基于Matlab的直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

1、HVDC與FACTS技術(shù) 基于Matlab的直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析與仿真學(xué) 院 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程 _ （電力系統(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃） 年級班別 14級電氣4班 學(xué) 號(hào) 2111404004 學(xué)生姓名 張妍 指導(dǎo)教師 郭壯志 2015 年5 月14日一、 引言與交流輸電相比，高壓直流輸電(HVDC)具有線路輸送容量大、造價(jià)低、損耗小、電力系統(tǒng)間的非同步聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且，直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定問題，有利于遠(yuǎn)距離大容量送電。自從20世紀(jì)80年代末以來，中國高壓直流輸電技術(shù)的研究和發(fā)展取得了突飛猛進(jìn)的提高，目前已投運(yùn)10個(gè)直流輸電工程,包括舟山、葛南、天廣、三常等工程。為實(shí)現(xiàn)“西電東

2、送”的戰(zhàn)略規(guī)劃，中國正在積極推進(jìn)包括660 kV、800 kV、1 000 kV特高壓HVDC工程的建設(shè)。近期中國規(guī)劃發(fā)展的HVDC工程主要包括內(nèi)蒙及陜甘寧地區(qū)的煤電通過高壓直流或特高壓直流向京津塘、山東等地輸電，四川水電向華東、華中地區(qū)特高壓直流輸電等。在此背景下，研究HVDC的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理及控制方法，對HVDC進(jìn)行建模與仿真，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性等顯得非常重要。本文利用Matlab中Simulink對HVDC進(jìn)行建模，并在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、直流線路故障、逆變器交流側(cè)a相接地故障仿真，得出相應(yīng)的仿真波形，驗(yàn)證了HVDC模型的有效性。二、HVDC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理HVDC的

3、基本工作原理如圖1所示，簡單的HVDC輸電系統(tǒng)包括兩個(gè)換流站、直流輸電線路以及兩端的交流系統(tǒng)。換流站1運(yùn)行于整流狀態(tài)，將交流系統(tǒng)1輸送來的三相交流電整流成直流電，通過直流輸電線路傳送到換流站2，換流站2工作于逆變狀態(tài)，將直流電逆變成三相交流電。圖1 HVDC的基本工作原理換流站是HVDC的核心設(shè)備。換流站的主要設(shè)備如圖2所示： 圖2換流站主接線圖2中主要設(shè)備如下：(1) 換流變壓器 把交流系統(tǒng)電壓變?yōu)閾Q流橋所需的交流電壓。(2) 換流橋(閥橋) acdc或dcac的變流設(shè)備。(3) 直流(平波)電抗器 減少直流電壓及電流的波動(dòng)，受擾時(shí)抑制直流電流上升速度。(4) 直流濾波器組 直流側(cè)濾波用，單

4、橋時(shí)為6n次諧波，雙橋時(shí)為12n次諧波(n =1,2,)。(5) 交流濾波器組 交流側(cè)濾波用，一般單橋時(shí)為6n1次諧波，如5，7，11，13次及高周；雙橋時(shí)為12n1次諧波，如11，13次及高周。(6) 無功補(bǔ)償設(shè)備 提供直流系統(tǒng)運(yùn)行所需的無功功率，并作電壓調(diào)節(jié)用。可采用電容器組、調(diào)相機(jī)或靜止無功補(bǔ)償器(SVC)。三、HVDC仿真模型圖3中，500KV、5000MVA、50HZ的交流輸電系統(tǒng)(EM)通過1000MW的直流輸電線路與345KV、10000MVA、50HZ的交流輸電系統(tǒng)(EN)相連。兩個(gè)交流輸電系統(tǒng)的相角為80度，基頻為50HZ，并帶有3次諧波。輸電線路為300Km，線路電阻為0.

5、015, 線路電感為0.792， 線路電容為14.4n;EM側(cè)線路電阻為26.07，線路電感為48.86mH；EN側(cè)線路電阻為6.205，線路電感為13.96mH；兩端均接0.5H的平波電抗器。整流橋和逆變橋均由兩個(gè)通用的6脈沖橋搭建而成。交流濾波器直接接在交流母線上，它包括11次、13次和更高諧波等單調(diào)支路，總共提供600Mvar的容量。兩個(gè)斷路器模塊分別為模擬整流器直流側(cè)故障和逆變器交流測故障。圖3 HVDC仿真模型圖3.1整流環(huán)節(jié)雙擊圖3中的“整流環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)，如圖4所示。其中，變換器變壓器使用三相三繞組變壓器模塊，接線方式為Y0-Y-來聯(lián)結(jié)，變換器變壓器的抽頭用一次繞組電壓的倍數(shù)（整流

