Основанная на тиристоре ссылка HVDC

Описание системы передачи HVDC

Пример в этом разделе иллюстрирует моделирование ссылки передачи высоковольтного постоянного тока (HVDC) с помощью конвертеров с 12 импульсными тиристорами [1]. Возмущения применяются, чтобы исследовать производительность системы. Цели этого примера состоят в том, чтобы продемонстрировать использование Simscape™ Electrical™ Специализированные блоки Энергосистем в сочетании с Simulink^® блоки в симуляции полного полюса системы передачи HVDC с 12 импульсами.

Откройте power_hvdc12pulse модель и сохраняет его под другим именем, чтобы позволить дальнейшие модификации исходной системе.

1 000 МВт (500 кВ, 2 кА) соединение DC используется, чтобы передать степень от 500 кВ, 5000 MVA, систему на 60 Гц к 345 кВ, 10000 MVA, систему на 50 Гц. Системы AC представлены ослабленными эквивалентами L-R с углом 80 градусов на основной частоте (60 Гц или 50 Гц) и на третьей гармонике.

Выпрямитель и инвертор являются конвертерами с 12 импульсами с помощью двух блоков Universal Bridge, соединенных последовательно. Конвертеры соединяются через 300-километровую линию и 0.5 H сглаживание реакторов. Трансформаторы конвертера (Уай основывать/Уай/Delta) моделируются с блоками Three-Phase Transformer (Three-Windings) . Преобразователи касания трансформатора не симулированы. Положение касания скорее в фиксированной позиции, определенной коэффициентом умножения, применился к первичному номинальному напряжению трансформаторов конвертера (0.90 на стороне выпрямителя; 0.96 на стороне инвертора).

С точки зрения AC конвертер HVDC действует как источник гармонических токов. С точки зрения DC это - источник гармонических напряжений.

Порядок n этих характеристических гармоник связан с импульсным количеством p настройки конвертера: n = kp ± 1 для переменного тока и n = kp для постоянного напряжения, k являющийся любым целым числом. В примере, p = 12, так, чтобы введенные гармоники на стороне AC равнялись 11, 13, 23, 25, и на стороне DC, 12, 24.

Фильтры AC используются, чтобы препятствовать тому, чтобы нечетные гармонические токи распространились в системе AC. Фильтры сгруппированы в двух подсистемах. Эти фильтры также появляются как большие конденсаторы на основной частоте, таким образом предоставляя компенсацию реактивной мощности за потребление выпрямителя из-за угла включения α. Для α = 30 градусов, спрос на реактивную мощность конвертера составляет приблизительно 60% степени, переданной в предельной нагрузке. Подсистема фильтров AC содержит высокий Q (100), настроенные фильтры в 11-х и 13-х гармониках и низком Q (3), или ослабленный фильтр, раньше устраняли гармоники высшего порядка, e.g., 24-й и. Дополнительная реактивная мощность также обеспечивается батареями конденсаторов.

Два блока Breaker применяют отказы на сторону DC выпрямителя и на сторону AC инвертора, чтобы исследовать производительность системы.

Энергосистема и система управления и система защиты оба дискретизируются с 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 Analyze a Simple Circuit объясняет, как можно использовать блок Impedance Measurement, чтобы вычислить импеданс линейной системы от ее модели в пространстве состояний. Когда тиристорные клапаны конвертеров являются нелинейными блоками, они проигнорированы в расчете импеданса, и вы получаете импедансы с открытыми клапанами.

Выпрямитель и подсистемы инвертора используют блоки Impedance Measurement, чтобы измерить частотную характеристику между фазой A и фазой B систем AC. Измерение импеданса между двумя фазами дает два раза импеданс положительной последовательности. Поэтому вы задаете коэффициент умножения 1/2 на блоках Impedance Measurement, чтобы получить правильное значение импеданса. Блок ZDC Impedance Measurement измеряет импеданс на стороне терминала выпрямителя линии DC.

Можно использовать инструмент Impedance vs Frequency Measurement Powergui, чтобы отобразить величину и фазу в зависимости от частоты, измеренной тремя блоками Измерения Импеданса..

Величины этих трех импедансов в зависимости от частоты показывают здесь.

