第8章MATLAB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例

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recorded signals
Data Acquisition
DC line 300 km DC Fault
Master Control Master Control
0.5 H
+
A
Aa
B
Bb
-
C
Cc
Inverter
Binv
AC filters 50 Hz
Vactual Vm (pu)
Scope
A B C
Phasors pow ergui
Signal Processing
10 MW
Vabc_1 From
Mag abc
Pha
Sequence Analyzer (Phasor Type)
Scope1
图8-18
图8-19 仿真结果图
图8-20 未加SVC装置和加装SVC
Inverter Protection
Low AC Voltage Detection
Commutation Failure Preventio n Control
交流侧故障检测
减弱电压跌落导致的换相失 败
12⁃Pulse Firing Control Gamma Measurement
产生同步的12个触发脉冲 熄弧角测量
图8-12 SVC的伏安特性曲线
8.2.2 Simulink中的SVC模块介绍
1. SVC模块的基本功能 2. SVC模块的控制系统
图8-13 SVC模块示意图
信号序号 1~3
4 5
6
表8-5 SVC模块的输出信号
信号组 Power Iabc (cmplx)
Control
信号名称 Ia(pu) Ib(pu) Ic(pu)
1
6
4
2
0
0.6
0.7
0.8
0.9
1
t/s
1.1
1.2
1.3
1.4
1.1
1.2
1.3
1.4
gamma
alphaord (deg)
Id Idref lim(pu)
VdL Vdref (pu)
2
1
0
-1
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
3
2
1
0
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
8.3 晶闸管控制串联电容器(TCSC)的仿 真实例
8.3.1 TCSC基本原理与数学模型简介 8.3.2 Simulink中的TCSC模块介绍 8.3.3 利用TCSC提高系统输电容量的仿真模拟 8.3.4 TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟
图8-21 TCSC模块结构
图8-22 TCSC标幺值电抗( = / ) 随β变化的特性图
直流侧故障和交流侧故障检 测
DC Fault Protection
判断直流侧是否发生故障， 启动必要的动作清除故障
产生同步的12个触发脉冲
表8-2 逆变器控制和保护子系统包含的模块及作用
模块名称 Inverter Current/ Voltage/Gamma Controller
作用
逆变侧电压、电流、熄弧角 调节，与整流侧系统相同
10
1．7
关断变换器
alphaord (deg) Id Idref lim(pu) VdL Vdref (pu) Control Mode
VdL (pu)
Id Idref lim(pu)
1.5 1
0.5
0
-0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
1.5 1
0.5
0
-0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
200
100
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
6
4
2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
200
100
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
t/s
alphaord (deg)
Control Mode
c 2
1.4
200
150
100
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
100
50
0
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
t/s
alphaord (deg)
Control Mode
a)整流侧得到的相关波形
b)逆变侧得到的相关波形
图8-9 HVDC系统交流侧线路故障仿真波形图
Va
Vb
2 1 0 -1 -2 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
40 20
0 -20
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 t/s
Vc
图8-10 逆变器交流侧线路故障时三相电压和电流波形图
8.2 静止无功补偿器(SVC)的仿真实例
8.2.1 8.2.2 8.2.3
SVC的基本结构与工作原理 Simulink中的SVC模块介绍 SVC系统的仿真模拟
图8-11 SVC原理图
图8-8 HVDC系统直流线路故障仿真波形图(续) b)逆变侧得到的相关波形
VdL (pu)
Id Idref lim(pu)
1.5 1
0.5
0
-0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
3
2
1
0
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
200
100
0
0.6
0.7
0.8
0.9
phi = 80 deg. 3rd harm. A-G Fault
Di scre te , Ts = 5e-005 s.
