Основанная на VSC ссылка HVDC
Введение
Оценка увеличения и улучшенная производительность самокоммутируемых полупроводниковых устройств сделали возможный DC Высокого напряжения (HVDC) передача на основе Полученного напряжением конвертера (VSC). Две технологии, предлагаемые производителями, являются Световым сигналом [1] HVDC и HVDCplus [2].
Пример, описанный в этом разделе, иллюстрирует моделирование принудительно коммутируемого Полученного Напряжением Конвертера высоковольтный постоянный ток (VSC-HVDC) ссылка передачи. Цели этого примера состоят в том, чтобы продемонстрировать использование Simscape™ Electrical™ Специализированные блоки Энергосистем в симуляции ссылки передачи HVDC на основе трехуровневых конвертеров Neutral Point Clamped (NPC) VSC с однофазным основанным на несущей переключением Синусоидальной модуляции ширины импульса (SPWM). Возмущения применяются, чтобы исследовать системные динамические характеристики.
Описание ссылки HVDC
Основная характеристика передачи VSC-HVDC является своей способностью независимо управлять потоком реактивной мощности и действительной мощности в каждой из систем AC, с которыми это соединяется при Общей Связи (PCC). В отличие от коммутируемой с линией передачи HVDC, полярность напряжения ссылки DC остается то же самое с постоянным током, инвертируемым, чтобы изменить направление потока энергии.
Ссылка HVDC, описанная в этом примере, доступна в power_hvdc_vsc модель. Можно запустить команду путем ввода следующего в MATLAB® Командное окно: power_hvdc_vsc. Загрузите эту модель и сохраните ее в вашей рабочей директории как case5 позволить дальнейшие модификации исходной системе. Эта модель представляет 200 MVA, +/-ссылка передачи VSC-HVDC на 100 кВ.
230 кВ, 2000 систем AC MVA (AC system1 и AC system2 подсистемы) моделируются ослабленными эквивалентами L-R с углом 80 градусов на основной частоте (50 Гц) и на третьей гармонике. Конвертеры VSC являются трехуровневыми мостовой брусьями с помощью IGBT/diodes. Относительная простота, с которой IGBT можно управлять и его пригодность для высокочастотного переключения, сделала это устройство лучшим выбором по GTO и тиристорам. Откройте Станцию 1 и Станцию 2 подсистемы, чтобы видеть, как они создаются.
Трансформатор конвертера (Уай основанная / Delta) используется, чтобы разрешить оптимальное преобразование напряжения. Существующее извилистое расположение блокирует tripplen гармоники, произведенные конвертером. Преобразователь касания трансформатора или насыщение не симулированы. Положение касания скорее в фиксированной позиции, определенной коэффициентом умножения, применился к первичному номинальному напряжению трансформаторов конвертера, коэффициенты умножения выбраны, чтобы иметь индекс модуляции приблизительно 0,85 (отношения трансформатора 0,915 на стороне выпрямителя и 1.015 на стороне инвертора). Реактор конвертера и реактивное сопротивление утечки трансформатора разрешают выходному напряжению VSC переключать на нижний регистр фазу и амплитуду относительно системы AC, и позволяет управление конвертера активная и реактивная мощность выход.
Чтобы выполнить системным техническим требованиям гармоники AC, фильтры AC являются основной частью схемы. Они могут быть соединены как элементы шунта на системной стороне AC или стороне конвертера трансформатора конвертера. С тех пор существуют только высокочастотные гармоники, фильтрация шунта поэтому относительно мала по сравнению с оценкой конвертера. Это достаточно с фильтром высоких частот, и никакие настроенные фильтры не необходимы. Более позднее расположение используется в нашей модели и реакторе конвертера, воздух, с удаленной сердцевиной устройство, разделяет основную частоту (шина фильтра) от необработанной формы волны PWM (шина конвертера). Генерация гармоник AC [4] в основном зависит от:
Тип модуляции (e.g. однофазная или трехфазная базирующаяся несущая, вектор пробела, и т.д.)
