UHVDC高端换流变阀侧电压PCOV的一种数字仿真模型

钱珞江，李高望, 李存军

(1.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072；2. 国网北京经济技术研究院，北京市 102209； 3.舟山市质量技术监督检测研究院，浙江省舟山市 316000)



UHVDC高端换流变阀侧电压PCOV的一种数字仿真模型

钱珞江1，李高望2, 李存军3

(1.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072；2. 国网北京经济技术研究院，北京市 102209； 3.舟山市质量技术监督检测研究院，浙江省舟山市 316000)

高端换流变阀侧电压的持续运行最大峰值(peak value of the continuous operating voltage，PCOV)是特高压直流换流站直流避雷器参数设计和绝缘配合方案评估的一个重要数据。利用RTDS的非实时运算功能，本着尊重实际工程事实的原则及突出关键点、保留关联点和等效次要点的基本方式，通过采用自定义阀元件模型、低端换流器等效为可调直流源、控制系统依运行特性最简化等建模技术，建立了一种能够模拟换相过冲暂态过程、计算高端换流变阀侧电压PCOV的数字仿真高频模型，并且以向家坝—上海800 kV直流输电工程为实例，从不同运行工况和不同设备参数的角度对模型准确性和可用性进行了分析和验证。

高端换流变阀侧电压；持续运行最大峰值；直流避雷器；换相过冲；数字仿真模型

0 引 言

包括换相过冲的持续运行电压峰值 (peak value of the continuous operating voltage，PCOV)是决定换流站直流避雷器参数的一个基本运行变量[1-2]。而对于双12脉动换流器串联结构的特高压直流输电系统来说，高端换流变阀侧绕组对地电压PCOV又具有特殊重要意义，因其涉及到换流阀和换流变这2种主要设备最高电位点避雷器配置方案的安全性、经济性、可行性等多方面指标的评估与优化[3]。

从物理机理的角度分析，包括换流变阀侧绕组对地电压在内的换流站直流侧各节点间电压PCOV均为阀电压周期性换相暂态峰值的电磁耦合或分压，因此，准确模拟换流阀的换相过程是用数字仿真建模手段定量计算换流变阀侧电压PCOV的关键。

换流器换相过程及其PCOV与换流站设备参数及系统运行工况密切相关。本文采用实时数字仿真器(real time digital simulator，RTDS)的非实时运算功能[4]并以向家坝—上海800 kV直流输电工程主回路结构/参数为实例，首先建立一次系统等效电路模型，系统模型为微秒级离散步长的高频模型；其次根据CIGRE Benchmark仿真测试标准建立系统控制模型；最后基于多工况仿真实验结果的分析校验模型的可用性。

1 一次系统及其RTDS高频模型

不失普遍适用性，本文仅针对整流侧(即复龙换流站)[5]。遵循PCOV定义和研究目标，一次系统RTDS建模及元件模型参数围绕下述运行工况进行等效设计。

(1)理想空载直流电压为计及测量误差的Udi0最大限值Udi0absmax=237.6 kV；

(2)直流极电压Ud取最大设计值Udmax=809 kV且在不同传输功率下保持不变；

(3)工况变量点火角α、换相角μ与直流电流Id的对应关系符合以下6脉动整流器运行特性[6]：

(1)

式中：dx为每相的换相电抗；下标“N”代表相应变量的额定值。

由于上述工况仅存在于理论上，严格按实际系统结构及其控制建立完整模型是得不出其仿真的，因此，需要在突出重点的基础上对一次主回路和控制系统大幅度简化。

显然，相应于本文研究目标的重点部分为整流站高端12脉动整流器，结合控制模型的处理，简化的RTDS一次系统模型如图1所示。

图1 一次系统等效模型

图1所示一次系统模型为单极模型且整流站和逆变站的低端12脉动换流器均由直流电压源等效(在平波电抗分置条件下2个串联12脉动换流器的中点母线电压可合理地认为是纯直流电压[7])。一次系统的这种模型结构简化等效可使控制模型省略极间和换流器间平衡功能，只需一套最简单的HVDC控制模型即可。

