高壓直流輸電系統(tǒng)建模與仿真

【摘 要】本文介紹了高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理，整流測采用定電流控制方式，建立了基于MATLAB/Simulink的高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型，對高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行時電壓、電流進行仿真分析，同時通過對交流系統(tǒng)以及直流線路短路故障的仿真分析，驗證了所建立仿真模型的合理性。仿真結(jié)果表明，該方法能較準確地觀測暫態(tài)過程高壓直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】高壓直流輸電 HVDC MATLAB建模與仿真 暫態(tài)分析

一、引言

高壓直流輸電技術(shù)是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)輸電領(lǐng)域中應(yīng)用最早同時也是較為成熟的技術(shù)。高壓直流輸電由整流器、高壓直流輸電線路以及逆變器三部分構(gòu)成。到目前為止，工程上絕大部分直流輸電的換流器由半控型的晶閘管器件組成，稱采用這種換流器的直流輸電為常規(guī)高壓直流輸電。

在高壓直流輸電系統(tǒng)中有三個原因使得他的暫態(tài)過程變的非常復(fù)雜：工程實際中每個換流閥的觸發(fā)角為離散變量；觸發(fā)角和換相電壓在高壓直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)過程中不斷變化；長距離直流輸電線路具有分布參數(shù)特性，需要考慮他的電壓、電流過程。所以，如果要準確的計算直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)過程，就必須要求解包含連續(xù)變量和離散變量的常微分方程和偏微分方程。這個過程原理很簡單，但是計算的工作量卻非常大[1]。傳統(tǒng)的仿真軟件主要包括微分方程和差分方程，MATLAB 軟件中的Simulink 給用戶提供了用方框圖進行建模的模型接口，和傳統(tǒng)的仿真軟件相比具有更直觀、靈活和方便的優(yōu)點。Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫包含了多種交/直流電源、大量電工測量儀表和電元器件以及各種分析工具等。利用這些模塊我們就可以模擬電力系統(tǒng)運行和故障的每個狀態(tài)，從而進行仿真和分析。[2]

本文建立了基于MATLAB 的HVDC 仿真模型，整流側(cè)采用定電流調(diào)節(jié)方式，并附加了最小觸發(fā)角限制，對高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行模式進行仿真分析，并針對逆變器交流側(cè)發(fā)生單相接地、兩相接地、三相短路故障以及直流線路發(fā)生接地故障的情形，分別進行了仿真和分析。

二、HVDC系統(tǒng)仿真模型

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，利用電力系統(tǒng)模塊（SimPowerSystem）中的仿真模塊對HVDC系統(tǒng)及控制器建立仿真模型。這里用雙橋12脈動晶閘管變換器實現(xiàn)對HVDC系統(tǒng)的建模[2]。

其中，500kV、5000MVA、60Hz的交流系統(tǒng)通過1000MW的直流聯(lián)絡(luò)線與345kV、10000MVA、50Hz的交流系統(tǒng)相連。兩個交流系統(tǒng)相角均為 ，均含有3次諧波。送端頻率為60Hz，受端頻率為50Hz。兩個變換器通過300km的線路和0.5H的平波電抗器連接起來。其中線路每公里電阻值為 ，電感值為0.792mH，電容值為。四個斷路器模塊通過1歐姆電阻接地，分別用來整流器直流側(cè)故障和逆變器交流側(cè)故障。

“濾波器”子系統(tǒng)中，交流濾波器電路由150Mvar的無功補償設(shè)備，高Q值（100）的11次和13次單調(diào)諧濾波器，低Q值（3）的高通濾波器組成。

整流器模型中，換流變壓器采用三相繞組變壓器，整流測繞組一個為星型接線，另一個為三角形接線，從而使兩個六脈動換流器的交流側(cè)得到相位差為 的換相電壓。輸出的直流電流換算為標幺值表示。逆變器模型與整流器模型類似。

三、HVDC仿真結(jié)果分析

基于所建模型，分別對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、直流線路接地故障、逆變側(cè)a相接地故障，兩相接地（a、b相接地）和三相接地故障的情況進行仿真，仿真時間為1.4s，結(jié)果如下。

（一）穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)波形

運行仿真后，經(jīng)過觀察系統(tǒng)啟動經(jīng)過一段時間后能夠穩(wěn)定運行。穩(wěn)態(tài)后，直流電壓為1.0 p.u.，直流電流為1.0 p.u.。穩(wěn)態(tài)情況下，在0.7s時刻設(shè)定電流指令值跌倒0.8 p.u.，0.8秒時恢復(fù)至1.0 p.u.。直流側(cè)電流 在0.7s開始跌落至0.8p.u.，0.8s開始上升至1.0p.u.，實際電流值按照電流指令值響應(yīng)的變化。

（二）直流線路故障

首先把直流側(cè)斷路打開，設(shè)置其在0.8s時導(dǎo)通，0.85s時斷開，接地時間是0.05s，接地的電阻是1歐姆。接下來進行故障設(shè)置，發(fā)生故障時直流側(cè)電流會激增到2.2p.u.，直流側(cè)電壓會降為0。通過調(diào)制VDCOL的子系統(tǒng)，參考電流就會下降到0.3p.u.，所以在故障發(fā)生時，直流側(cè)仍然有電流通過。當t=0.87s時，整流器的運行為逆變狀態(tài)。在此之后直流側(cè)電壓為負值，把線路上的能量反送到交流系統(tǒng)，這樣直接導(dǎo)致故障電流在通過零點時很快熄滅。當t=0.92s時，解除觸發(fā)延遲角的強制值，額定電流電壓就會在0.5s后恢復(fù)正常了。

四、總結(jié)

隨著高壓直流輸電技術(shù)在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用越來越重，如何提高系統(tǒng)運行的安全性和可靠性也成為亟待解決的問題。因此，對HVDC系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)仿真對電力系統(tǒng)的研究、規(guī)劃、設(shè)計和運行等起著重要作用。本文利用MATLAB的Simulink及PSB對高壓直流輸電系統(tǒng)進行仿真，能方便準確的反應(yīng)HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)過程的動態(tài)特性并可實時顯示系統(tǒng)各參數(shù)的變化，且仿真時間段，仿真效果比較理性。

參考文獻：

[1]夏道止.電力系統(tǒng)分析（下冊） [M].北京：水利電力出版社，1995

[2]王晶，翁國慶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008

[3]韓民曉，文俊，徐永梅.高壓直流輸電原理與運行（第2版）.北京：機械工業(yè)出版社，2012