基于MATLAB_Simulink的高压直流输电系统的建模及仿真研究2222

对 ＨＶＤＣ 系统的启动及直流线路对地短路故障进行了仿真， 动态过
程中整流侧直流线路电压 Ｕｄ， 电流 Ｉｄ 和参考电流 Ｉｄｒｅｆ， 触发角 ! 和故障电 流参数仿真曲线见图 ３。
（ １） 启动仿真。将逆变侧直流电压置为 ２３６ ｋＶ， ! 初值设为 ９０°。在
０～０．２ ｓ， 给定电流参考值（ 标幺值） 从 ０．２ 线性上升到 １， 通过电流调节器
参考文献 ［ １］ 李 尘．基 于 ＤＳＰ 的 直 流 输 电 系 统 动 态 模 拟 数 字 化 控 制 研 究［ Ｄ］ ．上 海：上海交通大学， ２００５． ［ ２］ 赵畹君．高压直流输电工程技术［ Ｍ］ ．北京： 中国电力出版社， ２００４． ［ ３］ 沈辉．精通 ＳＩＭＵＬＩＮＫ 系统仿真与控制［ Ｍ］ ．北京： 北京大学出版社， ２００３．
ＡＢＳＴＲＡＣＴ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ， ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｅｄ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ， ａｎｄ ｌｏｏｋｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ： ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｏｉｌ； ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｇａｓ； ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
２ ＨＶＤＣ 建模
本文利用 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 和 Ｓｉｍ－ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ 相结合的方法， 建立直流输 电 及 其 控 制 系 统 的 仿 真 模 型 ， 所 用 模 块 均 为 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 及 Ｓｉｍ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ 中的标准模块， 见图 ２。
图 １ 单极直流输电系统的典型结构图
３ "
Ｘｒ１Ｉｄ）
＝１ ×（ １．３５
×２１０ ×ｃｏｓ１９°－
３ "
×９．４２ ×２）
＝
２５０．１（ ｋＶ）（ 仿真中取 ２５０ ｋＶ）
式中， Ｎ１ 为整流站每极中的 ６ 脉动换流器数， 本文模型取 １； Ｕ１ 为整 流站换流变压器阀侧空载线电压有效值， ｋＶ； Ｘｒ１ 为整流站每相的换相电 抗， #， 此处取为换流变压器的漏抗： Ｘｒ１＝"ＬＢ＝２"×５０×０．３＝９．４２ $。
逆变侧直流电压：
Ｕｄ２＝Ｕｄ１－ Ｉｄ·Ｒ＝２５０－ ２×７＝２３６ （ ｋＶ） 式 中 ， Ｒ 为 直 流 回 路 电 阻 ， 主 要 包 括 直 流 线 路 电 阻（ ０．０１５ Ω／ｋｍ） 、平
波电抗器电阻（ ０．５ Ω） 等。本模型中 Ｒ＝７ Ω， 所以逆变侧电压等效为 ２３６
ｋＶ 的电压源。
随着我国西电东送力度的加大和全国几个大区域电网之间的互联， 将 会 有 越 来 越 多 的 直 流 输 电 工 程 投 入 使 用 。对 于 高 压 直 流 输 电 系 统 的 研 究、设计和运行来说， 高压直流输电（ ＨＶＤＣ） 系统的暂态仿真发挥着重要 作用。ＭＡＴＬＡＢ 中 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 和 Ｓｉｍ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ 使得 ＨＶＤＣ 的建模及仿 真简单易行。
１ ＨＶＤＣ 的结构及原理
ＨＶＤＣ 系 统 由 换 流 站 和 ＨＶＤＣ 线 路 组 成 ， 主 要 包 括 换 流 器（ 有 整 流 器和逆变器） 、直流平波电抗器、交直流滤波器、无功补偿装置、直流输电 线路及电极。它有多种接线方式（ 如单极和双极） 。图 １ 是一个单极联络 线系统的结构图。
直流输电系统是一种高度可控的输电系统， 可通过控制换流站中整 流器的触发延迟角 ! 和逆变器的逆变角 " 来控制电压、电流和输送功 率。一般情况下， 在换流站采用的控制方式是整流侧采用定直流电流控 制来保持直流线路电流恒定， 直流电压则靠逆变器的控制来维持。
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控制 ! 角， 输出电流随着上升， 跟随性良好， 并且启动电压也比较平稳。
见图 ３（ ａ） 和图 ３（ ｂ） 。
（ ２） 直流线路单极对地短路故障仿真。在 ０．５５ ｓ， 直流线路单极对地
短 路（ 图 ３（ ｄ） ） ， 电 流 实 际 值 瞬 时 增 大 ， 在 ＰＩ 电 流 调 节 器 的 作 用 下 ， ! 角