Импедансы положительной последовательности двух систем AC и линии DC

Отметьте два минимальных импеданса на величинах Z систем AC. Эти серийные резонансы создаются 11-ми и 13-ми гармоническими фильтрами. Они происходят на уровне 660 Гц и 780 Гц в системе на 60 Гц. Обратите внимание также, что сложение 600 Mvar емкостные фильтры в индуктивных системах создает резонансы приблизительно 188 Гц на стороне выпрямителя и 220 Гц на стороне инвертора. В области на 60 Гц величина является 56,75 Ω для системы на 60 Гц, соответствуя эффективному уровню короткой схемы 500²/56.75 = 4405 MVA на стороне выпрямителя (5000 MVA - 600 Mvar фильтров).

Для линии DC отметьте серийный резонанс на уровне 240 Гц, который соответствует основному режиму, вероятно, чтобы быть взволнованным на стороне DC под большими воздействиями.

Системы управления и системы защиты

(Текущее) Управление полюсом Выпрямителя и Управление полюсом Инвертора (Текущее/Напряжение/Гамма) подсистемы генерируют текущую ссылку для обоих конвертеров, и инициирует запуск и остановку передачи мощности постоянного тока. В инверторе Гамма подсистема Измерения измеряет угловую Гамму исчезновения конвертеров с 6 импульсными тиристорами.

Системы защиты могут быть включены и выключены. В выпрямителе защита отказа DC обнаруживает отказ на линии и принимает необходимые меры, чтобы очистить отказ. Низкая подсистема Обнаружения напряжения переменного тока в выпрямителе и инверторе служит, чтобы различить между отказом AC и отказом DC. В инверторе Коммутационная подсистема Управления Предотвращением Отказа [2] смягчает коммутационные отказы из-за падений напряжения переменного тока.

Синхронизация и увольнение системы

Синхронизация и генерация 12 импульсов увольнения выполняются Системой управления Увольнения С 12 импульсами. Эта система использует первичные напряжения, чтобы синхронизировать и сгенерировать импульсы согласно альфа-углу включения, вычисленному контроллером конвертера. Синхронизирующиеся напряжения измеряются в первичной стороне трансформатора конвертера, потому что формы волны менее искажены. Фазовая подстройка частоты (PLL) используется, чтобы сгенерировать три напряжения, синхронизируемые на основном компоненте напряжений положительной последовательности. Стреляющий импульсный генератор синхронизируется с этими тремя напряжениями, сгенерированными PLL. При нулевых пересечениях коммутирующихся напряжений (AB, BC, CA), сбрасывается пандус. Импульс увольнения сгенерирован каждый раз, когда значение пандуса становится равным желаемому углу задержки, обеспеченному контроллером.

Установившаяся характеристика V-I

Управление полюсом Выпрямителя и подсистемы Управления полюсом Инвертора реализуют эту установившуюся характеристику:

Выпрямитель и инвертор установившиеся характеристики и функция VDCOL

В нормальном функционировании выпрямитель управляет током в Id_ref ссылочное значение, тогда как инвертор управляет напряжением или гаммой в Vd_ref или Gamma_min ссылочное значение.

Система обычно действует в точке 1 как показано на рисунке. Однако во время серьезного непредвиденного обстоятельства, производящего падение напряжения в системе AC 1 питание выпрямителя, рабочая точка перемещается в точку 2. Выпрямитель, поэтому, обеспечен к минимуму α режим, и инвертор находится в текущем режиме управления. Точно так же падение напряжения в системе AC, питающей инвертор, обеспечит изменение режима управления в Гамма регулировании, чтобы ограничить угол γ min. Во время серьезного непредвиденного обстоятельства более быстрый ответ необходим, чтобы увеличить коммутационное поле и следовательно уменьшать вероятность коммутационного отказа. Коммутационная подсистема Управления Предотвращением Отказа (взгляд под блоком мер защиты Инвертора) генерирует сигнал, который уменьшает максимальный предел угла задержки во время падения напряжения (e.g., во время отказа AC).

Примечание

γ = угол исчезновения = 180º - α - µ, µ = коммутация или угол перекрытия

Функция VDCOL

Другая важная функция управления реализована, чтобы изменить ссылочный ток согласно значению напряжения постоянного тока. Это управление, названное Зависимым напряжения текущим ограничителем порядка (VDCOL), автоматически уменьшает ссылочный ток (Id_ref) сетбол, когда VdL уменьшения (как, например, во время повреждения линии DC или серьезного отказа AC). Сокращение Id ссылочные токи также снижают спрос реактивной мощности в системе AC, помогая восстановиться с отказа. Параметры VDCOL объяснены этой схемой:

Характеристика VDCOL; Id_ref = f (VdL)

Id_ref значение начинает уменьшаться, когда линейное напряжение Vd падает ниже порогового значения VdThresh. Фактический ссылочный ток, используемый контроллерами, доступен во втором контроллере выход, названном Id_ref_lim. IdMinAbs абсолютный минимум Id_ref значение. Когда линейное напряжение DC падает ниже VdThresh значение, VDCOL понижается мгновенно к Id_ref. Однако, когда напряжение постоянного тока восстанавливается, VDCOL ограничивает Id_ref время нарастания с постоянной времени, заданной параметром Tup.

