柔性直流配电网的RTDS 仿真试验研究

（南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211102）

0 引言

目前城市供电面临用电负荷激增、可靠性要求高、电能质量要求高、土地资源紧张、环保要求高等现状。同时，交流配电网也遭遇到一系列难题，比如短路电流过大、电磁环网问题、潮流控制乏术、负荷中心电压支撑弱、交流电缆损耗大、故障传导风险增大等。

随着柔性直流技术的不断成熟、完善，将其灵活潮流控制特点应用于交流配电网，构建兼顾交直流优点的混合配电网已经成为实现安全、可靠、高质量配电网的理想方案，也是对现有配电网升级改造的有效途径[1-2]。因此直流配电网技术目前已是国内外学者的热门研究课题[3-4]，并且近几年来国内已有不少直流配电网工程成功投运并取得了良好的示范效应。

实时数字仿真是研究直流配电网最有效和便捷的手段之一，具有方便搭建、方便参数修正、占地小、易扩展等优点，尤其适用于复杂电网的高精度仿真，以及包含电力电子设备或元件的小步长仿真[5]。在目前各种实时数字仿真系统中，RTDS（实时数字仿真器）是优秀的数字仿真系统之一，是计算机并行处理技术和数字仿真技术发展的产物，是一套专门用来对电力系统电磁暂态与机电暂态过程进行全数字模拟的装置。RTDS可用于进行自动控制和保护等设备闭环试验，完成系统分析研究、设备研发和试验，以及运行人员、工程师和学生的培训。它是一种取代暂态网络分析仪和模拟式或数模混合式装置的经济而高效的方案。

目前已有很多文献分别针对直流配电网的系统设计、运行控制[6]、潮流分析[7]、故障特性与继电保护[8-10]等方面进行了研究，也有文献针对直流配电网的物理动模仿真试验研究进行了分析[11-12]。本文对直流配电网RTDS 数字仿真试验系统进行了介绍，并通过仿真模型的建立和仿真结果说明了试验方法的有效性。

1 杭州大江东直流配电网示范工程简介

理论上，直流配电网的拓扑结构有辐射型、手拉手型、环网型、背靠背型等类型。综合考虑供电可靠性、建设成本、工程实施难度及工程实用性等因素，目前国内已投运的直流配电网示范工程大多采用三端或四端，各端通过公共直流母线实现背靠背互联的方案。其中，杭州大江东工程是最具有示范意义的直流配电网工程之一。

杭州大江东新城位于杭州市萧山区东北部的沿钱塘江区域。本直流配电网示范工程结合该区域配电网建设现状，利用柔性直流装置将10 kV和20 kV 两个不同电压等级配电网连接起来，解决不同电压等级电源间互联以及相同电压等级、不同相角的电源间的互联问题，使得10 kV 和20 kV 互为备用，而且可以通过远程操作，控制潮流的流向，改善电网结构，实现负荷的不停电转供。

杭州大江东直流配电网示范工程采用的是如图1 所示的三端换流站（背靠背互联）及一条直流线路的接线方式。全系统由4 个模块组成，T1—T3 是三端换流器，每端换流器连接到不同的交流配电分区，直流端连接到公共的直流母线，一般中压直流配电网的直流母线电压等级选择在10～20 kV。T4 包含直流断路器、直流变压器、平波电抗器、直流线路等设备，连接到直流负荷。本文中所介绍的直流配电网RTDS 试验模型即是基于图1 所示的拓扑结构搭建的。

2 RTDS 仿真建模

2.1 RTDS 整体建模

图1 大江东直流配电网系统主接线

柔性直流配电网的仿真建模涉及到全控型半导体开关器件的建模，要求在较高的开关频率下实现较高的仿真精度，因此本模型采用RTDS 中的小步长模块搭建，步长典型值为1.4～3.75 μs。

由于受到小步长模块节点及仿真运算能力的限制，该模型需要通过若干个小步长模块组合在一起进行建模。根据如图1 直流配电网系统主接线拓扑结构，很自然地将模型划分为4 个小步长模块，模型中每个小步长模块对应于图1 中每个设备模块（T1，T2，T3，T4），模型整体结构如图2所示。

图2 柔性直流配电网RTDS 仿真模型整体结构

2.2 直流配电网换流阀建模

柔性直流换流阀及其控制保护单元是全控电压源型换流系统的核心设备，它基于全控型电力电子器件和脉宽调制技术，实现有功和无功的四象限快速、灵活控制。电压源型柔性直流换流阀主要有三相两电平、三电平以及MMC（模块化多电平换流器）[13-14]等几种类型。其中，由于MMC无需全控型开关器件直接串联，而是采用子模块级联实现多电平输出，在中高压变流领域得到了广泛的应用。目前国内投运的几个柔性直流配电网工程，换流阀基本上都是采用MMC 结构。

