サイリスタによる HVDC 送電システムの平均モデル

この例では、12 パルス、1000 MW (500 kV-2kA) 50/60 Hz HVDC 送電システムの定常状態および過渡特性を示します。

Silvano Casoria (Hydro-Quebec)

詳細モデルと平均モデル

他励式コンバーターによる HVDC システムをモデル化する際は、表す周波数の範囲に応じて 2 種類のモデルを使用することができます。

power_hvdc12pulse モデルで提示されているような "詳細モデル" には、コンバーター ユニットの詳細が、電力用サイリスタ ブリッジおよび変圧器とともに記載されます。このモデルは高調波および、制御システムの動特性と過渡特性の制御の観察に適しています。

ここで提示されるような平均モデルでは、コンバーター ユニット (ブリッジと変圧器) が、ブリッジの平均 DC 電圧を生成する等価の電圧源と、ネットワークに流れ込む電流の基本成分を生成する AC 電源によって表されます。このモデルでは高調波は表現されませんが、制御システムと電力システムの相互作用から生じるダイナミクスは保持されます。このモデルでは、制御システムやネットワークのタイム ステップよりも高いタイム ステップを使用することができます。しかし、最適なパフォーマンスは、制御システムの制御器と同じタイム ステップを使用することで得られます。

説明

1000 MW (500kV、2kA) 高圧直流送電システム (HVDC) は、500 kV、5000 MVA、60 Hz のネットワークから 345 kV、10000 MVA、50 Hz ネットワークに高圧直流送電するシステムです。整流器とインバーターは、2 つの直列接続された 6 パルス サイリスタ ブリッジを表す 12 パルス型コンバーターの平均モデルです。整流器とインバーターは、300 km の分布定数線路と 2 つの 0.5 H の平滑リアクトルを介して接続されています。

変圧器の線形表現は平均モデル ブロックの一部です。変圧器のタップを切り換えてシミュレートすることはできません。固定タップがモデル入力の前提となります。タップ比 (Nprimary/Nsecondary) は整流器で 0.9 (pu)、インバーターでは 0.96 (pu) となります。コンバーターに必要な無効電力は、コンデンサ バンクのセットと 11 次、13 次、およびハイパス フィルターの組み合わせによって、それぞれの側で合計 600 Mvar が提供されます。平均コンバーター モデルでは高調波が生成されないため、この Mvar はすべてコンデンサ バンクによって供給されることに注意してください。

インバーター AC 側と整流器 DC 側に地絡故障を発生させるために 2 つの配電用遮断機 (ブレーカー) が使用されます。サイリスタ バルブが存在しないため、平均モデルでは 12-pulse Firing Control ブロックが不要となることに注意してください。

DC Protection 機能がそれぞれのコンバーターに実装されています。整流器では DC 地絡保護によって遅延角が検出され、地絡電流を解消するためにこの遅延角がインバーター領域に適用されます。インバーターでは転流失敗防止制御によって AC 地絡故障が検出され、転流失敗のリスクを減らすために遅延角の最大制限値が減少します。転流失敗の現象は、平均モデルでは発生する可能性はないことに注意してください。

この現象が発生し得る状態をユーザーが特定しやすくするため、モデルにより指標が提示されます (整流器とインバーター モデルの Bus Selector ブロックから利用可能な CF_alarm 信号)。Low AC Voltage Detection ブロックは、AC 電圧の低下が検出されたときに DC 地絡保護をロックします。Master Control ブロックは、コンバーターの開始と停止の起動に加えて、指令電流の増減を行います。

制御システムの説明については、ユーザー マニュアルの HVDC 送電システムのケース スタディを参照してください。コントローラーの点弧角順序 (alpha_ord) 出力は、平均モデルの入力となります。

電力系統システムと制御システムは、両方ともサンプル時間 Ts = 50µs で離散化されます。モデルの "Model initialization" セクションによって、MATLAB® ワークスペースで Ts = 50e-6 が自動的に設定されます。また、平均モデルのタイム ステップ Ts_avg が Ts と等しくなるよう設定されます。

シミュレーション

このシステムは、始動から定常状態までをシミュレーションできるようにプログラムされています。制御器の動的な応答を観察するために、整流器の指令電流とインバーター基準電圧にステップ信号が適用されます。最後に、停止処理が開始して、コンバーターをブロックする前に DC 電源が低下します。

シミュレーションを開始し、Data Acquisition サブシステムの RECTIFIER スコープと INVERTER スコープを開き、トレース 1 (1pu = 500 kV) の DC 線電圧とトレース 2 (1pu = 2 kA) の DC 線電流 (基準値と測定値) を観察します。

開始と停止

Master Control で、整流器とインバーターの指令電流を増加させることによってコンバーターのブロックが解除され、コンバーターが開始されます。

t = 0.02 秒において (すなわち、コンバーターのブロックが解除されたとき)、0.3 秒で指令電流が最小値の 0.1 pu へと変化します (0.33 pu/秒)。この最初のランプ (t = 0.32 秒) において、DC 送電線が定格電圧で充電され、DC 電圧が定常状態に達します。

t = 0.4 秒において、指令電流は 0.18 秒で 0.1 pu から 1 pu (2 kA) に変化します (5 pu/秒)。この起動処理の最後 (t=0.58 秒) に、DC 電流は定常状態に達します。整流器は電流を制御し、インバーターは電圧を制御します。

