基于Matlab的直流输电系统动态特性分析(DOC).doc

HVDC与FACTS技术
基于Matlab的直流输电系统动态特性分析与仿真

学 院 自动化学院
专 业 电气工程 __
（电力系统运行与规划）
年级班别 14级电气4班
学 号 2111404004
学生姓名 张妍
指导教师 郭壮志

2015 年5 月14日
一、 引言
与交流输电相比，高压直流输电(HVDC)具有线路输送容量大、造价低、损耗小、电力系统间的非同步联网能力强等优点，而且，直流输电不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大容量送电。
自从20世纪80年代末以来，中国高压直流输电技术的研究和发展取得了突飞猛进的提高，目前已投运10个直流输电工程,包括舟山、葛南、天广、三常等工程。为实现“西电东送”的战略规划，中国正在积极推进包括±660 kV、±800 kV、±1 000 kV特高压HVDC工程的建设。近期中国规划发展的HVDC工程主要包括内蒙及陕甘宁地区的煤电通过高压直流或特高压直流向京津塘、山东等地输电，四川水电向华东、华中地区特高压直流输电等。
在此背景下，研究HVDC的结构、运行原理及控制方法，对HVDC进行建模与仿真，分析系统的稳态、动态特性等显得非常重要。本文利用Matlab中Simulink对HVDC进行建模，并在此模型基础上进行了系统的稳态、直流线路故障、逆变器交流侧a相接地故障仿真，得出相应的仿真波形，验证了HVDC模型的有效性。

二、HVDC的基本结构与工作原理
HVDC的基本工作原理如图1所示，简单的HVDC输电系统包括两个换流站、直流输电线路以及两端的交流系统。换流站1运行于整流状态，将交流系统1输送来的三相交流电整流成直流电，通过直流输电线路传送到换流站2，换流站2工作于逆变状态，将直流电逆变成三相交流电。

图1 HVDC的基本工作原理

换流站是HVDC的核心设备。换流站的主要设备如图2所示：

图2换流站主接线

图2中主要设备如下：
(1) 换流变压器 把交流系统电压变为换流桥所需的交流电压。
(2) 换流桥(阀桥) ac→dc或dc→ac的变流设备。
(3) 直流(平波)电抗器 减少直流电压及电流的波动，受扰时抑制直流电流上升速度。
(4) 直流滤波器组 直流侧滤波用，单桥时为6n次谐波，双桥时为12n次谐波(n =1,2,…)。
(5) 交流滤波器组 交流侧滤波用，一般单桥时为6n±1次谐波，如5，7，11，13次及高周；双桥时为12n±1次谐波如11，13次及高周。
(6) 无功补偿设备 提供直流系统运行所需的无功功率，并作电压调节用。可采用电容器组、调相机或静止无功补偿器(SVC)。

三、HVDC仿真模型
图3中，500KV、5000MVA、50HZ的交流输电系统(EM)通过1000MW的直流输电线路与345KV、10000MVA、50HZ的交流输电系统(EN)相连。两个交流输电系统的相角为80度，基频为50HZ，并带有3次谐波。输电线路为300Km，线路电阻为0.015Ω, 线路电感为0.792， 线路电容为14.4n;EM侧线路电阻为26.07Ω，线路电感为48.86mH；EN侧线路电阻为6.205Ω，线路电感为13.96mH；两端均接0.5H的平波电抗器。整流桥和逆变桥均由两个通用的6脉冲桥搭建而成。交流滤波器直接接在交流母线上，它包括11次、13次和更高谐波等单调支路，总共提供600Mvar的容量。两个断路器模块分别为模拟整流器直流侧故障和逆变器交流测故障。

图3 HVDC仿真模型图

3.1整流环节
双击图3中的“整流环节”子系统，如图4所示。其中，变换器变压器使用三相三绕组变压器模块，接线方式为Y0-Y-∆来联结，变换器变压器的抽头用一次绕组电压的倍数（整流器选0.90，逆变器选0.96）来表示。
图4整流环节子系统结构

双击图4中的“整流器”子系统，打开后如图5所示其中，整流器是用两个通用桥模块串联而成的12脉冲变换器。

图5整流器子系统结构

3.2逆变环节
双击图3中的“逆变环节”子系统，如图6所示。与“整流环节”子系统结构相似，在此不再赘述。

图6逆变环节子系统结构

3.3滤波环节
从交流侧看，HVDC变换器相当于谐波电流源；从直流侧看，HVDC变换器相当于谐波电压源。交流侧和直流侧包含的谐波次数由变换器的脉冲路数p决定，分别为kp±1(交流侧)和kp（直流侧）次谐波，其中k为任意整数。对于本节的仿真而言，脉冲为12路，因此交流侧谐波分量分别为11次、13次、23次、25次……直流侧谐波分量为12次、24次……。
为了抑制交流侧谐波分量，在交流侧并联了交流滤波器。交流滤波器为交流谐波电流提供低阻抗并联通路。在基频下，交流滤波器还向整流器提供无功。双击图3中的“滤波器”子系统，如图7所示。可见，交流滤波器电路由150Mvar的无功补偿设备、高Q值（Q=100）的11次和13次单调谐滤波器，低Q值（Q=3）的减幅高通滤波器（24次谐波以上）组成。

