基于Matlab-Simulink超高壓直流輸電數(shù)值模擬研究

焦建霖

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和電力需求的增加，超高壓直流輸電在長(zhǎng)距離和大容量傳輸中的優(yōu)勢(shì)日益凸顯，高壓直流輸電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。由于控制系統(tǒng)是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的靈魂，直流輸電的快速可控性是由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，因此本文對(duì)高壓直流輸電控制系統(tǒng)做7重點(diǎn)分析，基于Matlab/Simulink建立了超高壓直流輸電模型，結(jié)果顯示，本文搭建的超高壓直流輸電模型的性能良好，能夠安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電 穩(wěn)態(tài)分析 控制策略

引言

隨著直流輸電的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行研究很有必要。其中，控制系統(tǒng)是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵，它決定了直流輸電系統(tǒng)是否可以安全可靠運(yùn)行。我們都知道，HVDC系統(tǒng)具有快速調(diào)控潮流的優(yōu)點(diǎn)。直流的頻率為零，沒有相角和功角，不存在穩(wěn)定性問題因此高壓直流輸電在交流系統(tǒng)交流穩(wěn)定性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。值得一提的是高壓直流輸電的控制系統(tǒng)是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的靈魂，是整個(gè)輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好運(yùn)行性能的關(guān)鍵。

本文基于Matlab/Simulink建立了超高壓直流輸電模型，由整流系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)，交流濾波系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)是整個(gè)模型的關(guān)鍵。整流側(cè)采用恒流控制方式，逆變側(cè)采用恒壓控制方式，恒流控制方式和恒熄弧角控制方式的協(xié)調(diào)控制策略，且兩側(cè)都配備了低壓限流控制方式。

1直流輸電系統(tǒng)的基本控制原理及控制方式

通過調(diào)節(jié)輸電線路兩端換流器的觸發(fā)角度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸電系統(tǒng)精確快速的控制和調(diào)節(jié)。它不僅可以實(shí)現(xiàn)HVDC輸電的各種輸電方式，提高HVDC輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能，還可以改善兩端交流系統(tǒng)的運(yùn)行特性。因此，控制系統(tǒng)是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的靈魂，保證了直流輸電系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行。

1.1直流輸電系統(tǒng)的控制原理

現(xiàn)通過一個(gè)單極聯(lián)絡(luò)線分析直流輸電系統(tǒng)的控制原理來進(jìn)行說明，其電壓分布如圖1所示：

顯然，直流輸電系統(tǒng)輸送的功率為有功功率。由圖1可知，只要Vdr大于Vdi，就能實(shí)現(xiàn)直流電流的流通。因此，可以通過調(diào)節(jié)直流電壓的大小來調(diào)節(jié)傳輸功率的大小。需要指出的是，如果整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電壓極性不改變，即使Vdi大于Vdr，由于晶閘管的單相導(dǎo)電特性，也無法實(shí)現(xiàn)直流電流的倒轉(zhuǎn)。因此，如果想要實(shí)現(xiàn)傳輸功率的倒轉(zhuǎn)，必須通過控制換流器，使原來的整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)，原來的逆變器運(yùn)行在整流狀態(tài)。

1.2直流輸電系統(tǒng)的控制方式

本文整流系統(tǒng)采用定電流控制的控制方式，逆變系統(tǒng)采用定電壓控制，定電流控制和定熄弧角控制三者協(xié)調(diào)控制的控制策略。此外，整流系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)的定電流控制都配備了低壓限流特性（VDCOL）的控制方法，及其最小觸發(fā)角控制。

定電流控制：定電流控制是系統(tǒng)中最基本的控制方式之一。定電流控制是指利用電流調(diào)節(jié)器或者說PI控制器，在電力線路中電流突然發(fā)生變化的情況下，短時(shí)間內(nèi)使電流恢復(fù)到正常范圍的參考值，保持直流輸電穩(wěn)定運(yùn)行。它是將電流實(shí)際值與電流的參考值進(jìn)行比較，以二者的差值作為一個(gè)閉環(huán)控制器的輸入，來控制換流器的觸發(fā)角使得兩者的差值減小甚至消失，達(dá)到電流實(shí)際值穩(wěn)定在電流參考值附近的目的。

