VSC_HVDC.PSCAD建模

PSCAD建模实例
1.2. VSC-HVDC系统结构图
图1
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图中：
1. Ps1、Qs1为整流侧交流系统向VSC系统输送的电功率， Ps2、 Qs2为逆变侧交流系统向VSC系统输送的电功率， Pc1、Qc1为整流侧VSC系统向交流系统输送的电功率， Pc2、Qc2为逆变侧VSC系统向交流系统输送的电功率。 R、L为交流系统、线路、变压器一次侧的总的等效电阻和电 抗。 变压器一次侧采用星形连接，二次侧采用三角形连接，使得 VSC侧没有3次和3的倍数次谐波。 直流侧电容采用中点接地方式。
2 2 cos(t ) cos(t ) cos t kU cos t 3 3 U d U a kU 2 2 2 2 U P U sin t sin(t ) sin(t ) kU cos(t ) 0 q b 3 3 3 3 U U 0 0 c 1/ 2 1/ 2 1/ 2 2 kU cos(t ) 3
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VSC-HVDC结构及原理 VSC-HVDC主结构建模 VSC-HVDC控制器建模 VSC-HVDC仿真
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1. VSC-HVDC结构及原理 1.1. VSC-HVDC的特点
基于IGBT的模块化设计使轻型直流输电的设计、 生 产、安装和调试周期大为缩短。 整流侧和逆变侧硬件结构一致，正、反向运行时， 电压极性不变，可以很方便的进行正向运行和反向运 行的切换； 不会出现换相失败故障。即使对小容量系统或无源 负荷供电，VSC 换流器也不会发生换相失败故障，从 而避免了受端系统出现持续几个周期 的短时电源中断， 提高了受端系统的电能质量；
id id usd ucd id 1 d R 1 dP i i [ u u ] P iq q q sq cq dt L L dt i0 i0 u s 0 uc 0 i0
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二极管的 interpolation设置在模型 的“project setting”， 右图红框内勾选上则表 示使用插值算法，如右 图。
图7
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以PSCAD自带的example中的interpolation.psc程序为 例， 在选不选择插值运算的情况下，二极管两端电压和 流过二极管的电流的不同。无插值运算时，二极管的电 流或电压有突变的情况发生。
（1.4）
由于换流变压器采用了零序分量消除设计，因此式（1.4） 可以写为：
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d id 1 R L id 1 usd 1 ucd i i u u dt q L L R q L sq L cq
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如下图5所示：
图5
对于仿真软件而言，其中的模型实际上均为离散模 型，仿真程序将模型变换为一组方程组，在x-Δx和x时刻 根据初值分别计算各个变量的值。 Δx即为设定的仿真步 长。
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而对于IGBT、二极管等电力电子器件而言，器件的 状态变化可能恰好在两次运算之间，即x+x的时刻。如 果还是仅在x-Δx和x两个时刻运算，电力电子器件的电压、 电流参数会产生突变，可能导致x时候运算后的电压、电 流值产生尖峰，造成与实际情况不符的仿真结果，影响 仿真准确度。 因此，模型中有电力电子器件时，需要选中器件属 性中的“Interpolated Pulse”为“yes”，采用插值算法， 在x+x开关器件动作时刻增加一次运算过程，使得在x时 刻仿真程序得到一个准确的初值。 采用插值算法后，电力电子器件的输入信号变为一 个二维信号，其中一维为时间信号，另一维为开关的动 作信号。
2.
3.
4.