Текущий, напряжение и гамма регуляторы

И выпрямитель и средства управления инвертором имеют текущий регулятор, вычисляющий стреляющий _αi. В инверторе, действующем параллельно с текущим регулятором, напряжение и/или гамма регуляторы, вычисляющие углы включения _αv и/или _αg. Эффективный α угол является минимальным значением _αi,_αvи/или _αg. Все регуляторы имеют пропорциональное - целочисленный тип. У них должны быть высокие усиления для низких частот (< 10 Гц), чтобы обеспечить ток, напряжение или гамма ответ, равный ссылочному току (Id_ref_lim), ссылочное напряжение (Vd_ref), или ссылочная гамма (Gamma_min), целый α в минимальных и максимальных пределах (5º <α <166º для выпрямителя, 92º <α <166º для инвертора). Аналогичный описанному прежде, сигнал (D_alpha), полученный от Коммутационной защиты Предотвращения Отказа, может временно уменьшать 166º предел в инверторе. Регулятор получает Кп, и Ки настроены во время небольших возмущений в ссылке.

Другая особенность регулятора является линеаризацией пропорциональной составляющей. Как Vd напряжение, сгенерированное выпрямителем и инвертором, пропорционально тому, потому что (α), ΔVd изменение из-за изменения Δα пропорционально sin (α). С постоянным значением Kp эффективное усиление, поэтому, пропорционально sin (α). Чтобы сохранить постоянную пропорциональную составляющую, независимую от α значения, усиление линеаризуется путем умножения Kp, постоянного 1/sin (α). Эта линеаризация применяется для области значений α, заданного двумя пределами, заданными в блоках Inverter Pole Control и Rectifier.

Системный Запуск/Остановка — Установившийся и Переходной процесс

Система запрограммирована, чтобы запустить и достигнуть устойчивого состояния. Затем шаг применяется сначала к ссылочному току и позже к ссылке напряжения, таким образом, можно наблюдать динамический ответ регуляторов. Наконец, последовательность остановки инициируется, чтобы принести механическую передачу гладко вниз прежде, чем блокировать конвертеры. Заметьте в Контроллере Конвертера, что после приема Остановки сигнализируют, что Forced_alpha упорядочен в течение 0,150 с, и затем 0.1 с спустя блокирование импульсов упорядочено.

Запустите симуляцию и наблюдайте сигналы относительно осциллографов Выпрямителя и Инвертора. Формы волны воспроизводятся здесь:

Запуск/Остановка Системы DC и Шага, Прикладного на Текущей Ссылке и Ссылке Напряжения

В Основном Управлении генераторы импульса конвертеров разблокированы и механическая передача, запущенная путем сползания ссылочного тока в t = 20 мс. Ссылка достигает минимального значения 0.1 pu в 0,3 с. Заметьте, что постоянный ток начинает создавать, и линия DC заряжена при ее номинальном напряжении. В t = 0,4 с, ссылочный ток сползается от 0,1 до 1 pu (2 кА) в 0,18 с (5 pu/s). Постоянный ток достигает устойчивого состояния в конце стартовой последовательности приблизительно в 0,58 с. Выпрямитель управляет током, и инвертор управляет напряжением. Трассировка 1 из осциллографов Выпрямителя и Инвертора показывает линейное напряжение DC (1 pu = 500 кВ). В инверторе также показывают ссылку напряжения. Проследите 2, показывает ссылочный ток и измеренный Id текущий (1 pu = 2 кА). Во время пандуса инвертор на самом деле управляет током (Трассировка 4: Режим = 1) к значению Id_ref_lim меньше Текущее Поле (0.1 pu) и выпрямитель пытается управлять током в Id_ref_lim. В инверторе режим управления изменяется от текущего управления до гамма управления (Режим = 6) прежде, чем стабилизироваться к управлению напряжением (Режим = 2) в t = 0,3 с. Выпрямитель становится после этого в управлении тока. Однако изменение режима управления произойдет, и альфа ограничивается минимальным значением 5 градусов (Режим = 3) во время увеличения напряжения постоянного тока, инициируемого увеличением ссылки напряжения в инверторе, как объяснено в следующем абзаце. В устойчивом состоянии (измеренный в t между 1,3 и 1,4 с), α углы включения являются приблизительно 16,5 градусами и 143 градусами соответственно на стороне инвертора и выпрямителе. Меры контроля инвертора угол исчезновения γ для каждого тиристора двух мостов с шестью импульсами (i.e., мост, соединенный с Уаем и обмотки Delta) путем определения прошедшего времени, описанного в электрических степенях конца текущей проводимости к нулевому пересечению коммутирующегося напряжения. Среднее значение измеренной гаммы для последних 12 исчезновений (6 из конвертера Delta и 6 из конвертера Уая) показывают в трассировках 5 наряду с Гамма ссылкой. В устойчивом состоянии среднее значение γ является приблизительно 22,5 градусами.