图8-3 整流环节子系统结构
图8-4 整流器子系统结构
表8-1 整流器控制和保护子系统包含的模块及作用
模块名称 Rectifier Controller
Rectifier Protections 12⁃Pulse Firing Control
图8-5 滤波器子系统结构
图8-6 直流系统调节特性
8.1.4 HVDC系统的起停和阶跃响应仿 真
1)晶闸管在0.02s时导通，电流开始增大，在0.3s时达到最小稳 态参考值0.1p.u.，同时直流线路开始充电，使得直流电压为1.0 p.u.，整流器和逆变器均为电流控制状态。 2)在0.4s时，参考电流从0.1p.u.斜线上升到1.0p.u.(2 kA), 0.58s时 直流电流到达稳定值，整流器为电流控制状态，逆变器为电压 控制状态，直流侧电压维持在1p.u.(500kV)。 3)在0.7s时，参考电流出现-0.2p.u.的变化，在0.8s时恢复到设定 值。 4)在1.0s时，参考电压出现-0.1p.u.的偏移，在1.1s时恢复到设定 值。 5)在1.4s时，触发信号关断，使得电流斜线下降到0.1p.u.。
图8-23 TCSC模块示意图
Firing pulses
1A
[Ap]
[Am]
+
[Bp]
1 Demux [Bm]
P
[Cp]
Itcr
i -
[Cm]
[Ap]
v
+ -
g k
a g
k a
ThA+
ThA-
[Am]
2 cb
TCSC
2B
[Bp] ThB+
g k
a g
k a
v
+ -
ThB[Bm]
A1 4
B1 5
图8-24
5)直流平波电抗器，减小直流电压、电流的波动，受扰时抑制 直流电流的上升速度。
图8-1 单极大地回流直流输电系统的基本结构
8.1.2 HVDC系统的仿真模型描述
1. 线路的参数 2. 整流环节简介 3. 逆变环节简介 4.滤波器子系统简介
A B C A B C
EM: 500kV, 50 Hz 5000 MVA equivalent
作用
Voltage Regulator
电压调节，计算触发角
Gamma Regulator
计算熄弧角
Current Regulator
电流调节，计算触发角
Voltage Dependent Current Ord 根据直流电压值改变参考电
er Limiter
流值
Low AC Voltage Detection
2 1 0 -1 -2 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
2 1 0 -1 -2 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
t/s
Ic
Ib
Ia
40 20
0 -20
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
40 20
0 -20
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
动
作
电压参考值为1p．u．
变换器导通，电流增大 到最小稳态电流参考值
电流按指定的斜率增大 到设定值
参考电流值下降0．2 p．u．
参考电流值恢复到设定 值
参考电压由1p．u．跌落 到0．9p．u．
参考电压恢复到1p．u． 变换器关断
表8-3 系统控制参数随时间变化表
9
1．6
强迫设置触发延迟角到
指定值
a)整流侧得到的相关波形
b)逆变侧得到的相关波形
图8-7 HVDC系统的起停和阶跃响应仿真波形图
状态 0 1
2 3
表8-4 变换器控制状态及意义
意义 关断 电流控制
电压控制 α最小值限制
状态 4 5
6
意义 α最大值限制 α的设定值或者
常数
γ控制
图8-8 HVDC系统直流线路故障仿真波形图 a)整流侧得到的相关波形
第8章 MATLAB在高压直流输电及柔性 输电中的仿真实例
8.1 8.2 8.3
8.1
高压直流输电系统的仿真实例 静止无功补偿器(SVC)的仿真实例 晶闸管控制串联电容器(TCSC)的仿真实例
高压直流输电系统的仿真实例
8.1.1 HVDC系统的基本结构与工作原理 8.1.2 HVDC系统的仿真模型描述 8.1.3 HVDC系统的调节特性 8.1.4 HVDC系统的起停和阶跃响应仿真 8.1.5 HVDC系统直流线路故障仿真 8.1.6 HVDC系统交流侧线路故障仿真
图8-15 SVC模块控制参数设置对话框
图8-16 SVC控制系统框图
8.2.3 SVC系统的仿真模拟
1)0~0.2s时电压源幅值为1.0p.u.。 2)0.2~0.5s时电压源幅值为0.94p.u.。 3)0.5~0.8s时电压源幅值为1.06p.u.。 4)0.5~1.0s时电压源幅值为1.0p.u。
图8-17 具有并联补偿设备的简单系统
A
aA
N
B
bB
C
cC
110 kV
Ui
A
A
aA
B
B
bB
C
C
cC
L = 50km
Uj
A B SVC m C
SVC (Phasor type)
2 <B (pu)> <Vm (pu)> <Q (pu)> Bus
Selector
B1 pu/100 MVA V1
Bactual Bcontrol (pu/100 MVA)
Vm (pu)
Control
B (pu)
Control
Q (pu)
定义 输入SVC的相电流Ia、 Ib、Ic，单位p．u．
测量到的正序电压 （单位p．u．）
SVC的电纳输出（单 位p．u．），正值为 容性
SVC的无功功率输出 （单位p．u．），正 值为感性
图8-14 SVC模块功率数据参数设置对话框
6)在1.6s时，整流器侧的触发延迟角被强制设置为166°，逆变 器侧的触发延迟角被强制设置为92°，使得直流线路放电。 7)在1.7s时两个变换器均关断，变换器控制状态为0。
序号 1 2
3
4
5
6
7 8
表8-3 系统控制参数随时间变化表
时 刻/s 0 0．02
0．4
0．7
0．8
1．0
1．1 1．4
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
200
100
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
6
4
2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
t/s
gamma
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
0.2
8.1.1 HVDC系统的基本结构与工作原 理
1)换流变压器，其一次绕组与交流电力系统相连，其作用是将 交流电压变为桥阀所需电压。 2)换流器C1、C2，由晶闸管组成，用做整流和逆变，实现交流 电与直流电之间的转换。 3)滤波器，交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。 4)无功补偿装置，换流器在运行时需要从交流系统吸引大量无 功功率，在稳态时吸收的无功功率约为直流线路输送有功功率 的50%，因此，在换流器附近应有无功补偿装置为其提供无功 电源。
600 Mvar
Inverter Control and Protection
HVDC 12-pulse Transmission System 1000 MW (500kV-2kA) 50 Hz
图8-2
EN: 345kV, 50 Hz, 10,000 MVA equivalent
A
A
A
B
B
B
C
C
C
A
A
A
B
B
B
C
C
C
phi = 80 deg. 3rd harm.
aA bB cC Brect
A
+
B
C
-
Rectifier