Индекс p частоты = несущая частота / частота модулятора (e.g. p = 1350/50 = 27)
Индекс m модуляции = основное выходное напряжение конвертера / орудует шестами, чтобы подпереть напряжение постоянного тока шестами
Основные гармонические напряжения сгенерированы в и вокруг множителей p. Фильтры AC шунта являются 27-й и 54-й высокой передачей всего 40 Mvar. Чтобы проиллюстрировать AC фильтруют действие, мы сделали анализ БПФ в устойчивом состоянии фазы конвертера, напряжение и шина фильтра поэтапно осуществляют напряжение, с помощью блока Powergui. Результаты показывают в Фазе Анализ БПФ и Напряжение: (a) Шина Конвертера (b) Шина Фильтра.
Поэтапно осуществите анализ БПФ и напряжение: (a) шина конвертера (b) шина фильтра
Конденсаторы DC резервуара соединяются с терминалами VSC. Они имеют влияние на системную динамику и пульсацию напряжения на стороне DC. Размер конденсатора задан к этому времени постоянный τ, соответствующий времени, это берет, чтобы заряжать конденсатор к базовому напряжению (100 кВ), если это обвинено в базовом токе (1 кА). Это уступает
τ = C · Zbase = 70e-6 · 100 = 7 мс
с Zbase = 100kV/1 kA
Фильтры стороны DC, блокирующиеся высокочастотный, настраиваются на 3-ю гармонику, i.e., основная гармоника, существующая в положительных и отрицательных напряжениях полюса. Показано, что реактивный текущий конвертер генерирует относительно большую третью гармонику и в положительных и в отрицательных напряжениях полюса [3], но не в общем напряжении постоянного тока. Гармоники DC могут также быть гармониками нулевой последовательности (нечетные множители 3) переданный стороне DC (e.g., через заземленные фильтры AC). Реактор сглаживания соединяется последовательно на каждом терминале полюса.
Чтобы сохранить сторону DC сбалансированной, уровнем различия между напряжениями полюса нужно управлять и придерживался нуля (см. блок DC Voltage Balance Control в блоке VSC Controller).
Выпрямитель и инвертор соединяются через 75-километровый кабель (2 раздела пи). Использование подземного кабеля типично для ссылок VSC-HVDC. Выключатель используется, чтобы применить трехфазное к замыканию на землю на стороне AC инвертора. Блок Three-Phase Programmable Voltage Source используется в станции 1 система, чтобы применить перекосы напряжения.
Система управления VSC
Обзор Системы управления Конвертером VSC и Интерфейсом к Основной Схеме показывает схему обзора системы управления VSC и ее интерфейса с основной схемой [3].
Обзор системы управления конвертером VSC и интерфейсом к основной схеме
Конвертер 1 и конвертер 2 проектирования контроллера идентичны. Эти два контроллера независимы без связи между ними. Каждый конвертер имеет две степени свободы. В нашем случае они используются, чтобы управлять:
P и Q в станции 1 (выпрямитель)
Udc и Q в станции 2 (инвертор).
Управление напряжения переменного тока было бы также возможно как альтернатива Q. Это требует дополнительного регулятора, который не реализован в нашей модели.
Откройте Подсистему контроллера VSC, чтобы видеть детали.
Шаг расчета моделей контроллеров (Ts_Control) составляет 74,06 мкс, который является десять раз шагом расчета симуляции. Позже выбран, чтобы быть сотым периода несущей PWM (т.е. 0.01/1350 s) предоставление приемлемой точности симуляции. Элементы степени, фильтры сглаживания и блок PWM Generator используют основной шаг расчета (Ts_Power) 7,406 мкс. Несинхронизируемый режим работы PWM выбран для нашей модели.
Нормированные произведенные напряжения и токи (в pu) предоставляются контроллеру.
Блок Clark Transformations преобразовывает трехфазные количества, чтобы расположить векторные компоненты с интервалами α и β (действительная и мнимая часть). Измерения сигнала (U и I) на первичной стороне вращаются ±pi/6 согласно связи трансформатора (YD11 или YD1), чтобы иметь ту же систему координат с сигналом, измеренным на вторичной стороне трансформатора (см. блок CLARK YD).