6、器選0.90，逆變器選0.96）來表示。 圖4整流環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙擊圖4中的“整流器”子系統(tǒng)，打開后如圖5所示。其中，整流器是用兩個(gè)通用橋模塊串聯(lián)而成的12脈沖變換器。圖5整流器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2逆變環(huán)節(jié)雙擊圖3中的“逆變環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)，如圖6所示。與“整流環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，在此不再贅述。圖6逆變環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.3濾波環(huán)節(jié)從交流側(cè)看，HVDC變換器相當(dāng)于諧波電流源；從直流側(cè)看，HVDC變換器相當(dāng)于諧波電壓源。交流側(cè)和直流側(cè)包含的諧波次數(shù)由變換器的脈沖路數(shù)p決定，分別為kp1(交流側(cè))和kp（直流側(cè)）次諧波，其中k為任意整數(shù)。對于本節(jié)的仿真而言，脈沖為12路，因此交流側(cè)諧波分量分別為11次、1

7、3次、23次、25次直流側(cè)諧波分量為12次、24次。為了抑制交流側(cè)諧波分量，在交流側(cè)并聯(lián)了交流濾波器。交流濾波器為交流諧波電流提供低阻抗并聯(lián)通路。在基頻下，交流濾波器還向整流器提供無功。雙擊圖3中的“濾波器”子系統(tǒng)，如圖7所示?？梢姡涣鳛V波器電路由150Mvar的無功補(bǔ)償設(shè)備、高Q值（Q=100）的11次和13次單調(diào)諧濾波器，低Q值（Q=3）的減幅高通濾波器（24次諧波以上）組成。圖7濾波器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、仿真結(jié)果分析基于圖3所示的HVDC模型，分別對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、直流線路故障、逆變側(cè)a相接地故障的情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下。4.1 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)波形仿真后的電壓和電流波形如圖8所示。圖中VdL表示直流

8、側(cè)線路電壓，Id和Idref分別表示直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流，均為標(biāo)幺值，alpha為整流器的觸發(fā)延遲角?？梢?，系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間后能夠穩(wěn)定運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)后，直流電壓為1pu，直流電流為1pu。圖8 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)直流側(cè)波形4.2 HVDC系統(tǒng)的起停和階躍響應(yīng)仿真波形打開整流器示波器，得到電壓和電流波形如9所示。波形從上到下依次為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓，標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流，以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角，整流器控制狀態(tài)。圖9 整流側(cè)相關(guān)波形打開逆變器示波器，得到電壓和電流波形如10所示。波形從上到下依次為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓和直流側(cè)參考電壓，標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流

9、和實(shí)際參考電流，以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角，逆變器控制狀態(tài)，熄弧角參考值和最小熄弧角。圖10逆變側(cè)相關(guān)波形結(jié)合圖9和圖10可以得出其仿真的大致過程如下：1）晶閘管在0.02s時(shí)導(dǎo)通，電流開始增大，在0.3s時(shí)達(dá)到最小穩(wěn)態(tài)參考值0.1p.u.，同時(shí)直流線路開始充電，使得直流電壓為1.0p.u.，整流器和逆變器均為電流控制狀態(tài)。2）在0.4s時(shí)，參考電流從0.1p.u.斜線上升到1.0 p.u.（2KA），0.58s時(shí)直流電流到達(dá)穩(wěn)定值，整流器為電流控制狀態(tài)，逆變器為電壓控制狀態(tài)，直流側(cè)電壓維持在1 p.u.（500KV）。在穩(wěn)定狀態(tài)下，整流器的觸發(fā)延遲角在16.5附近，逆變器的觸發(fā)延遲角在14

10、3附近。逆變器子系統(tǒng)還對兩個(gè)6脈沖的各個(gè)晶閘管的熄弧角進(jìn)行測量，熄弧角參考值為12，穩(wěn)態(tài)時(shí)，最小熄弧角在22附近。3）在0.7s時(shí)，參考電流出現(xiàn)-0.2 p.u.的變化，在0.8s時(shí)恢復(fù)到設(shè)定值?？梢娤到y(tǒng)的階躍響應(yīng)。4）在1.0s時(shí)，參考電壓出現(xiàn)-0.1 p.u.的偏移，在1.1s時(shí)恢復(fù)到設(shè)定值?？梢娤到y(tǒng)的階躍響應(yīng)，此時(shí)逆變器的熄弧角仍然大于參考值，5）在1.1s時(shí)，整流器為最小值限制控制狀態(tài)，逆變器仍為電壓控制狀態(tài)。6）在1.4s時(shí)，觸發(fā)信號(hào)關(guān)斷，使得電流斜線下降到0.1 p.u.。7）在1.6s時(shí)，整流器側(cè)的觸發(fā)延遲角被強(qiáng)制設(shè)置為166，逆變器側(cè)的觸發(fā)延遲角被強(qiáng)制設(shè)置為92，使得直流線路放