三相MMC 主电路拓扑结构如图3 所示，包含3 个相单元，每个相单元包括上下两个桥臂，每个桥臂由若干个功率SM（子模块）和一个换流电抗器串联组成。子模块有半桥结构和全桥结构两种类型。图3 所示的MMC 换流阀结构中采用的是最常见的半桥结构的MMC 功率子模块，它由两个IGBT 器件和一个直流储能电容并联组成。

图3 三相MMC 拓扑结构

MMC 结构的换流阀在RTDS 试验系统中采用叫做MMC-SUPPORT-UNIT（GTFPGA）的外设来进行仿真，在RTDS 模型中，也有专门为MMC换流阀开发的小步长模块rtds_vsc_ MMC.def（如图4 所示），其具有非常丰富的参数设置（如图5所示），可以完全模拟实际MMC 换流阀正常运行和故障等各种工况。一个rtds_vsc_MMC.def 模块对应于一台MMC-SUPPORT-UNIT 仿真单元，同时对应于直流配电网系统中的一个换流站。

图4 RTDS 中的MMC 模型

图5 RTDS 中MMC 模块的主要设置

2.3 直流断路器建模

直流断路器是柔性直流配电网中的关键设备，起到高速分断故障电流的作用。直流断路器主要有机械式、固态式和混合式3 种类型。在高压柔性直流输电领域，混合式直流断路器[15-18]已经投入使用。混合式直流断路器经过结构和功能的优化，也可以应用于中压直流配电网领域（10～20 kV）。

中压直流配电网混合式直流断路器的典型电路拓扑结构如图6 所示，主支路包括相互串联的高速机械断路器和主支路阀组（包含正反两个方向），转移支路由桥式整流型拓扑构成，单相IGBT阀组由IGBT 单相串联，二极管整流桥由二极管阀组串联组成。耗能支路由避雷器组成。

图6 中低压混合式直流断路器拓扑

混合式直流断路器的RTDS 模型也在小步长模块中建立，即图2 中的S4 模块。考虑到小步长模块中的资源和节点限制，模型在保证直流断路器正确的外特性的前提下，对其拓扑结构加以简化。图7 所示为混合式直流断路器的简化RTDS模型结构。

图7 混合式直流断路器的RTDS 简化模型结构

如果仿真试验的研究对象侧重于直流配电网的控制保护，为了避免增加不必要的仿真资源和难度，也可以直接使用RTDS 中的断路器小步长模型rtds_vsc_BKR_RES1（如图8 所示）。断路器的通态和断态电阻、灭弧电流能力等重要参数可在其模型参数中直接设定，断路器的关断时间、开通时间等参数可以在断路器的分合闸逻辑模型中设定。

图8 RTDS 中断路器模型及参数

3 RTDS 仿真器及其连接

直流配电网的RTDS 仿真试验平台是一种半实物的架构，RTDS 仿真系统通过对模型的运算来实现一次系统的功能，其与工程实际使用的控制保护设备的连接如图9 和图10 所示。

图9 柔性直流配电网RTDS 实验平台整体架构

图10 控制保护设备与RTDS 的连接

试验平台的核心设备是RTDS 仿真处理器。RTDS 采用并行处理的硬件结构和高速DSP 芯片，利用数学上可分隔子系统的概念，在各运算芯片或芯片组间分担计算任务，各子系统之间的联结使用传输线模型或变压器模型。RTDS 硬件的基本单元称为RACK，RACK 相互连接可以组成较大规模的仿真器，可以模拟较复杂的、较大规模的电力系统。

此外，试验平台所需要的接口设备还包括处理器外设GTFPGA、仿真接口板卡及功率放大器、接口继电器等。

RTDS 有丰富的模拟量输出、高速数字输入输出等IO 设备，主要的接口卡有：GTAO（模拟量输出卡）、GTDI（数字量输入卡）、GTDO（数字量输出卡）等。

RTDS 将运算所得的、控保设备所需要采集的模拟量通过GTAO 输出给控保系统，由于GTAO输出为0～10 V 的小信号，必须通过功率放大器转化为控制保护装置可以采集的0～100 V 电压信号或0～1 A（或5 A）的电流信号。断路器、隔离开关等开关量状态则通过GTDO 传送，同时控保设备经GTDI 将开关量信号送给仿真系统。