Блок dq transformations вычисляет прямую ось “d” и квадратичную ось “q” количества (две системы координат вращения оси) от α и β количеств.
Блок Signal Calculations вычисляет и фильтрует количества, используемые контроллером (e.g., активная и реактивная мощность, индекс модуляции, постоянный ток и напряжение, и т.д.).
Фазовая подстройка частоты (PLL)
Блок Phase Locked Loop измеряет системную частоту и предоставляет фазе синхронный угол Θ (более точно [sin (Θ), потому что (Θ)]) для блока dq Transformations. В устойчивом состоянии sin (Θ) совпадает с основным принципом (положительная последовательность) α компонента и фазы A напряжения PCC (Uabc).
Внешняя активная и реактивная мощность и цикл напряжения
Цикл реактивной мощности и активного и напряжения содержит регуляторы внешнего контура, который вычисляет ссылочное значение конвертера текущий вектор (Iref_dq), который является входом к внутреннему текущему циклу. Режимы управления: на “d” оси или активная мощность течет в PCC или напряжении постоянного тока полюса-к-полюсному; на “q” оси, потоке реактивной мощности в PCC. Обратите внимание на то, что было бы также возможно добавить режим управления напряжения переменного тока в PCC на “q” оси. Основные функции Активной и реактивной мощности и цикла напряжения описаны ниже.
Блок Reactive Power Control regulator комбинирует управление PI с управлением прямого распространения, чтобы увеличить ответ скорости. Чтобы избежать завершения интегратора, следующие меры приняты: ошибка сброшена до нуля, чтобы обнулить, когда измеренное напряжение PCC меньше постоянного значения (т.е. во время возмущения AC); когда регулятор выход ограничивается, ошибка ограничения возвращена с правильным знаком к входу интегратора. Блок AC Voltage control override, на основе двух регуляторов PI, заменит регулятор реактивной мощности, чтобы обеспечить напряжение переменного тока PCC в безопасной области значений, особенно в установившемся.
Блок Active Power Control похож на блок Reactive Power Control. Дополнительный блок Ramping сползает порядок степени к требуемому значению с настроенным уровнем, когда управление разблокировано. Сползавшее значение сброшено до нуля, чтобы обнулить, когда конвертер блокируется. Блок DC Voltage control override, на основе двух регуляторов PI, заменит регулятор активной мощности, чтобы обеспечить напряжение постоянного тока в безопасной области значений, особенно во время возмущения в системе AC станции, управляющей напряжением постоянного тока.
Блок DC Voltage Control regulator использует регулятор PI. Блок включен, когда блок Active Power Control отключен. Блок выход является ссылочным значением, для “d” компонента конвертера текущий вектор, для блока Current Reference Limitation.
Блок Current Reference Calculation преобразовывает ссылки активной и реактивной мощности, вычисленные P и контроллерами Q, к текущим ссылкам согласно измеренному (вектор пробела) напряжение в шине фильтра. Текущая ссылка оценивается путем деления ссылки степени напряжением (до минимального предварительно установленного значения напряжения).
Текущий ссылочный вектор ограничивается максимальным приемлемым значением (т.е. зависимый оборудования) блоком the Current Reference Limitation. В режиме управления степени равное масштабирование применяется к ссылке активной и реактивной мощности, когда ограничение наложено. В режиме управления напряжения постоянного тока более высокий приоритет отдан активной мощности, когда ограничение наложено для эффективного управления напряжения.
Внутренний текущий цикл
Основные функции блока Inner Current Loop описаны ниже.
Блок AC Current Control отслеживает текущий ссылочный вектор (“d” и “q” компоненты) с каналом прямая схема достигнуть быстрого управления тока в изменениях загрузки и воздействиях (например, таким образом, отказы короткой схемы не превышают ссылки) [3] [5] [6]. В сущности это состоит из знания векторных напряжений U_dq и вычисления, каковы напряжения конвертера должны быть путем добавления падений напряжения из-за токов через импеданс между U и напряжениями PWM-VSC. Уравнения состояния, представляющие динамику токов VSC, используются (приближение сделано путем пренебрежения фильтров AC). “d” и “q” компоненты разъединяются, чтобы получить две независимых модели объекта управления первого порядка. Обратная связь пропорционального интеграла (PI) текущего конвертера используется, чтобы уменьшать ошибку обнулить в устойчивом состоянии. Выход блока AC Current Control является неограниченным ссылочным вектором напряжения Vref_dq_tmp.
