張勇，陳紅坤，吳茜，尹力，繆翼軍

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

近年來，隨著電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的迅速增加和交直流混合系統(tǒng)的大力建設(shè)，其對技術(shù)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的要求也越來越高，高壓直流（high voltage direct current，HVDC）輸電開始扮演重要角色[1]。HVDC系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，運(yùn)行調(diào)度人員常常需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式和負(fù)荷變化情況，對系統(tǒng)運(yùn)行工況及時加以調(diào)整，但是具體如何調(diào)整需要調(diào)度人員預(yù)先了解和掌握多種調(diào)整方式[2]?；谏鲜鲈颍瑢Ω邏褐绷鬏旊娊虒W(xué)培訓(xùn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一套用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程模擬的軟件，用以檢驗(yàn)各種控制措施的效果，并輔助調(diào)度人員了解實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行工況，從而實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)。

LabVIEW（又稱虛擬儀器）是一種圖形化的編程語言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受[3]，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。其包含豐富的數(shù)學(xué)和仿真工具模塊，界面清晰直觀，是一個面向最終用戶的工具，特別適合于初次編寫軟件的人員。

1 HVDC穩(wěn)態(tài)計(jì)算原理

主回路穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是設(shè)計(jì)HVDC教學(xué)培訓(xùn)軟件的基礎(chǔ)，其計(jì)算結(jié)果直接影響到系統(tǒng)的其他功能模塊，如無功補(bǔ)償輸入模塊、濾波設(shè)計(jì)模塊等。它是考慮在具體的主回路控制方式下，主要包括整流側(cè)、逆變側(cè)換流器控制方式和整流側(cè)、逆變側(cè)換流變壓器抽頭位置，確定HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值。

HVDC系統(tǒng)的核心部分為換流器，其基本模塊是三相橋式全控整流電路[4]。分析整流電路時，當(dāng)負(fù)荷為阻感性負(fù)載且考慮變壓器漏感時，整流輸出電壓、電流分別[5]為

式中：Udo為理想空載直流電壓；EL為變壓器二次側(cè)線電壓；α、μ分別為觸發(fā)延遲角、換相角；XB為考慮換相過程后的等效電感。為了區(qū)分整流側(cè)和逆變側(cè)的各量，對整流側(cè)的量值加下標(biāo)r，對逆變側(cè)的量值加下標(biāo)i。

由式（1）和式（2）可得

將式（3）代入式（1）得

由于觸發(fā)角和換相角的存在，交流側(cè)相電流的基波將滯后相電勢一個相角，功率因數(shù)可近似表示為

目前換流站普遍采用12脈動換流器，由兩個6脈動的三相橋式電路串聯(lián)，其中一個采用三角形接法，另一個采用星形接法，從而使兩6脈動波形相位相差30°，串聯(lián)起來即得到12脈動波形。12脈動電壓、電流的計(jì)算方法與6脈動的計(jì)算方法一致，輸出電壓為6脈動的兩倍。

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的需要，定義兩個參數(shù)：相對電感壓降dx和相對電阻壓降dr[6－7]分別為

式中：UdoN為額定理想空載直流電壓；Pcu為折算至6脈動換流器標(biāo)么值的變壓器和平波電抗器負(fù)載損耗；Rth對應(yīng)晶閘管上與電流有關(guān)的壓降；IN為直流線路額定電流。

由于交流母線電壓變化小，udoN/udo≈1，且忽略晶閘管導(dǎo)通壓降，聯(lián)立式（3）～式（6）則有

逆變站的直流電壓、無功計(jì)算方法與整流站相似，表達(dá)式[8－9]為

式中：Tr、Ti分別為兩端換流變分接頭變比；Eacr、Eaci分別為兩端交流母線電壓。

其他相關(guān)穩(wěn)態(tài)參數(shù)表達(dá)式為

2 基于LabVIEW的HVDC輸電教學(xué)培訓(xùn)軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)

根據(jù)HVDC原理和軟件設(shè)計(jì)流程，本文利用LabVIEW圖形化編程語言設(shè)計(jì)了用于HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的教學(xué)培訓(xùn)軟件。

2.1 軟件的設(shè)計(jì)思路和功能

本軟件應(yīng)能在多種操作系統(tǒng)中安裝和使用，且具有直觀友好的用戶操作界面，通過簡單操作，即可實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的模擬仿真，潮流計(jì)算完成后，可即時輸出仿真結(jié)果。具體來說，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能如下所述。

（1）根據(jù)功能和設(shè)計(jì)需求，軟件界面包含2個動態(tài)顯示的頁面，分別為：主界面和參數(shù)設(shè)置界面。其中主界面用于實(shí)時顯示潮流計(jì)算結(jié)果、運(yùn)行狀態(tài)；對于過負(fù)荷、輕載或接地極電流過大，應(yīng)能夠告警提示；對于無功補(bǔ)償不足或過剩，可以提示投切無功；對于潮流逆轉(zhuǎn)啟動，彈出對話框進(jìn)行相關(guān)參數(shù)整定提示。參數(shù)設(shè)置界面用于對具體的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行額定參數(shù)、參數(shù)運(yùn)行范圍的設(shè)置。

（2）對于主界面中的交直流濾波器、晶閘管閥組、無功補(bǔ)償裝置，為了更形象顯示其結(jié)構(gòu)，采用控件高級自定義的方法，通過相應(yīng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)來替換布爾控件，實(shí)現(xiàn)即點(diǎn)即現(xiàn)的效果。

（3）為了模擬HVDC的控制方式對系統(tǒng)的影響，換流站兩端均設(shè)置了定功率、定觸發(fā)角等基本控制方式，對兩側(cè)在不同組合的控制方式下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行模擬。