图7滤波器子系统结构

四、仿真结果分析
基于图3所示的HVDC模型，分别对系统稳态、直流线路故障、逆变侧a相接地故障的情况进行仿真，仿真结果如下。
4.1 稳态系统波形
仿真后的电压和电流波形如图8所示。图中表示直流侧线路电压，和分别表示直流侧线路电流和实际参考电流，均为标幺值，alpha为整流器的触发延迟角。可见，系统经过一段时间后能够稳定运行。稳态后，直流电压为1pu，直流电流为1pu。

图8 稳态系统直流侧波形

4.2 HVDC系统的起停和阶跃响应仿真波形
打开整流器示波器，得到电压和电流波形如9所示。波形从上到下依次为以标幺值表示的直流侧线路电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，整流器控制状态。

图9 整流侧相关波形

打开逆变器示波器，得到电压和电流波形如10所示。波形从上到下依次为以标幺值表示的直流侧线路电压和直流侧参考电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，逆变器控制状态，熄弧角参考值和最小熄弧角。

图10逆变侧相关波形

结合图9和图10可以得出其仿真的大致过程如下：
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1.0p.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1.0 p.u.（2KA），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1 p.u.（500KV）。在稳定状态下，整流器的触发延迟角在16.5°附近，逆变器的触发延迟角在143°附近。逆变器子系统还对两个6脉冲的各个晶闸管的熄弧角进行测量，熄弧角参考值为12°，稳态时，最小熄弧角在22°附近。
3）在0.7s时，参考电流出现-0.2 p.u.的变化，在0.8s时恢复到设定值。可见系统的阶跃响应。
4）在1.0s时，参考电压出现-0.1 p.u.的偏移，在1.1s时恢复到设定值。可见系统的阶跃响应，此时逆变器的熄弧角仍然大于参考值，
5）在1.1s时，整流器为α最小值限制控制状态，逆变器仍为电压控制状态。
6）在1.4s时，触发信号关断，使得电流斜线下降到0.1 p.u.。
7）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。
8）在1.7s时两个变换器均关断，变换器控制状态为0.
在本仿真中，控制状态有七种：0表示关断，1表示电流 控制，2表示电压控制，3表示α最小值限制，4表示α最大值限制，5表示α的设定值或者常数，6表示γ控制。
4.3 直流侧线路故障
打开直流侧断路器DC Fault模块，设置其在0.7s时导通，0.75s时断开，接地时间为0.05s，将仿真结束时间设置为1.4s。整流侧相关波形如图11，逆变侧部分相关波形如图12。图11分析如下：直流侧接地短路时，直流侧电流激增到约2.2p.u.，直流侧电压降为0。通过直流侧保护模块的调制，参考电流下降到0.24pu，因此故障发生后，直流侧仍有直流电流流通。在t=0.772s时，触发延时角被强制设为1660，整流器运行在逆变状态，直流侧电压变为负值，存储在直流线路中的能力转而向交流系统输送，导致故障电流在过零点时快速熄灭。t=0.822s时，触发延时角强制1660解除。直流侧电压和电流在0.5s后恢复正常。

图11 整流侧相关波形

图12逆变侧相关波形

其中，图11中从上到下分别为以标幺值表示的直流侧线路电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，整流器控制状态。图12中从上到下分别为标幺值表示的直流侧线路电压和直流侧参考电压，，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，逆变器控制状态，故障处的短路电流，逆变侧交流侧三相电压和电流。
4.4 交流侧线路故障
取消直流侧断路器动作，使逆变侧断路器在0.7s时导通，0.8s时断开，接地时间为0.1s。逆变侧的相关波形如图14所示。图13分析如下：故障导致直流电压和直流电流出现了振荡，故障开始时，逆变器两个阀进行换相时，因预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，又重新导通，即出现了换相失败现象，直流电流激增到2pu。t=0. 8 s时清除故障，逆变侧保护模块将参考电流调节到0.3pu，经0. 35 s后系统恢复正常。

图13 整流侧相关波形

图14 逆变侧相关波形

其中，图13中从上到下分别为以标幺值表示的直流侧线路电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，整流器控制状态。图14中从上到下分别为标幺值表示的直流侧线路电压和直流侧参考电压，，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，逆变器控制状态，最小熄弧角，故障处的短路电流，逆变器交流侧线路故障时的三相电压和电流。
五、结论
利用MATLAB的PSB及其它工具箱(如Simulink)，能方便准确地对高压直流输电系统暂态过程中的动态特性进行建模和仿真，且仿真时间短，可实时显示各参数的变化，便于直观地分析系统性能，验证了HVDC模型的有效性。

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