Блок Reference Voltage Conditioning учитывает фактическое напряжение постоянного тока и теоретическое максимальное пиковое значение основного напряжения фазы моста относительно напряжения постоянного тока, чтобы сгенерировать новый оптимизированный ссылочный вектор напряжения. В нашей модели (i.e., трехуровневый NPC с несущей базирующийся PWM), отношение между максимальным основным пиковым напряжением фазы и общим напряжением DC (i.e., для индекса модуляции 1) = 0.816. Путем выбора номинального линейного напряжения 100 кВ в трансформаторе вторичная шина и номинальное общее напряжение постоянного тока 200 кВ номинальный индекс модуляции был бы 0.816. В теории конвертер должен смочь сгенерировать до 1/0.816 или 1.23 pu, когда индекс модуляции равен 1. Это поле напряжения важно для генерации значительного емкостного текущего конвертера (i.e., поток реактивной мощности к системе AC).
Блок Reference Voltage Limitation ограничивает ссылочную амплитуду вектора напряжения 1,0, поскольку по модуляции не желаем.
Inverse dq и блоки Inverse Clark transformation требуются, чтобы генерировать трехфазные ссылки напряжения на PWM.
Управление балансом напряжения постоянного тока
Управление Балансом напряжения постоянного тока может быть включено или отключено. Различием между напряжениями стороны DC (положительный и отрицательный) управляют, чтобы сохранить сторону DC трех мостов уровня сбалансированной (i.e., равные напряжения полюса) в установившемся. Маленькие отклонения между напряжениями полюса могут произойти в изменениях активного/реактивного конвертера, текущего, или из-за нелинейности на отсутствии точности в выполнении ширины импульса модулировал напряжение моста. Кроме того, отклонения между напряжениями полюса могут произойти из-за свойственного дисбаланса в импедансе элементов схемы.
Средняя точка DC текущий Id0 определяет различие Ud0 между верхними и более низкими напряжениями постоянного тока (напряжения постоянного тока и Токи Три-Левель-Бридж).
Напряжения постоянного тока и токи Три-Левель-Бридж
Путем изменения времени проводимости переключателей в полюсе возможно изменить среднее значение средней точки DC текущий Id0 и таким образом управлять напряжением различия Ud0. Например, положительная разница (Ud0 ≥ 0) может быть уменьшена к нулю, если амплитуда ссылочного напряжения, которое генерирует положительную текущую среднюю точку, увеличена в то же время, что и амплитуда ссылочного напряжения, которое генерирует отрицательную текущую среднюю точку DC, уменьшена. Это сделано сложением компонента смещения к синусоидальному ссылочному напряжению. Следовательно, напряжение моста становится искаженным, и ограничить эффект искажения, управление должно быть медленным. Наконец, для лучшей эффективности эта функция должна быть активирована в станции, управляющей напряжением постоянного тока.
Динамические характеристики
В следующих разделах динамические характеристики системы передачи проверяются путем симуляции и наблюдения
Динамический ответ на ступенчатые изменения применился к основным ссылкам регулятора, как активная / реактивная мощность и напряжение постоянного тока
Восстановление после незначительных и серьезных возмущений в системе AC
Для всестороннего объяснения процедуры, выполненной, получая эти результаты и больше, обратитесь к блоку Model Information.
Системный запуск - установившийся и переходной процесс
Запуск и P & Q Step Responses в станции 1
Запуститесь и переходной процесс Udc в станции 2
Станция 2 напряжения постоянного тока управления конвертера сначала разблокирована в t=0.1 s. Затем станция, 1 конвертер активной мощности управления разблокирован в t=0.3 s и степени, медленно увеличивается к 1 pu. Устойчивое состояние достигнуто приблизительно в t=1.3 s с напряжением постоянного тока и степенью в 1.0 pu (200 кВ, 200 МВт). Оба конвертера управляют потоком реактивной мощности к нулевому значению в станции 1 и к 20 Mvar (-0.1 pu) в станцию 2 системы.
