Электропередача постоянного тока

Электропередача постоянного тока на основе тиристорных преобразователей

В данном примере показана модель электропередачи постоянного тока на основе 12-пульсных тиристорных преобразователей мощностью 1000 МВт с номинальными параметрами 500 кВ, 2 кА, 50/60 Гц.

Описание

В модели рассматривается электропередача постоянного тока мощностью 1000 МВт с номинальным напряжением 500 кВ и током 2 кА. Она предназначена для передачи мощности из передающей системы переменного тока 500 кВ, 5000 МВА, 60 Гц в приёмную систему переменного тока 345 кВ, 10 000 МВА, 50 Гц. Внешний вид модели:

На концах электропередачи установлены две преобразовательные подстанции: выпрямительная и инверторная. Выпрямитель и инвертор выполнены по 12-пульсной схеме на основе двух последовательно соединённых 6-пульсных тиристорных мостов. Преобразовательные подстанции соединены линией постоянного тока длиной 300 км, представленной П-образной моделью линии. В цепь постоянного тока также включены два сглаживающих реактора индуктивностью 0,5 Гн.

Устройства регулирования коэффициентов трансформации преобразовательных трансформаторов в модели не учитываются; коэффициенты трансформации считаются фиксированными. В подсистемах выпрямителя и инвертора можно открыть блоки трансформаторов и посмотреть коэффициенты, применяемые к напряжению первичной обмотки: 0,90 на стороне выпрямителя и 0,96 на стороне инвертора.

Реактивная мощность, потребляемая вентильными преобразователями, компенсируется фильтрокомпенсирующими устройствами. На каждой стороне установлены конденсаторные батареи, фильтры 11-й и 13-й гармоник, а также фильтр верхних частот. Суммарная мощность фильтрокомпенсирующих устройств составляет 600 Мвар на каждой стороне.

В модели предусмотрены два выключателя, используемые для создания аварийных режимов: короткого замыкания на стороне переменного тока инверторной подстанции и короткого замыкания в линии постоянного тока на стороне выпрямительной подстанции.

В каждом преобразователе реализованы функции защиты цепи постоянного тока. На стороне выпрямителя защита от короткого замыкания в линии постоянного тока обнаруживает аварию и принудительно переводит угол регулирования α в область инверторного режима. Это необходимо для гашения аварийного тока.

На стороне инвертора реализована защита от опрокидывания инвертора, то есть от нарушения коммутации вентилей. При повреждениях в сети переменного тока эта защита уменьшает максимально допустимое значение угла регулирования α, тем самым увеличивая запас коммутации и снижая вероятность опрокидывания инвертора.

Блоки обнаружения пониженного напряжения переменного тока блокируют защиту цепи постоянного тока при выявлении провала напряжения на стороне переменного тока. Это необходимо для того, чтобы защита линии постоянного тока не срабатывала ошибочно при авариях в примыкающей системе переменного тока.

Блок управления (Master control) выполняет пуск и останов преобразователей, а также формирует плавное нарастание и снижение заданий тока. Силовая часть и система управления имеют шаг расчёта Ts = 50 мкс. В обратном вызове PreLoadFunc заданы переменные с основными параметрами системы.

Моделирование

В блоке управления задан сценарий пуска и выхода на установившийся режим. Затем задание тока выпрямителя и задание напряжения инвертора ступенчато изменяются, что позволяет оценить динамические свойства регуляторов. После этого запускается последовательность останова: мощность, передаваемая по линии постоянного тока, плавно снижается, а затем преобразователи блокируются.

После проведения моделирования Вы можете открыть окно "Визуализация сигналов" и посмотреть на результаты. На графиках отображается напряжение линии постоянного тока, где 1 о.е. соответствует 500 кВ, ток линии постоянного тока — измеренное и заданное значения, где 1 о.е. соответствует 2 кА.

Пуск и останов

В блоке Master Control выполняется разблокировка преобразователей и их пуск за счёт плавного изменения задания тока выпрямителя и инвертора.

В момент времени t = 0,02 с, когда преобразователи разблокируются, задание тока начинает плавно увеличиваться до минимального значения 0,1 о.е. за 0,3 с. Скорость нарастания составляет 0,33 о.е./с. К концу этого первого участка разгона, при t = 0,32 с, линия постоянного тока заряжается до номинального напряжения, а напряжение постоянного тока выходит на установившееся значение.

В момент времени t = 0,4 с задание тока увеличивается от 0,1 о.е. до 1 о.е., что соответствует 2 кА, за 0,18 с. Скорость изменения задания составляет 5 о.е./с. К концу пусковой последовательности, при t = 0,58 с, ток постоянного тока выходит на установившееся значение.

После завершения пуска выпрямитель работает в режиме регулирования тока, а инвертор — в режиме регулирования напряжения. В установившемся режиме углы регулирования α составляют 16,5° на стороне выпрямителя и 143° на стороне инвертора. Угол запаса γ измеряется на стороне инвертора. В установившемся режиме его минимальное значение находится в диапазоне 22–24°.

Режим работы системы управления отображается целым числом (выход Mode регулятора) от 0 до 6:
0 — преобразователь заблокирован;
1 — регулирование тока;
2 — регулирование напряжения;
3 — ограничение минимального угла α;
4 — ограничение максимального угла α;
5 — принудительное или постоянное значение угла α;
6 — регулирование по углу γ.