定電壓控制：定電壓控制也是系統(tǒng)所有控制方法中最基本的控制方式之一。定電壓控制和定電流控制的原理是相似的，唯一的區(qū)別在于定電流控制是保持電流值恒定而定電壓控制是保持電壓值恒定，從而使得交流側(cè)的電壓穩(wěn)定。它是電壓實(shí)際值與電壓的設(shè)定值進(jìn)行比較，以二者的差值作為一個(gè)PI控制器（閉環(huán)控制器）的輸入，來控制換流器的滯后觸發(fā)角α使得兩者的差值減小甚至消失，達(dá)到電壓實(shí)際值穩(wěn)定在參考值附近的目的。

2基于Matlab-Simulink超高壓直流輸電控制系統(tǒng)研究

控制系統(tǒng)不僅能保證系統(tǒng)輸送恒定功率，而且能提高直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能并保證系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行，是超高壓直流輸電系統(tǒng)的核心部分控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)整流控制系統(tǒng)和逆變控制系統(tǒng)，在此僅以主控系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

2.1超高壓直流輸電主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)提供仿真停止時(shí)間和參考電流。仿真停止時(shí)間Stop_R和Stop_l皆設(shè)置為1.6秒。整流側(cè)參考電流Id_re_fR和逆變側(cè)參考電流Id_ref_l相等，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)設(shè)置為lpu（基準(zhǔn)值為2000A），參考電流由兩部分相加得到。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，將開關(guān)撥到下邊，即常數(shù)O的位置;若系統(tǒng)進(jìn)行階躍仿真時(shí)，將開關(guān)撥到上邊，即Id_ref Step的位置，它可以實(shí)現(xiàn)在0.7s至0.8秒?yún)⒖茧娏鳒p小0.2pu的功能。最小穩(wěn)態(tài)參考電流設(shè)置為O.lpu。在0.02s時(shí)換流器導(dǎo)通，隨后參考電流增長(zhǎng)至最小參考電流O.lpu。0.4s時(shí)電流以5pu/s的速率增長(zhǎng)，最終達(dá)到lpu。在1.4s時(shí)使電流以5pu/s的速率減小至最小參考電流0. lpu，1.6s時(shí)關(guān)斷換流器，仿真時(shí)間設(shè)置為2s。

2.2超高壓直流輸電系統(tǒng)的階躍仿真

進(jìn)行超高壓直流輸電系統(tǒng)的階躍仿真時(shí)，需要時(shí)參考電流出現(xiàn)一個(gè)上升或者下降的臺(tái)階，這可以在主控制中設(shè)置。在MasterControl中，將開關(guān)撥到Id_ref Step，Id_ref Step設(shè)置為在0.7s至0.8s期間輸出為0.2pu，其余時(shí)間為零，這樣可使參考電流在0.7s時(shí)減小0.2pu，在0.8s恢復(fù)正常。其它設(shè)置保持不變。圖2依次為逆變器側(cè)的直流電壓、直流電流測(cè)量值與參考值、滯后觸發(fā)角α、逆變器控制模式、熄弧角v的測(cè)量值與參考值的波形：

由上面的仿真圖可以看到，參考電流在0.7s至0.8s之間減小0. 2pu。由于控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，迅速動(dòng)作，自動(dòng)的調(diào)整觸發(fā)角α，從波形圖中可以看到，整流器的觸發(fā)角向上抬升了一個(gè)臺(tái)階，接著整流器側(cè)和逆變器側(cè)的直流電流下凹了一個(gè)臺(tái)階，即直流電流能夠跟蹤電流參考值的變化并使之在新的運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行控制系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，整個(gè)超高壓直流輸電系統(tǒng)的性能良好，可以安全可靠運(yùn)行。

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