После того, как устойчивое состояние было достигнуто,-0.1 шага pu применяются к ссылочной активной мощности в конвертере 1 (t=1.5 s), и позже-0.1 шага pu применяются к ссылочной реактивной мощности (t=2.0 s). В станции 2,-0.05 шага pu применяются к ссылке напряжения постоянного тока. Динамический ответ регуляторов наблюдается. Стабилизация времени является приблизительно 0,3 s.The попытками системы управления разъединить ответы активной и реактивной мощности. Отметьте, как регуляторы более или менее взаимно затронуты.
Возмущения стороны AC
От установившегося условия несовершеннолетний и серьезное возмущение выполняются в станции 1 и 2 системы соответственно. Трехфазный перекос напряжения сначала применяется в станции 1 шина. Затем после системного восстановления трехфазное к замыканию на землю применяется в станции 2 шины. Системное восстановление после возмущений должно быть подсказкой и устойчивый. Основные формы волны от осциллографов воспроизводятся в этих двух рисунках ниже.
Шаг напряжения в системе AC 1
Шаг напряжения переменного тока (-0.1 pu) применяется в t=1.5 s в течение 0,14 с (7 циклов) в станции 1. Результаты показывают, что отклонение активной и реактивной мощности от предварительного воздействия меньше 0.09 pu и 0.2 pu соответственно. Время восстановления меньше 0,3 с, и устойчивое состояние достигнуто перед следующим инициированием возмущения.
Отказ применяется в t=2.1 s в течение 0,12 с (6 циклов) в станции 2.
Трехфазный к замыканию на землю в станции 2 шины
Обратите внимание на то, что во время трехфазного отказа переданная мощность постоянного тока почти остановлена, и напряжение постоянного тока имеет тенденцию увеличиваться (1.2 pu), поскольку емкость стороны DC чрезмерно заряжается. Специальная функция (Переопределение Управления напряжением постоянного тока) в Управлении Активной мощностью (в станции 1) пытается ограничить напряжение постоянного тока в фиксированной области значений. Система восстанавливается много позже отказа, в течение 0,5 с. Отметьте ослабленные колебания (приблизительно 10 Гц) в реактивной мощности.
Ссылки
[1] Weimers, L. “Новая технология для лучшей среды”, анализ энергетики, IEEE®, издание 18, выпуск 8, август 1998.
[2] Шеттлер Ф., Хуан Х. и Кристл Н. “Системы передачи HVDC с помощью исходных конвертеров напряжения – проект и приложения”, Общественная Летняя Встреча Энергетики IEEE, июль 2000.
[3] Линдберг, Андерс “PWM и управление двух и трех исходных конвертеров напряжения большой мощности уровня”, тезис дипломированного специалиста, ISSN-1100-1615, TRITA-EHE 9501, Королевский технологический институт, Швеция, 1995.
[4] Sadaba, Алонсо, O., П. Сэнчис Герпайд, Дж. Лопес Танерна, я. Муноз Моралес, Л. Марройо Пэломо, “Гармоники напряжения, Сгенерированные 3-уровневыми Конвертерами Используя Естественную Выборку PWM”, Конференция специалиста по Силовой электронике, 2001, IEEE 32-й Ежегодник, 17-21 июня 2001, издание 3, стр 1561–1565.
[5] Лютеций, Weixing, Приятный-Teck Ooi, “Оптимальный Захват и Агрегация Степени Берегового ветра Многотерминальным Voltage-Source HVDC”, Сделка IEEE. Подача электроэнергии, издание 18, стр 201–206, январь 2003.
[6] Sao, K., П.В. Лен, М.Р. Ирэвэни, Дж.А. Мартинес, “Система сравнительного теста для цифровой симуляции временного интервала модулируемого шириной импульса D-STATCOM”, Сделка IEEE. Подача электроэнергии, издание 17, стр 1113–1120, октябрь 2002.