В t = 0,7 с,-0.2 шага pu применяются в течение 0,1 с к ссылочному току так, чтобы можно было наблюдать динамический ответ регуляторов. Позже, в t = 1,0 с, 0.1 шага pu применяются в течение 0,2 с при напряжении ссылки инвертора. Наблюдайте в инверторе, угол исчезновения достигает ссылочного значения (e.g., минимальное приемлемое значение) и что Гамма регулятор берет на себя управление в t приблизительно 1,1 с. В t приблизительно 1,3 с регулятор напряжения возвращает контроль над напряжением.

В t = 1,4 с последовательность Остановки инициируется путем сползания вниз тока к 0.1 pu. В t = 1,6 с Принудительная альфа (к 166 градусам) в выпрямителе гасит ток, и в инверторе Принудительная альфа (к 92 градусам с ограниченным уровнем) снижает напряжение постоянного тока из-за захваченного заряда в емкости линии. В t = 1,7 с импульсы блокируются в обоих конвертерах.

Сравнение теории и результатов симуляции в устойчивом состоянии

Основные уравнения, управляющие установившейся операцией системы DC, даны здесь так, чтобы можно было сравнить теоретические значения с результатами симуляции.

Следующее выражение связывает среднее постоянное напряжение Vd моста с 12 импульсами к ID постоянного тока и углу включения α (пренебрежение омических потерь 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 загрузок для моста с шестью импульсами:

$V d o = (3 \sqrt{2} / π) \times V c$

Vc является напряжением коммутации RMS от линии к линии, которое зависит от системного напряжения AC и отношения трансформатора.

Дистанционное управление является эквивалентным сопротивлением коммутации.

$R c = (3 / π) \times X c$

Xc является коммутирующимся реактивным сопротивлением, или реактивное сопротивление трансформатора упомянуло сторону клапана.

Следующие параметры выпрямителя использовались в симуляции.

Напряжение Vc должно учесть действующее значение напряжения на шине на 500 кВ и отношении трансформатора. Если вы смотрите на формы волны, отображенные на осциллографе AC_Rectifier, вы находите 0.96 pu, когда ID постоянного тока достиг своего устойчивого состояния (1 pu).

Если вы открываете диалоговое окно силового трансформатора, вы находите, что коэффициент умножения 0,90 применился к первичному номинальному напряжению. Напряжение применилось к инвертору, поэтому повышен 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 соответствует хорошо ожидаемому напряжению выпрямителя, вычисленному от напряжения инвертора и падения напряжения в линии DC (R = 4,5 Ω) и в реакторе сглаживания выпрямителя (R = 1 Ω):

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

µ коммутация или угол перекрытия могут также быть вычислены. Его теоретическое значение зависит от α, ID постоянного тока и коммутационного реактивного сопротивления 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 коммутационный угол путем наблюдения токов при двух клапанах, например, текущем исчезновении при клапане 1 и текущее наращивание при клапане 3 из моста с шестью импульсами Y выпрямителя. Эти сигналы доступны в осциллографе VALVE13_RECT.

Формы волны, иллюстрирующие два цикла, показывают в следующем рисунке. Измеренный коммутационный угол является 14 шагами 50 мкс или 15.1º периода на 60 Гц. Разрешение с 50 временными шагами мкс 1.1º; этот угол соответствует обоснованно хорошо теоретическому значению.

Напряжение клапана и токи (Коммутация от клапана 1 к клапану 3)

Наконец, чтобы подтвердить γ измерение в инверторе, наблюдайте клапан 1 напряжение и текущий в осциллографе VALVE1_INV. Также наблюдайте, что коммутирующееся напряжение, соответствующее исходящему клапану 1, погашено и среднее значение γ как показано в Текущем и Коммутационном Напряжении Клапана 1 Показ γ. Проверьте также, что значения α, µ, и γ составляют в целом 180º.