针对直流配电网仿真工程，还需要外设MMC-SUPPORT-UNIT（GTFPGA），专门用于模拟MMC 结构的柔性直流输电换流阀部分，其运行性能、仿真结果已得到业内的一致认可。

4 RTDS 试验项目与结果

为了模拟杭州大江东直流配电网工程的实际运行，配合该工程控制保护系统的性能测试和出厂试验，搭建了完全符合该工程拓扑和参数的RTDS 仿真模型和闭环试验系统，试验系统参数如表1 所示。

表1 柔性直流配电网仿真试验电气参数

该工程在实际现场与控制保护相关的所有运行工况、例行试验以及一些风险较大而不便于进行的试验（比如一些交直流保护试验）都可以在本仿真平台上模拟进行，主要包括但不限于以下试验项目：分系统调试、换流站启停、换流站稳态运行、动态阶跃、控制模式切换、直流电压控制接管、单站投退、孤岛联网互转、孤岛运行稳态及动态试验等。以下仅列出部分重要试验内容的结果与波形。

4.1 换流站的启停及稳态运行

本项试验是实现有源HVDC（高压直流输电）、无功动态调节STATCOM 的启停及功率升降。

图11 列举的是换流站站1、站2 分别启动解锁后，由站1 控制直流电压，站2 控制有功功率，站2 输入的有功功率由0 上升到5 MW 期间的直流电压、交流电流、有功功率波形，上升速率设定为50 MW/min。从波形可以看出，功率上升过程平稳，无过压、过流现象，上升过程中直流电压的波动不超过1.5%，在6 s 内有功由0 上升到5 MW，上升速率的实际值与指令值（50 MW/min）基本吻合，符合控制要求。

图11 换流站（以站2 为例）解锁后升有功波形

4.2 换流站的动态性能试验

本项试验的目的是验证控制系统动态性能，在全工作范围内，有功功率、无功功率、直流电压等的阶跃响应应快速且不对交流系统造成冲击。需要分别对站1、站2、站3 进行有功、无功和直流电压的阶跃试验，系统能对阶跃变化的指令值做出快速准确的跟踪，保证较快的上升时间和较小的超调量。

图12 为换流站站2 的有功功率由-1 MW 阶跃到4 MW 的有功、无功、直流电压波形。从波形可以看出，有功上升时间约10 ms，超调量不超过20%，阶跃结束达到新的稳态后，有功实际值与指令值（4 MW）基本吻合，可以认为是一次平稳、快速、精确的功率阶跃。

4.3 换流站的单站投退试验

本项试验是验证在直流配电网多端运行时，某单个换流站的投入或退出对运行中的交直流网络无较大冲击。

图13 为直流配电网有源运行时，站1 正常停运且极隔离退出期间的波形。换流站单站投入、退出运行的整个过程中，直流网络无冲击现象，正负极开关分合瞬间无冲击电流。

图12 换流站（以站2 为例）有功阶跃波形

图13 站1 正常停运，极隔离退出时的波形

4.4 孤岛联网互转试验

图14 为直流配电网有源运行，功率指令为有功2 MW，无功0，负载2.4 MW 时，站1 联网转孤岛期间的交流电压、交流电流、有功、无功波形。联网运行时，站1 发出有功2 MW，转为孤岛后，由站2 和站3 向站1 供电，站1 吸收有功2.4 MW。转换过程平稳，期间交流电压和电流未出现谐波或发散。

4.5 孤岛运行负载突变试验

图15 为站1 跟交流电网断开，无源运行（站1 孤岛方式）时，由站2、站3 给站1 供电，且站1负载由2.4 MW 突变到4.8 MW 时的交流电压、交流电流、有功波形、无功波形。可以看出，在单端孤岛且负载突变时，仍能保证可靠的供电质量和良好的动态性能。

图14 站1 联网转孤岛时的波形

图15 站1 单端无源且负载突变的波形

从以上仿真试验结果可看出，直流配电网工程的控制保护系统完全可以借助RTDS 仿真试验平台进行各项性能测试和出厂试验，控制保护策略的正确性和性能的可靠性也可以在该试验平台上得以体现，从而为直流配电网控制保护系统的实际现场测试和顺利运行奠定基础。

5 结语

本文以杭州大江东直流配电网工程为背景，结合三端背靠背直流配电网拓扑结构，介绍了柔性直流配电网RTDS 实时仿真系统的建模及试验平台的搭建，基于此实时仿真试验平台，可对柔性直流配电网控制保护装置进行性能验证和产品测试。下一步将会把直流断路器、直流变压器等新型直流设备的详细模型接入仿真系统，进一步测试研究直流配电网的故障及分断、新能源及储能系统接入等方面的特性。