另外，该一次系统模型还具有以下特点：

(1)交流系统以内阻为0的恒压源等效配以固定变比的换流变(省略变压器自动调档)，使高端换流器Udi0恒定于Udi0absmax，以满足上述理论工况(1)；

(2)高端12脉动换流器Ud和低端12脉动换流器等效直流源电压不必严格相同且不用担心其差异会导致高频离散模型的数值发散；

(3)模拟低端12脉动换流器的等效直流源电压可调，使高端12脉动换流器各工况变量满足理论工况(3)的同时，整流站直流电压满足理论工况(2)，即Ud=809 kV(整流站等效直流源电压恒为404.5 kV)；

(4)整流站高端12脉动换流器采用自定义的真实阀元件详细模型构建，而不像逆变站那样采用RTDS元件库中现成阀组模型，这是因为除了使换流变阀侧电压具有可测性外，主要是为了掌握设备参数对PCOV值的影响；

(5)影响PCOV的设备参数由式(2)定义：

(2)

式中：L为每相的换相电感dx/ω；R、C为换流阀内部阻容回路参数。

经过以上简化处理，RTDS系统模型的非实时运算步长可设为微秒级，达到计算PCOV的高频模型标准。并且与PSCAD软件相比，由于不受仿真周期限制，各种工况的转换和持续均可在线进行，因而仿真运算更具直观生动性。

2 控制系统RTDS模型

系统仿真控制模型采用最简单的CIGRE Benchmark标准模型，其基本策略为整流侧定电流、逆变侧定熄弧角。

相应的RTDS控制模型如图2所示。

图2 控制系统模型

由图2可见，整流侧通过调节直流电流指令值实现系统运行工况的控制；而逆变侧换流器的熄弧角定于17°。逆变侧模拟低端12脉动换流器的等效直流源电压根据式(3)调节：

Ud低=809-id·Rdc-Ud高

(3)

式中：Ud高为高端12脉动换流器电压；id为直流电流；Rdc为输电线路电阻。

3 实例仿真

对应于整流侧Udi0=237.6 kV和变压器变比，交流系统线电压折算至阀侧的峰值Em=248.81 kV，即为阀电压的不计换相暂态的持续运行电压峰值(crest value of the continuous operating voltage, CCOV)值。

换流变压器每相的换相电感L=9.417 mH，换流阀内部阻容回路参数R=2 160 Ω、C=0.026 7 μF，故由式(2)得λ=0.075 6。

模型的工程适用性可通过仿真实例从两方面得以校验：一是在保持整流侧直流电压在809 kV不变的情形下在线改变直流电流指令，以计算不同运行工况时的PCOV值；二是改变阀阻容回路参数λ值以定量分析设备参数对PCOV的影响。仿真工况取直流电流Id=0.1，0.25，0.5，0.75，1.0 pu这5种运行状态；而设备参数λ除了取实际数据0.075 6外，还增设最大极限值λ=1作为分析比较的参考。

设置仿真运算步长Δt=2.5 μs，得出高端换流变阀侧对地电压波形及其PCOV值如图3所示。

图3 高端换流变阀侧电压波形及其PCOV仿真结果

由图3可见，高端换流变阀侧对地电压的PCOV值随传输功率(即直流电流Id)或设备参数λ的增大而增大。分别依纵向和横向比较图中每个波形可发现工况Id和设备参数λ对PCOV影响机理是不同的：λ一定时，不同Id工况下电压的高频过冲分量都相同，Id主要通过换相发生时刻(即不同的α、μ角度)影响PCOV；而Id一定时，不同λ的电压基本波形相同，区别在于高频过冲分量。