该结构主要分 ４ 部分： （ １） 子系统Ⅰ。为了简化， 交流系统整流器侧子系统由电感和电阻组 成。通过交流滤波器滤除谐波后， 经换流变压器供给交流总线整流器。换 流变压器通 常 采 用 Ｙ／Ｙ 或 Ｙ／Δ连 接 。 换 流 器 阀 桥 可 以 是 ６ 脉 波 或 者 是 １２ 脉波的高压晶闸管桥。 （ ２） 子系统Ⅱ。整流器通过一个平波电抗器连接到直流输电线路， 同 时连接直流谐波滤波器以防止直流电压的波动。 （ ３） 子系统Ⅲ。除了连接在逆变器和直流电连线之间外， 它等同于子 系统Ⅱ。 （ ４） 子系统Ⅳ。逆变器侧交流系统的特征与整流器侧吻合， 所使用的 滤波器也相同， 但是电压等级和短路电流比不同。
时恢复。由电流曲线图 ３（ ａ） 可见电流实际值跟随效果好， 直流电压（ ， 在 ＰＩ 调 节 下 ， 触 发 角 ! 有 所 增 大 ， 可 见 系 统 控 制 效 果
良好。
由于本模型没设直流滤波器， 所以 Ｉｄ 和 Ｕｄ 谐波成分较大。
４ 结语
从以上分析可知， 应用 ＭＡＴＬＡＢ 的 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 及电力系统工具箱 Ｓｉｍ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ 可以方便地对高压直流输电系统进行建模仿真。模型能较
额定容量为 ６００ ＭＶＡ） ， 再经过 ６ 脉波整 流 器 整 流 （ 整 流 输 出 电 压 ２５０
ｋＶ， 电流 ２ ｋＡ） 后用 ４００ ｋｍ 的直流线路传输到逆变侧。整流、逆变侧各用
一个 ０．５ Ｈ 的平波电抗器。
考虑变压器漏感的影响， 整流输出电压：
Ｕｄ１＝Ｎ１ （
１．３５Ｕ１ｃｏｓ! －
图 ２ 高压直流输电系统的 ＭＡＴＬＡＢ 模型
为了简化模型， 本文将逆变侧等效为一个恒定电压源， 并且省略了 直 流 滤 波 器 。交 流 滤 波 器 由 电 容 器 组 、单 调 谐 滤 波 器 和 高 通 滤 波 器 组 成 ， 用单调谐滤波器吸收 ５， ７， １１ 次（ ６ｎ±１ 次） 谐 波 ， 用 高 通 滤 波 器 吸 收 高 次 谐波。换流器所需无功功率也由该滤波器提供。换流变压器采用 Ｙ／Δ连 接。整流器阀桥采用 ６ 脉波高压晶闸管桥， 整流桥的触发脉冲采用标准 模块同步 ６ 脉冲发生器。整流侧控制系统采用经典的 ＰＩ 控制， 产生一个 ! 角的调制量来改变同步 ６ 脉冲发生器触发脉冲， 从而调节输出电流， 使 Ｉｄ 等于给定电流 Ｉｄｒｅｆ。整流侧控制系统可以方便地集成一个模块， 如果改 变控制策略， 只需将该模块替换即可。
（ 责任编辑： 白尚平）
─────────────── 第一作者简介： 杜欣慧， 女， １９６５ 年 ５ 月生， １９８９ 年毕业于太原理工
大学， 教授， 太原理工大学电气与动力工程学院， 山西省太原市迎泽西大 街 ７９ 号， ０３００２４．
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｄｅｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄ Ｃ Ｔｒ ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
３ 实例仿真及分析
下面对一个 ６ 脉冲桥 ＨＶＤＣ 系统进行暂稳态仿真和分析。整流侧交
流 系 统 为 一 个 ３１５ ｋＶ， 频 率 为 ５０ Ｈｚ 的 交 流 网 络 （ 短 路 容 量 ５ ０００
ＭＶＡ） ， 通 过 一 个 ３１５／２１０ ｋＶ（ 变 比 为 ０．６６６ ７） 的 换 流 变 压 器（ Ｙ／Δ连 接 ，
增大到最大值， 整流侧的晶闸管立即闭锁， 电压降至零， 从而直流电流也
下 降 为 零 。 在 ０．５８ ｓ 故 障 电 弧 熄 灭 ， 系 统 恢 复 ， 此 时 电 流 实 际 值 经 过 约
０．０５ ｓ 又整定在给定值。
正常运行阶段时， 在 ｔ＝０．３ ｓ 时参考电流产生一个阶跃下 降 ， ｔ＝０．４ ｓ
ｆａｕｌｔ Ｉ ／Ａ
２
Ｉｄ ＆ Ｉｄｒｅｆ（ ｐｕ）
１
０
! 角（／ ）°
－１ ０
２００ １５０ １００ ５０
０ ０
２
０．２
０．４
０．６
０．８
１．０
（ ａ） ｔ／ｓ
０．２
０．４
０．６
０．８
１．０
（ ｂ） ｔ／ｓ
ＶｄＬ（ ｐｕ）
１
０
－１ ０
４ ０００ ２ ０００
０ － ２ ０００
０
０．２
０．４
０．６
０．８
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杜欣慧， 宫改花， 戴云航， 廉巍巍 基于 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的高压直流输电系统的建模及仿真研究 本刊 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 科技研讨
为避免 ＨＶＤＣ 系统在启动过程中产生过电压， 模型模拟依靠电流调 节器逐渐升压的 ＨＶＤＣ 启动方式。! 初值设为 ９０°， 逆变侧电压设为一定 值， 并且给定电流信号为一个逐渐上升的电流值。为模拟直流线路对地 短路故障， 在整流侧的直流线路端接一个断路器模块， 其中自带定时器， 可以定义故障发生与消除时间。最后， 通过电流、电压测量模块和示波器 配合来观测电流， 电压及 ! 角等参数的变化曲线。
杜欣慧， 宫改花， 戴云航， 廉巍巍
（ 太原理工大学电气与动力工程学院， 山西太原， ０３００２４）
摘 要： 分析了高压直流输电（ ＨＶＤＣ） 系统的结构和原理， 建立了一个 ６ 脉冲桥 ＨＶＤＣ
系统模型并进行了仿真。
关键词： 高压直流输电系统； ＭＡＴＬＡＢ； 建模； 仿真