NPC с PWM на основе несущей) отношение между максимальным пиковым напряжением фазы и общим напряжением постоянного тока (то есть для индекса модуляции 1) является = 0.816. При выборе номинальной линии напряжения 100 кВ на вторичной шине трансформатора и номинального общего постоянного напряжения 200 кВ номинальный индекс модуляции составил бы 0,816. В теории конвертер должен иметь возможность генерировать до 1/0,816 или 1,23 пу, когда индекс модуляции равен 1. Этот запас напряжения важен для генерации значительного тока емкостного преобразователя (то есть реактивного потока степени в систему переменного тока).
Блок Ограничения Опорного Напряжения ограничивает амплитуду вектора опорного напряжения 1,0, так как чрезмерная модуляция не требуется.
Блоки обратного dq и обратного Clark преобразования необходимы, чтобы сгенерировать трехфазные ссылки напряжения на PWM.
Регулирование баланса постоянного напряжения
Управление балансом постоянного напряжения может быть включено или отключено. Управление различия между напряжениями на стороне постоянного тока (положительными и отрицательными) обеспечивает сбалансированность стороны постоянного тока трехуровневого моста (т.е. равные полюсные напряжения) в установившемся состоянии. Небольшие отклонения между напряжениями полюса могут происходить при изменениях тока активного/реактивного преобразователя или из-за нелинейности при отсутствии точности в выполнении модулированного мостового напряжения ширины импульса. Кроме того, отклонения между напряжениями полюса могут быть вызваны присущим им дисбалансом в импедансе компонентов схемы.
Ток средней точки постоянного тока Id0 определяет различие Ud0 между верхним и нижним напряжениями постоянного тока (напряжения постоянного тока и токи Трехуровневого моста).
Постоянные напряжения и токи трехуровневого моста
Путем изменения времени проводимости переключателей в полюсе можно изменить среднее значение тока средней точки постоянного Id0 и, таким образом, контролировать разностное Ud0 напряжения. Например, положительное различие (Ud0 ≥ 0) может быть уменьшена до нуля, если амплитуда опорного напряжения, которое генерирует положительный ток средней точки, увеличивается одновременно с уменьшением амплитуды опорного напряжения, который генерирует отрицательный ток средней точки постоянного тока. Это осуществляется путем сложения смещённого компонента к синусоидальному опорному напряжению. Следовательно, напряжение моста становится искаженным, и для ограничения эффекта искажения управление должно быть медленным. Наконец, для повышения эффективности эта функция должна быть активирована в станции, управляющей напряжением постоянного тока.
Динамическая эффективность
В следующих разделах динамическая эффективность системы передачи проверяется путем моделирования и наблюдения
Динамическая реакция на изменения шага, применяемые к основным ссылкам регулятора, таким как активная/реактивная степень и постоянное напряжение
Восстановление от незначительных и серьезных возмущений в системе переменного тока
Подробное объяснение процедуры, последовавшей за получением этих результатов и многого другого, смотрите в блоке Model Information.
Запуск системы - статические и переходные характеристики
Запуск и шаги P&Q на станции 1
Запуск и Переходная характеристика UDC на станции 2
Конвертер станции 2, управляющий постоянным напряжением, сначала деблокируется при t = 0,1 с. Затем станция 1, управляющая конвертером активной степени, деблокируется при t = 0,3 с и степень медленно растёт до 1 пу. Установившееся состояние достигается приблизительно на t = 1,3 с при постоянном напряжении и степени на 1,0 пу (200 кВ, 200 МВт). Оба конвертера управляют потоком реактивной степени до нулевого значения в станции 1 и до 20 Mvar (-0,1 pu) в систему станции 2.
После достижения устойчивого состояния к опорной активной степени в преобразователе 1 прикладывается шаг -0,1 pu (t = 1,5 с), а позже к опорной реактивной степени (t = 2,0 с) - шаг -0,1 pu. На станции 2 к опорному напряжению постоянного тока применяется шаг -0,05 pu. Наблюдается динамическая реакция регуляторов. Время стабилизации составляет приблизительно 0,3 с. Система управления пытается развязать активную и реактивную характеристики степени. Обратите внимание, как регулирующие органы более или менее взаимно затронуты.
Возмущения на стороне переменного тока
Из установившегося условия незначительное и серьезное возмущения выполняются в системах станций 1 и 2 соответственно. На шине станции 1 сначала прикладывается трехфазный провал напряжения. Затем, после восстановления системы, на шине станции 2 прикладывается трехфазный отказ от заземления. Восстановление системы от возмущений должно быть быстрым и стабильным. Основные формы волны из возможностей воспроизведены на двух рисунках ниже.
Шаг напряжения в системе переменного тока 1
Шаг переменного напряжения (-0,1 pu) прикладывается на t = 1,5 с в течение 0,14 с (7 циклов) на станции 1. Результаты показывают, что отклонение активной и реактивной степени от предварительного нарушения порядка составляет менее 0,09 pu и 0,2 pu соответственно. Время восстановления составляет менее 0,3 с, и устойчивое состояние достигается перед следующим началом возмущения.
Отказ прикладывается на t = 2,1 с в течение 0,12 с (6 циклов) на станции 2.
Трехфазный отказ на землю на шине станции 2
Обратите внимание, что во время трехфазного отказа переданная степень постоянного тока почти прекращается, и напряжение постоянного тока имеет тенденцию увеличиваться (1.2 pu), поскольку емкость на стороне постоянного тока чрезмерно заряжается. Специальная функция (DC Voltage Control Override) в Active Power Control (в станции 1) пытается ограничить постоянное напряжение в фиксированной области значений. Система восстанавливается хорошо после отказа, в пределах 0,5 с. Обратите внимание на демпфированные колебания (около 10 Гц) реактивной степени.
Ссылки
[1] Weimers, L. «A New Technology for a Better Environment», Power Engineering Review, IEEE®, том 18, выпуск 8, август 1998 года.
[2] Schettler F., Huang H., and Christl N. «HVDC transmission systems using voltage source converter - design and applications», Летнее собрание IEEE Power Engineering Society, июль 2000.
[3] Lindberg, Anders 'PWM и управление двух- и трехуровневыми преобразователями источника высокого напряжения ", Licentiate thesis, ISSN-1100-1615, TRITA-EHE 9501, The Royal of Technology Institute, Sweden, 1995.
[4] Sadaba, Alonso, O., P. Sanchis Gurpide, J. Lopez Tanerna, I. Munoz Morales, L. Marroyo Palomo, "Voltage Harmonics Generated by 3-Level Converters using Pwiting Pwitural Sampling, peral spling",, "power elering elertertical.
[5] Lu, Weixing, Boon-Teck Ooi, «Оптимальное приобретение и агрегация морской ветряной энергии с помощью многотерминального источника напряжения HVDC», IEEE Trans. Power Delivery, vol. 18, pp. 201-206, Jan.
[6] Sao, K., P.W. Lehn, M.R. Iravani, J.A. Martinez, «A benchmark system for digital time-domain simulation of a pulse-width-moduled D-STATCOM», IEEE Trans. Степень, vol. 17, pp. 1113-1120, Oct. 2002.