鉴于阀内部阻容回路RC参数对PCOV影响较大，理论上可在阀设备制造环节通过增大R或C的方法来减小λ，从而降低PCOV；但实际上R和C的增大会使阀内部功耗和发热增加[8-9]，因此需考虑阀设备工艺因素综合权衡降低PCOV的技术经济性。

向—上工程实际系统中高端换流变阀侧过电压保护避雷器配置采用的是2个避雷器串联方案[10]：高端12脉动换流器中间母线避雷器M2+阀间避雷器V1。其CCOV和PCOV参数分别如下：M2：CCOV为695.1 kV，PCOV为737.3 kV；V1：CCOV为248.1 kV，PCOV为290.3 kV。

很明显，等效的PCOV为M2的CCOV加上V3的PCOV，即PCOVM2+V1=CCOVM2+PCOVV1=985.4 kV。

该值高出本文模型Id=1 pu、λ=1的计算值约7%，说明向—上工程设计中避雷器PCOV参数取值是按额定电流工况和极限设备参数考虑的，并留有一定的安全裕度。

4 结 论

利用RTDS非实时小步长功能建立的UHVDC系统简化模型能够精确模拟换流器换相过程中的高频暂态过冲现象，可灵活、便捷地用于计算高端换流变阀侧对地电压PCOV值并全面分析掌握PCOV与系统运行工况和设备参数间的复杂关系。模型的可用性经过了基于向—上工程实际结构参数所建仿真算例的校验。

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[9]赵中原，邱毓昌，于永明，等. 换流阀内可控硅端电压特性分析和缓冲电路参数优化[J]. 中国电力, 2003, 36(1):52-54. Zhao Zhongyuan, Qiu Yuchang, Yu Yongming, et al. Analysis on voltage distribution across thyristor level in HVDC valve and its corresponding optimization of snubber circuit parameters [J]. Electric Power, 2003, 36(1):52-54[10] 聂定珍, 马为民, 郑劲. ±800 kV特高压直流换流站绝缘配合[J]. 高电压技术, 2006, 32(9):75-79. Nie Dingzhen, Ma Weimin, Zheng Jin. Insulation coordination for ±800 kV UHVDC converter stations [J]. High Voltage Engineering, 2006, 32(9):75-79.

(编辑：刘文莹)

A PCOV Digital Simulation Model of HV Transformer Valve Side Voltage in UHVDC System

QIAN Luojiang1, LI Gaowang2, LI Cunjun3

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China; 3.Zhoushan Institute of Calibration and Testing for Quality and Technology Supervision, Zhoushan 316000, Zhejiang Province, China)

The peak value of continuous operating voltage (PCOV) of HV transformer valve side voltage is an important data for the design of DC arrester parameters and the evaluation of insulation coordination scheme in UHVDC converter stations. Utilizing non real time operation functions of RTDS (real time digital simulator), in respect of the principle of the actual engineering facts, as well as to highlighting the key points, retain the related points and get equivalent of no significant points, this paper established a digital simulation high-frequency model which could simulate commutation overshoot transient process and calculate the PCOV of HV transformer valve side voltage with using multiple modeling techniques such as user-define valve component, adjustable DC voltage source equivalent for LV converter, the most simplification for control system according to the operating characteristics and so on. Taking Xiangjiaba-Shanghai ±800 kV UHVDC transmission project as an example, the accuracy and availability of the model were analyzed and verified from aspects of different operating conditions and equipment parameters.

HV transformer valve side voltage; peak value of continuous operating voltage (PCOV); DC arresters; commutation overshoot; digital simulation model

国家电网公司科技项目(多换流器并联特高压直流输电工程的关键技术研究)。

TM 72

A

1000-7229(2015)09-0069-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.011

2015-06-19

2015-07-28

钱珞江(1961)，男，博士，副教授，主要从事电力系统运行与控制、电力系统仿真技术等方面的研究；

李高望(1985)，男，博士，工程师，通信作者，主要从事直流输电系统过电压与绝缘配合方面的研究;

李存军(1966)，男，高级工程师，主要从事设备技术检测管理方面的工作。