定常状態において、整流器側とインバーター側の α 点弧角 (トレース 3) は、それぞれ 17.7 度および 144.5 度です。詳細モデルでは、これらのトレース (整流器で 16.5 度、インバーターで 143 度) は測定された点弧遅延角ではなく、制御器からの対応する順序となります。詳細モデルでは点弧角が小さくなりますが、これは、12-pulse Firing Control ブロックの入力 AC 電圧と出力点弧パルスを結合させることで生じる遅延を補正するために、点弧順序を 2 タイム ステップ分進めなければならないためです。消弧角γの値は平均モデルの出力となります。これはインバーターで使用され、トレース 5 に示されます。定常状態において、その値は 23°です。

動作の制御モード (0 ～ 6 の整数) がトレース 4 に示されます (0 = ブロック、1 = 電流制御、2 = 電圧制御、3 = α の最小値制限、4 = α の最大値制限、5 = α の強制的設定、6 = γ 制御)。

t = 1.4 秒で、電流を 0.1 pu までランプ状に低下させることによって停止処理を開始します。

t = 1.6 秒で、整流器における Forced-alpha は電流をゼロにし、インバーターにおける Forced-alpha は DC 電圧を下げます。

t = 1.7 秒において、サイリスタの駆動パルスはいずれのコンバーターにおいてもブロックされます。

電流および電圧レギュレーターのステップ応答

Master Control で "Enable Ref. Current Step" スイッチが上の位置にあることを確認します。このスイッチは、基準電圧にステップ信号を適用するために使用します。また、Inverter Control で基準電圧ステップ信号が有効であることを確認します。シミュレーションを開始します。

t = 0.7 秒で -0.2 pu のステップ信号がまず指令電流に印加され (1 pu から 0.8 pu に減少)、t = 0.8 秒で指令電流が 1 pu の元の値にリセットされます。電流は約 0.1 秒で安定します。ステップ信号は、インバーターの基準電圧にも適用されます (t=1.0 秒/ 1.1 秒で -0.1 pu / +0.1 pu)。

整流器における DC 送電線の地絡故障

スイッチを下の位置に設定することによって、Master Control における指令電流および基準電圧とインバーター制御に各々適用されたステップ信号を無効にします。

整流器の DC 地絡保護 (DCPROT) が既定でアクティブになります。地絡故障が t = 0.7 秒で適用されるように、DC Fault ブロックにおいて、[Switching times] の増倍率を 100 から 1 に変更します。

シミュレーション終了時間を 2 秒から 1.4 秒に減らします。FAULT スコープを開き、DC 地絡電流を観察します。再度、シミュレーションを実行してください。

地絡故障が発生すると、DC 電流は 2.63 pu に増加し、DC 電圧は整流器側でゼロに低下します。この DC 電圧の低下は、整流器側で指令電流を 0.3 pu に減少させる Voltage Dependent Current Order Limiter (VDCOL) による影響で見られます。DC 電流は地絡故障中にも流れ続けます。

t = 0.77 秒において DC 電圧の低下が検出されるため (70 ミリ秒を超えると VdL < 0.5 pu)、整流器の点弧角 α は DC 保護により 166 度となります。整流器は、このとき、インバーターとして動作します。その DC 電圧は負になり、直流送電線に蓄積されたエネルギーが、交流 (AC) ネットワークに逆流します。その結果、地絡電流 (I DC Fault) が次のゼロクロッシング時において急激に低下してゼロになります。

点弧角 α は t = 0.82 秒で減少し始め、およそ 0.4 秒後に DC 電圧と電流が通常の値に復帰します。

インバーターの AC 線-対地絡間故障

DC Fault ブロックにおいて [Switching times] の増倍率を 1 から 100 に変更し、DC 地絡故障が発生しないようにします。A-G Fault ブロック (本来は、Breaker ブロック) では、[Switching time(s)] に設定された増倍率を 100 から 1 に変更し、t = 0.7 秒において線-対地絡間故障が 6 サイクルの間だけ発生するようにします。

整流器とインバーター保護の Low AC 電圧検出 (LACVD) サブシステムおよびインバーター保護の Commutation Failure Prevention Control (CFPREV) が既定でアクティブになります。

再度、シミュレーションを実行してください。

詳細モデルの単相故障で通常観察される DC 電圧と電流における 120 Hz の振動は、平均モデルでは存在しないことに注意してください。実際に、平均モデルでは AC の変数とパラメーター基本正相分だけが重要です。VDCOL は、地絡故障の間は作動しません。地絡故障の解消後、約 0.2 秒でシステムは回復します (測定 DC 電力 Pd を参照してください)。

AC 地絡故障による転流失敗の誤作動 (CF) から生ずるインバーターの異常動作は、平均モデルの式では正確に表現されません。その状態をユーザーが特定しやすくするために、CF の発生が予想されるときは常に警報信号 (CF_alarm) が設定されます。

t = 0.73 秒でトリガーされている、インバーターの CF_alarm 信号を確認してください。CF_alarm ブロック (インバーター モデルの HVDC_CONV_AVG ブロック内) を開いてロジックを調べます。

PROTECTION INVERTER スコープの A_min_I 信号を確認してください。この信号により、Inverter Protection ブロックの Commutation Failure Prevention (CFPREV) 出力が監視されます。故障中と故障後にサイリスタの転流余裕を増加させるように、A_min 信号を使用して遅延角の制限値を小さくしています。

最後に、[CFPREV] ダイアログ ボックスで [ON State] の選択を解除することによって CFPREV 保護を無効にします。シミュレーションを再実行して、DC 転送の回復時間の違いを観察します。