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1.3. Dq0坐标系下换流站数学模型：
abc三相静止坐标系下建立的VSC-HVDC系统数学模型为时变 系数的微分方程，不利于高性能控制器的设计。因此可将时变微 分方程变换为常系数微分方程，以方便理论分析和控制策略设计。 当q轴超前d轴，且相电压以cos表示，d轴相角与a轴相角相同 时，可以得到dq轴电压为：
图8 interpolation.psc模型的主结构图
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（a）
（b）
图9 （a）未采用插值算法时的电压电流波形 （b）采用插值算法时的电压电流波形
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图9（a）中，没有采用插值算法，在GTO关断后的 下一个计算时刻，电感电流从有值变为0，导致计算得到 的电感两端电压无穷大，如图中VL所示，电压产生尖峰。 GTO再次导通时，没有采用插值算法，在下一个计 算时刻，二极管还是处于导通状态，此时软件认为电流 全部从二极管流过，因此二极管相当于短路，产生反向 过电流，如id所示。 采用插值算法后，计算结果无电压和电流尖峰，如 图9（b）所示。
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2.3. 电源和变压器的添加
图10 电源和变压器部分
上图中的电阻和电感可以是电源、 变压器和线路的总电阻和 电感，此时电源和变压器均采用ideal理想模型，也可以在电源和 变压器内单独设置各自的电阻、电感，此时上图中的电阻、电感 为线路本身的电阻和电感值。
电源的选择注意是三相电源还是单相电源，三相电源可以显 示单相电源的图例，只是图线加粗，可以从电源属性顶端的 [source_1]还是[source_3]加以区分。
图14 用运算元件搭建的dq0变换电路
Hale Waihona Puke PSCAD建模实例内环电流控制器。
图15 内环电流控制器
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外环直流电压控制器、有功功率控制器和无功功率控 制器（演示用，开环控制）。
图16 外环控制器结构
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如果使用以晶闸管为基础的三相桥，则可使用元件库中的 “HVDC，FACTS&POWER ELECTRONICS”中的“6 Pulse Bridge”。
图4 6 Pulse Bridge 由于6 Pulse Bridge的元件中自带有变压器，因此需要注意 在所选的变压器不同的接法下，要选择正确的晶闸管触发角。
（a）
（b） （c） 图6 IGBT采用插值法的驱动波形
图6（b)中，IGBT采用插值算法时，元件上显示 一个“2”，表明此时输入信号为2维。 此时，图6（a）中的驱动电路中的元件也必须采 用插值算法，此时元件上产生一个 标记，并且输出 端口上出现两条斜杠。 图6（c）为IGBT的驱动脉冲波形，可以看到， 信号Rg1包含两条轨迹，绿色轨迹为时间信号，蓝色 轨迹为实际的开关动作信号。 一旦驱动电路和IGBT未同时选择插值算法，运 行时PSCAD都会提示2！=1的错误，即2维信号通道 和1维信号通道不能互联。
VSC-HVDC直接电流控制系统框图如图2所示：
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图2 VSC-HVDC直接电流控制系统框图
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2. VSC-HVDC主结构建模
2.1. IGBT阀组建模
三相桥式电路电路结构如下图3所示，
图3 在PSCAD中，以IGBT为基础的三相桥必须自己搭建，并且 需手工添加反向二极管D。库文件中的电力电子开关器件仅带了 缓冲吸收电路(snubbed circuit)。
对于整流侧电容有：
（1.5）
dudc c idc1 idc dt 在dq0坐标系下，（1.6）式变为：
c dudc 3 2M (id cos iq sin ) idc dt 8
（1.6）
（1.7）
其中，M为VSC输出电压基波幅值与直流电压的比值，为 VSC输出电压基波与交流系统基波电压的相角差。
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2.2. 开关器件的插值应用
插值的兼容性已经加入到控制系统模型函数（CSMF）中。 这个兼容性确保了可以由一些基本的功能模块组成所有的插值控 制系统。通过插值的使用，控制系统可以做到与时长无关（内部 原因），这样项目可以以最大步长运行，而不会影响精度。 插值时间通常在两个或多个控制信号相交的时候。一个信号 做参考（通常为恒定值），另一个信号作为被检测量，观察其值 大于或小于参考。考虑到EMTDC定点步长的特性，任何信号的交 点都容易发生在步长之间。虽然有一些不同类型的插值理论 （EMTDC参考6,8,34,35），EMTDC使用线性插值，该方法在电 子暂态仿真中最有效，最实用。线性插值显著的改善了仿真精度， 并尽可能降低了技术的复杂性。（EMTDC 参考6,8）。
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在dq0旋转坐标系下的Ps1和Qs1表示为：
Ps 3 (usd id usq iq ) 2
（1.8）
3 Qs (usd iq usq id ) （1.9） 2 当d轴以电网电压向量定位时， d轴相角与a轴相角相同，此 时usq =0，则由式（1.8）和（1.9）可知分别控制di和qi即可独立 调节换流站与交流系统交换的有功功率与无功功率。
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图11 电源属性选项卡
图12 电源specified parameters参数示意图
电源的选择注意是三相电源还是单相电源，三相电源 可以显示单相电源的图例，只是图线加粗，可以从电源属 性顶端的[source_1]还是[source_3]加以区分。
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电源的“specified parameters”中的两个选项用以标明 参数设置中的电压参数是在电源内阻之前还是在电源内阻 之后。如图12所示，“Behind Source Impedance”指输 入参数为电源内阻之后理想电源的参数，电源出口电压的 幅值和相角受电源内阻影响；“At the Terminal”指输入参 数为电源出口电压的幅值和相角，不受电源内阻影响。 变压器模型中，要注意“Ideal Transformer Model” 和“Saturation Enabled”两个参数的设置， 使变压器具 有饱和特性时，必须将变压器模型设置为“ideal”，否则 励磁支路和磁饱和程序同时起作用。变压器的 “ideal” 并 不表示额定变比，在pscad中只是去掉的励磁支路，但是漏 感仍然存在。 测量模块需要注意的是，P、Q、V显示的全 部是标幺值，只有瞬时电压和电流才是实际值。