2.2 軟件的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法

為了使操作人員能夠準(zhǔn)確和清楚的使用本軟件，在軟件主界面上向用戶提供盡可能詳細(xì)的信息，直觀簡潔，并且最大程度的體現(xiàn)用戶和界面的交互性[10]。利用LabVIEW前面板提供的豐富的控件與顯示，可以非常方便的根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本軟件由下述3大模塊組成。

1）啟動界面

為了程序的友好性和顯示出有意義的標(biāo)示語，遵循簡單、直觀的原則制作了啟動界面。通過點(diǎn)擊自定義的軟件圖標(biāo)，本次設(shè)計(jì)的啟動界面如圖1所示。實(shí)踐證明當(dāng)程序運(yùn)行時，CPU占用率較小，體現(xiàn)了LabVIEW人機(jī)界面設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢，即美觀、可視性強(qiáng)。

圖1 軟件啟動界面Fig.1 Start-up interface of the software

軟件由多個界面組成，這些界面由前面板上的鼠標(biāo)事件、鍵盤事件觸發(fā)。通過啟動界面VI文件的路徑來加載主界面[11]，并決定主界面的執(zhí)行狀態(tài)。通常將子界面VI文件放到主程序文件夾中，可確保利用相對路徑成功調(diào)用子VI文件。

2）參數(shù)管理模塊

在主界面中，通過點(diǎn)擊相應(yīng)元件彈出輸入框，可以調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭變比，調(diào)節(jié)直流輸電線路電阻、接地極電阻、平波電抗器，投切濾波器組數(shù)，開合斷路器以實(shí)現(xiàn)單雙極運(yùn)行。

采用LabVIEW的屬性節(jié)點(diǎn)和控件高級自定義的方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)管理模塊。LabVIEW之所以功能強(qiáng)大、生動形象，關(guān)鍵之一在于其使用了屬性節(jié)點(diǎn)。屬性節(jié)點(diǎn)在功能上是離散的、被準(zhǔn)確定義的，它既可以單獨(dú)使用，也可以與其它屬性一起組裝成一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。屬性節(jié)點(diǎn)有多種表現(xiàn)形式，常用的有可見、閃爍、禁用、提示框等，本次設(shè)計(jì)采用了閃爍、可見等屬性節(jié)點(diǎn)，效果良好。

3）輔助模塊

軟件設(shè)計(jì)中，為確保各穩(wěn)態(tài)參數(shù)處于正常范圍，設(shè)置了輔助模塊。當(dāng)觸發(fā)角運(yùn)行范圍超出設(shè)定

值，觸發(fā)角參數(shù)框?qū)㈤W爍提示；雙極運(yùn)行時，接地極電流超過1%IN，將提示接地極電流過大；當(dāng)兩側(cè)換流站消耗無功與系統(tǒng)投入無功補(bǔ)償之差的絕對值超過單組無功補(bǔ)償容量時，系統(tǒng)將提示投切無功補(bǔ)償。

LabVIEW同時包含豐富的數(shù)學(xué)工具，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜函數(shù)表達(dá)式，分別將函數(shù)表達(dá)式的輸出和設(shè)定值作為比較函數(shù)的輸入，比較函數(shù)的輸出連接到布爾器件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的判斷。

3 HVDC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬仿真

利用設(shè)計(jì)的軟件以天生橋—廣州（天廣）直流輸電工程為例進(jìn)行了各種工況條件下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬仿真。

3.1 天廣直流輸電系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)

天廣直流輸電工程額定傳輸容量為雙極180萬kW，額定工作電壓為±500 kV，額定工作電流為1 800A，兩站交流系統(tǒng)額定電壓均為220 kV，換流站采用典型雙極12脈動換流閥組[12]。正常情況下，天生橋換流站作為整流站運(yùn)行，廣州換流站作為逆變站運(yùn)行，換流站運(yùn)行參數(shù)見表1。兩換流站換流變分接頭變比按實(shí)際情況選取。當(dāng)系統(tǒng)以雙極運(yùn)行，整流側(cè)定電流、逆變側(cè)定γ角運(yùn)行時，參數(shù)設(shè)置界面、雙極全壓運(yùn)行主界面如圖2和圖3所示，潮流逆轉(zhuǎn)主界面如圖4所示。

表1 換流站運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operation parameters of converter stations

圖2 參數(shù)設(shè)置界面Fig.2 Parameters setting interface

圖3 雙極全壓運(yùn)行，潮流正轉(zhuǎn)Fig.3 Bipolar and positive power flow operation with full voltage

圖4 潮流逆轉(zhuǎn)Fig.4 Negative power flow operation

3.2 模擬仿真結(jié)果

由圖3和圖4可知，由于觸發(fā)角和逆變角的存在，無論是整流站還是逆變站，正常運(yùn)行時，換流站所需的無功功率為變壓器額定容量的45%左右。通過調(diào)整換流變壓器分接頭或者投切無功補(bǔ)償設(shè)備，可以解決系統(tǒng)無功平衡問題；通過模擬控制方式之間的切換，可以改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文利用LabVIEW 8.5設(shè)計(jì)了高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)軟件，詳細(xì)闡述了軟件設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)、功能特點(diǎn)以及模塊劃分，并通過具體算例進(jìn)行了模擬仿真。本軟件應(yīng)用可視化界面技術(shù)，在各種控制方式下可以連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行過程中穩(wěn)態(tài)參數(shù)采用參數(shù)框閃爍告警和彈出對話框提示。算例驗(yàn)證表明此軟件模擬仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)效果，可視化程度較高、界面直觀清晰、方便操作人員使用，可以應(yīng)用于實(shí)際的教學(xué)與培訓(xùn)工作中。

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