CIGRE控制系统与仿真平台在实际工程中的差异分析

本书作者查阅大量文献发现很多高校及科研单位人员在进行直流输电系统相关问题的研究时，普遍采用国际大电网会议（CIGRE）提出的高压直流输电控制系统模型，标准控制系统模型已经具有了基本的采样和控制环节，包括电压和电流的滤波、定电流控制、定熄弧角控制、电流偏差控制以及低压限流功能，对直流输电系统进行定性研究或研究重点不在于直流控制系统本身时采用该标准控制系统模型是可行的。进行实际直流输电工程的控制系统参数优化、故障分析、动态性能研究、保护定值仿真计算等定量或与直流控制系统本身的功能密切相关的研究工作时，就需要采用与实际工程功能一致的直流控制保护系统仿真模型。

本书所研究的直流控制系统仿真平台参照了实际工程的控制系统功能及运行机制，可以等效实现实际控制系统的功能及特性，在本书第3章已经进行了详细描述。CIGRE控制系统与本仿真平台控制系统在仿真模型及计算时的差异主要包括三个方面。一是控制系统仿真计算步长不同，CIGRE控制系统中所有的控制器计算步长都与仿真软件的步长相同，采用固定的仿真步长，一般为50μs。二是控制系统所包括的功能模块差异较大。CIGRE控制系统仅包括维持直流系统稳态运行最基本的功能模块，不考虑为提高直流输电系统运行稳定性和性能而增加的附加控制功能，这些附加功能对于提高系统动态特性具有重要的作用。三是CIGRE控制系统的换流阀点火控制内置在阀模型中，仅包括内置的锁相振荡器、触发及阀闭锁控制和角度测量功能，而实际控制系统的触发回路除包括基本的触发回路外，还包括换相裕度计算，叠弧角计算，触发角变化率限幅器和控制脉冲发生器等功能。

以藏中电网2012年4月5日羊贡线B相接地故障为例，分别比较采用本仿真平台控制系统或CIGRE标准控制系统与现场实际波形的差异，并对差异的可能原因进行分析。采用本仿真平台控制系统与采用CIGRE标准控制系统的交直流系统仿真模型除控制系统不同以外，藏中电网交流系统模型、直流系统中的换流变及换流阀、交直流滤波器、直流线路和接地极线路、平波电抗器的模型及参数完全相同。采用本仿真平台控制系统与实际工程控制系统应用程序计算机制、功能模块及参数均基本一致；CIGRE标准控制系统中的滤波时间常数、定电流控制器的PI调节器参数、定熄弧角控制器参数、电流偏差控制以及低压限流逻辑的参数均等效采用实际工程的控制系统参数。

羊贡线B相接地故障时采用本仿真平台控制系统与实际工程控制系统的仿真波形比较如图415所示，图中列出了极I换流变阀侧电流、直流电流、直流电压和熄弧角的波形，通过这些状态量的波形可以分析出控制系统功能及性能的差异。通过图415可以看出故障时实际直流系统和仿真系统中逆变侧（拉萨换流站）均发生了换相失败，最大直流电流分别为1486A和1416A，直流电压均降低至0kV并快速恢复，换相失败的同时均增大熄弧角，直流电流、直流电压的幅值以及熄弧角的波形幅值和调整趋势相同且基本吻合。差异在于实际直流系统恢复时间较短，实际系统在故障208ms后直流电流恢复至90%，仿真系统在故障260ms后直流电流恢复至90%，分析认为该差异主要是由于两个方面：一是藏中电网等值交流系统与实际交流系统略有差异，影响直流系统恢复；二是直流输电线路模型与实际线路的特性存在差异，造成仿真时线路的充放电过程与实际系统不一致，直流电压和电流恢复稍慢。

羊贡线B相接地故障时采用CIGRE标准控制系统与实际工程控制系统的仿真波形比较如图416所示，图中列出了极I换流变阀侧电流、直流电流、直流电压和熄弧角的波形，通过这些状态量的波形可以分析出控制系统功能及性能的差异。通过图416可以看出故障时实际直流系统和仿真系统中逆变侧（拉萨换流站）均发生了换相失败，最大直流电流分别为1486A和1034A，直流电压分别降至约0kV和-266kV，熄弧角最大分别调整至80°和170°，从直流电流、直流电压和熄弧角在交流系统故障后的变化幅值及趋势来看，采用CIGRE标准控制系统与实际工程控制系统的仿真波形差异较大，采用CIGRE标准控制系统时直流系统发生换相失败时没有采取增大熄弧角的措施，通过换流变阀侧电流可以看出出现连续换相失败，恢复时角度调整很快，直流电流在故障后110ms恢复90%。

图4-15（一）　采用本仿真平台控制系统与实际工程控制系统的仿真波形比较

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图4-15（二）　采用本仿真平台控制系统与实际工程控制系统的仿真波形比较

图4-16（一）　采用CIGRE控制系统与实际工程控制系统的仿真波形比较

图4-16（二）　采用CIGRE控制系统与实际工程控制系统的仿真波形比较

分析认为采用CIGRE标准控制系统的仿真结果与实际工程控制系统故障录波波形存在差异的原因是多方面的，模型功能及仿真机制的区别是主要因素。一是CIGRE控制系统各个调节器的仿真步长均采用50μs，而实际控制系统的应用程序在工控机的CPU或DSP板卡中运行，受硬件实时计算的限制，不可能允许所有的功能模块都运行在最小计算周期（步长），需要根据功能需要调整各个调节器的计算周期。通过本例可以看出采用CIGRE的控制系统时的直流仿真系统比实际直流系统恢复得快，使仿真结果偏乐观，控制系统仿真模型的仿真步长与实际工程应用程序的执行周期一致才能保证仿真的准确性，计算得太快或太慢都会造成与实际系统的偏差。二是CIGRE控制系统与实际工程的控制系统模块功能相差较多，通过逆变侧交流系统故障试验可以看出CIGRE标准控制系统因缺少换相失败预测功能而不能及时增大熄弧角，因逆变侧电压调节器与定熄弧角调节器输出相比后选取最大值，不具有避免逆变侧进入整流运行区域的功能模块，导致直流电压反压至266kV。

实际工程控制系统的所有功能模块都是为了满足直流系统动态性能响应的要求而设计，在不同的系统扰动情况下，相应的功能模块相互配合并调整直流系统至稳态工况。在CIGRE标准控制系统的基础上，尽管可以通过调整调节器的参数或局部增加一些功能，使仿真结果与扰动后实际工程直流系统的波形基本一致，但仿真模型中调节器的参数与实际工程控制系统相应调节器的参数仍可能不一致，因为积分、微分等调节器的时间常数和计算步长密切相关，这种情况下通过仿真所获取的参数不能用于实际工程。只有采用与实际工程一致的控制系统模型，并在该基础上进行仿真，仿真的结果才是可信的，模型参数才能直接应用于工程实际参数的优化。