Текущее и коммутационное напряжение клапана 1 показ γ

Повреждение линии DC

Деактивируйте шаги, примененные на текущую ссылку и на ссылку напряжения в Основном Управлении и в Управлении Инвертором и Защите соответственно путем установки переключателей в более низком положении. В блоке DC Fault измените коэффициент умножения от 100 до 1, так, чтобы отказ был теперь применен в t = 0,7 с. Уменьшайте Время остановки Симуляции до 1,4 с. Откройте осциллограф Выпрямителя, а также осциллограф Отказа, чтобы наблюдать, что текущий отказ и осциллограф Выпрямителя Защиты наблюдает действие защиты Отказа DC. Перезапустите симуляцию.

Повреждение линии DC на стороне выпрямителя

В приложении отказа (t = 0,7 с), постоянный ток увеличивается до 2.2 pu, и напряжение постоянного тока падает на нуль в выпрямителе. Это отбрасывание напряжения постоянного тока замечено Зависимым напряжения текущим ограничителем порядка (VDCOL) и защитой Отказа DC. VDCOL уменьшает ссылочный ток до 0.3 pu в выпрямителе. Постоянный ток все еще продолжает циркулировать в отказе. Затем в t = 0,77 с, выпрямитель α угол включения обеспечен до 166 градусов защитой Отказа DC после обнаружения низкого напряжения постоянного тока. Выпрямитель теперь действует в режиме инвертора. Линейное напряжение DC становится отрицательным, и энергия, сохраненная в линии, возвращена в систему AC, вызвав быстрое исчезновение отказа, текущего при его следующем нулевом пересечении. Затем α выпущен в t = , 0,82 с и нормальное напряжение постоянного тока и текущий восстанавливаются приблизительно в 0,5 с. Заметьте, временное изменение режима в средствах управления Выпрямителем между 1,18 с и 1,25 с.

Линия переменного тока к замыканию на землю в инверторе

Теперь измените синхронизации отказа, чтобы применить линию к замыканию на землю. В блоке DC Fault измените коэффициент умножения 1 - 100, так, чтобы отказ DC был теперь устранен. В блоке A-G Fault измените коэффициент умножения за время переключения к 1, так, чтобы линия к замыканию на землю с шестью циклами была теперь применена в t = 0,7 с в инверторе. Перезапустите симуляцию.

Выпрямитель, сигналы инвертора для отказа линии переменного тока на стороне инвертора

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

Заметьте колебания на 120 Гц в напряжении постоянного тока и токах во время отказа. Неизбежный коммутационный отказ происходит в инверторе в самом начале отказа, и постоянный ток увеличивается до 2 pu. Коммутационный отказ является результатом отказа входящего клапана принять постоянный ток, прежде чем коммутационное напряжение инвертирует свою полярность. Признаки являются нулевым напряжением постоянного тока через затронутый мост, вызывающий увеличение постоянного тока на уровне, определенном в основном индуктивностью схемы DC. Когда отказ очищен в t = 0,8 с, VDCOL управляет и уменьшает ссылочный ток до 0.3 pu. Система восстанавливается приблизительно в 0,35 с после очистки отказа.

Посмотрите на формы волны, отображенные на осциллографе PROTECTION INVERTER. Блок Low AC Voltage обнаруживает отказ и блокирует защиту Отказа DC, которая в этом случае не должна обнаруживать отказ DC, даже если линейное напряжение DC опускается. Посмотрите на Коммутационное Управление Предотвращением Отказа выходной (A_min_I) (ЦФПРЕВА), который уменьшает максимальный угловой предел задержки, чтобы увеличить коммутационное поле в течение и после отказа.

Теперь откройте диалоговое окно блока CFPREV, расположенного в подсистеме Мер защиты Инвертора, и деактивируйте защиту ЦФПРЕВА путем отмены выбора “состояния ON”. Перезапустите симуляцию. Заметьте немного отличающееся переходное поведение в течение и после отказа.

Ссылки

[1] Arrilaga, J., передача постоянного тока высокого напряжения, IEEE^® Серия 6 энергетики, Peter Peregrinus, Ltd., 1983.

[2] Лидун Чжан, Ларс Дофнас, “Новый Метод, чтобы Смягчить Коммутационные Отказы в Системах HVDC”, продолжения PowerCon 2002. Международная конференция по вопросам, Объем: 1, 13-17 октября 2002, стр 51–56.

Документация