高压直流输电系统建模与仿真

高压直流输电系统建模与仿真

【摘要】本文介绍了高压直流输电系统的基本原理，整流测采用定电流控制方式，建立了基于MATLAB/Simulink的高压直流输电系统仿真模型，对高压直流输电系统正常运行时电压、电流进行仿真分析，同时通过对交流系统以及直流线路短路故障的仿真分析，验证了所建立仿真模型的合理性。仿真结果表明，该方法能较准确地观测暂态过程高压直流输电系统的动态性能。

【关键词】高压直流输电HVDC MATLAB建模与仿真暂态分析

一、引言

高压直流输电技术是电力电子技术在电力系统输电领域中应用最早同时也是较为成熟的技术。高压直流输电由整流器、高压直流输电线路以及逆变器三部分构成。到目前为止，工程上绝大部分直流输电的换流器由半控型的晶闸管器件组成，称采用这种换流器的直流输电为常规高压直流输电。

在高压直流输电系统中有三个原因使得他的暂态过程变的非常复杂：工程实际中每个换流阀的触发角

为离散变量；触发角和换相电压在高压直流输电系统的暂态过程中不断变化；长距离直流输电线路具有分布参数特性，需要考虑他的电压、电流过程。所以，如果要准确的计算直流输电系统的暂态过程，就必须要求解包含连续变量和离散变量的常微分方程和偏微分方程。这个过程原理很简单，但是计算的工作量却非常大[1]。传统的仿真软件主要包括微分方程和差分方程，MATLAB 软件中的Simulink 给用户提供了用方框图进行建模的模型接口，和传统的仿真软件相比具有更直观、灵活和方便的优点。Simulink中的电力系统模块库包含了多种交/直流电源、大量电工测量仪表和电元器件以及各种分析工具等。利用这些模块我们就可以模拟电力系统运行和故障的每个状态，从而进行仿真和分析。[2]

本文建立了基于MATLAB 的HVDC 仿真模型，整流侧采用定电流调节方式，并附加了最小触发角限制，对高压直流输电系统正常运行模式进行仿真分析，并针对逆变器交流侧发生单相接地、两相接地、三相短路故障以及直流线路发生接地故障的情形，分别进行了仿真和分析。

二、HVDC系统仿真模型

在MATLAB/Simulink环境下，利用电力系统模块

（SimPowerSystem）中的仿真模块对HVDC系统及控制器建立仿真模型。这里用双桥12脉动晶闸管变换器实现对HVDC系统的建模[2]。

其中，500kV、5000MV A、60Hz的交流系统通过1000MW的直流联络线与345kV、10000MV A、50Hz 的交流系统相连。两个交流系统相角均为，均含有3次谐波。送端频率为60Hz，受端频率为50Hz。两个变换器通过300km的线路和0.5H的平波电抗器连接起来。其中线路每公里电阻值为，电感值为0.792mH，电容值为。四个断路器模块通过1欧姆电阻接地，分别用来整流器直流侧故障和逆变器交流侧故障。

“滤波器”子系统中，交流滤波器电路由150Mvar 的无功补偿设备，高Q值（100）的11次和13次单调谐滤波器，低Q值（3）的高通滤波器组成。

整流器模型中，换流变压器采用三相绕组变压器，整流测绕组一个为星型接线，另一个为三角形接线，从而使两个六脉动换流器的交流侧得到相位差为的换相电压。输出的直流电流换算为标幺值表示。逆变器模型与整流器模型类似。

三、HVDC仿真结果分析

基于所建模型，分别对系统稳态、直流线路接地故障、逆变侧a相接地故障，两相接地（a、b相接地）

和三相接地故障的情况进行仿真，仿真时间为1.4s，结果如下。

（一）稳态系统波形

运行仿真后，经过观察系统启动经过一段时间后能够稳定运行。稳态后，直流电压为1.0 p.u.，直流电流为1.0 p.u.。稳态情况下，在0.7s时刻设定电流指令值跌倒0.8 p.u.，0.8秒时恢复至1.0 p.u.。直流侧电流在0.7s开始跌落至0.8p.u.，0.8s开始上升至1.0p.u.，实际电流值按照电流指令值响应的变化。

（二）直流线路故障

首先把直流侧断路打开，设置其在0.8s时导通，0.85s时断开，接地时间是0.05s，接地的电阻是1欧姆。接下来进行故障设置，发生故障时直流侧电流会激增到2.2p.u.，直流侧电压会降为0。通过调制VDCOL 的子系统，参考电流就会下降到0.3p.u.，所以在故障发生时，直流侧仍然有电流通过。当t=0.87s时，整流器的运行为逆变状态。在此之后直流侧电压为负值，把线路上的能量反送到交流系统，这样直接导致故障电流在通过零点时很快熄灭。当t=0.92s时，解除触发延迟角的强制值，额定电流电压就会在0.5s后恢复正常了。

四、总结

随着高压直流输电技术在电网中发挥的作用越来越重，如何提高系统运行的安全性和可靠性也成为亟待解决的问题。因此，对HVDC系统的暂稳态仿真对电力系统的研究、规划、设计和运行等起着重要作用。本文利用MATLAB的Simulink及PSB对高压直流输电系统进行仿真，能方便准确的反应HVDC系统的稳态特性和暂态过程的动态特性并可实时显示系统各参数的变化，且仿真时间段，仿真效果比较理性。

参考文献：

[1]夏道止.电力系统分析（下册）[M].北京：水利电力出版社，1995

[2]王晶，翁国庆，张有兵.电力系统的

MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008

[3]韩民晓，文俊，徐永梅.高压直流输电原理与运行（第2版）.北京：机械工业出版社，2012