11、電。8）在1.7s時(shí)兩個(gè)變換器均關(guān)斷，變換器控制狀態(tài)為0.在本仿真中，控制狀態(tài)有七種：0表示關(guān)斷，1表示電流 控制，2表示電壓控制，3表示最小值限制，4表示最大值限制，5表示的設(shè)定值或者常數(shù)，6表示控制。4.3 直流側(cè)線路故障打開直流側(cè)斷路器DC Fault模塊，設(shè)置其在0.7s時(shí)導(dǎo)通，0.75s時(shí)斷開，接地時(shí)間為0.05s，將仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為1.4s。整流側(cè)相關(guān)波形如圖11，逆變側(cè)部分相關(guān)波形如圖12。圖11分析如下：直流側(cè)接地短路時(shí)，直流側(cè)電流激增到約2.2p.u.，直流側(cè)電壓降為0。通過直流側(cè)保護(hù)模塊的調(diào)制，參考電流下降到0.24pu，因此故障發(fā)生后，直流側(cè)仍有直流電流流通。在t=0.

12、772s時(shí)，觸發(fā)延時(shí)角被強(qiáng)制設(shè)為1660，整流器運(yùn)行在逆變狀態(tài)，直流側(cè)電壓變?yōu)樨?fù)值，存儲(chǔ)在直流線路中的能力轉(zhuǎn)而向交流系統(tǒng)輸送，導(dǎo)致故障電流在過零點(diǎn)時(shí)快速熄滅。t=0.822s時(shí)，觸發(fā)延時(shí)角強(qiáng)制1660解除。直流側(cè)電壓和電流在0.5s后恢復(fù)正常。圖11 整流側(cè)相關(guān)波形圖12逆變側(cè)相關(guān)波形 其中，圖11中從上到下分別為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓，標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流，以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角，整流器控制狀態(tài)。圖12中從上到下分別為標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓和直流側(cè)參考電壓，標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流，以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角，逆變器控制狀態(tài)，故障處的短路

13、電流，逆變側(cè)交流側(cè)三相電壓和電流。4.4 交流側(cè)線路故障取消直流側(cè)斷路器動(dòng)作，使逆變側(cè)斷路器在0.7s時(shí)導(dǎo)通，0.8s時(shí)斷開，接地時(shí)間為0.1s。逆變側(cè)的相關(guān)波形如圖14所示。圖13分析如下：故障導(dǎo)致直流電壓和直流電流出現(xiàn)了振蕩，故障開始時(shí)，逆變器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí)，因預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥關(guān)斷后，在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)加在該閥上的電壓為正時(shí)，又重新導(dǎo)通，即出現(xiàn)了換相失敗現(xiàn)象，直流電流激增到2pu。t=0. 8 s時(shí)清除故障，逆變側(cè)保護(hù)模塊將參考電流調(diào)節(jié)到0.3pu，經(jīng)0. 35 s后系統(tǒng)恢復(fù)正常。圖13 整流側(cè)相關(guān)波形圖14 逆變側(cè)相關(guān)波形其中，圖13中從上到下分別為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路

14、電壓，標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流，以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角，整流器控制狀態(tài)。圖14中從上到下分別為標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓和直流側(cè)參考電壓，標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流，以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角，逆變器控制狀態(tài)，最小熄弧角，故障處的短路電流，逆變器交流側(cè)線路故障時(shí)的三相電壓和電流。五、結(jié)論利用MATLAB的PSB及其它工具箱(如Simulink)，能方便準(zhǔn)確地對高壓直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)過程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模和仿真，且仿真時(shí)間短，可實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)的變化，便于直觀地分析系統(tǒng)性能，驗(yàn)證了HVDC模型的有效性。參考文獻(xiàn)1 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)M.北京：科學(xué)出版社，2010.2.2 徐政.高壓直流輸電與柔性交流輸電控制裝置M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.2.3 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)M.北京：中國電力出版社，2004.4 韓民曉，文俊，徐永海.高壓直流輸電系統(tǒng)的原理與運(yùn)行M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.5 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.5.6 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