В момент времени t = 1,4 с запускается последовательность останова: ток плавно снижается до 0,1 о.е. В момент времени t = 1,6 с на стороне выпрямителя задаётся принудительное значение угла α, что приводит к гашению тока. На стороне инвертора принудительное значение угла α снижает напряжение постоянного тока. В момент времени t = 1,7 с управляющие импульсы обоих преобразователей блокируются.

График тока инвертора:

График напряжения инвертора:

Переходная характеристика регуляторов тока и напряжения

В блоке Master Control необходимо убедиться, что переключатель Enable Ref. Current Step находится в верхнем положении. Этот переключатель используется для подачи ступенчатого воздействия на заданное значение тока. Также необходимо убедиться, что ступенчатое воздействие на задание напряжения включено в блоке управления инвертором.

В момент времени t = 0,7 с заданный ток ступенчато изменяется на −0,2 о.е.: значение уменьшается с 1 о.е. до 0,8 о.е. В момент времени t = 0,8 с уставка тока возвращается к исходному значению 1 о.е. Ток стабилизируется примерно за 0,1 с.

Кроме того, ступенчатые воздействия подаются на уставку напряжения инвертора: −0,1 о.е. в момент времени t = 1,0 с и +0,1 о.е. в момент времени t = 1,1 с.

Короткое замыкание в линии постоянного тока на стороне выпрямителя

Необходимо отключить ступенчатые воздействия на уставки тока и напряжения. Для этого соответствующие переключатели в блоках Master Control и Inverter Control переводятся в нижнее положение.

В блоке DC Fault необходимо изменить состояние переключателя, чтобы короткое замыкание создавалось в момент времени t = 0,7 с. Время окончания моделирования следует уменьшить с 2 с до 1,4 с. Защита от короткого замыкания в линии постоянного тока на стороне выпрямителя включена по умолчанию.

При возникновении короткого замыкания ток постоянного тока быстро возрастает до 2,3 о.е., а напряжение постоянного тока на стороне выпрямителя падает до нуля. Это снижение напряжения фиксируется ограничителем задания тока, зависящим от напряжения постоянного тока. В результате уставка тока на стороне выпрямителя уменьшается до 0,3 о.е. При этом аварийный ток продолжает протекать через место повреждения.

Затем, в момент времени t = 0,77 с, защита по постоянному току принудительно устанавливает угол регулирования α выпрямителя равным 166°. Это происходит после обнаружения снижения напряжения постоянного тока ниже 0,5 о.е. в течение более чем 70 мс. В таком режиме выпрямитель переходит в инверторный режим работы.

Напряжение линии постоянного тока становится отрицательным, а энергия, запасённая в линии, возвращается в передающую систему переменного тока. Это приводит к быстрому снижению аварийного тока при его ближайшем переходе через ноль. Затем в момент времени t = 0,87 с принудительное задание угла α снимается, и нормальные значения напряжения и тока постоянного тока восстанавливаются примерно за 0,4 с.

Однофазное короткое замыкание на землю на стороне переменного тока инвертора

В блоке DC Fault изменить состояние переключателя, чтобы короткое замыкание в линии постоянного тока было отключено. Затем в блоке A-G Fault необходимо изменить состояние переключателя, чтобы в момент времени t = 0,7 с было приложено однофазное короткое замыкание на землю длительностью 100 мс.

Подсистемы обнаружения пониженного напряжения переменного тока в защитах выпрямителя и инвертора, а также защита от опрокидывания инвертора включены по умолчанию. После этого необходимо снова запустить моделирование.

Во время аварии в напряжении и токах постоянного тока наблюдаются колебания с частотой 120 Гц. После отключения повреждения в момент времени t = 0,8 с срабатывает ограничитель задания тока, зависящий от напряжения постоянного тока, и снижает уставку тока до 0,3 о.е. Система восстанавливается примерно за 0,35 с после ликвидации аварии.

Подсистема обнаружения пониженного напряжения переменного тока (LACVD) фиксирует аварию и блокирует защиту от короткого замыкания в линии постоянного тока. Это необходимо потому, что защита постоянного тока не должна распознавать повреждение в линии постоянного тока при провале напряжения, вызванном аварией на стороне переменного тока.

Следует обратить внимание на выходной сигнал A_min_I защиты от опрокидывания инвертора. Этот сигнал уменьшает максимальное допустимое значение угла регулирования α, чтобы увеличить запас коммутации во время аварии и в процессе восстановления после неё.

Если отключить защиту CFPREV инвертора, сняв флажок ON State в её диалоговом окне, и снова запустить моделирование, можно увидеть изменение времени восстановления электропередачи постоянного тока. В этом случае во время восстановления возникает опрокидывание инвертора.

Опрокидывание инвертора — это аварийный режим работы инвертора, связанный с нарушением процесса коммутации вентилей вследствие недостаточного угла запаса коммутации γ. В результате ток не успевает перейти с выключающегося вентиля на включающийся, что приводит к срыву инверторного режима и временному переходу преобразователя в выпрямительный режим. Характерным признаком опрокидывания является резкое уменьшение напряжения постоянного тока на стороне инвертора и увеличение тока в цепи постоянного тока.