基于MATLAB/Simulink的高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真研究

邵杰

(曲阜師范大學(xué) 電氣信息與自動(dòng)化學(xué)院，山東 日照 276826)

0 引言

高壓直流輸電HVDC(High Voltage Direct Current)是電力電子技術(shù)介入電能輸送的典型實(shí)例。隨著電力系統(tǒng)需求的增加以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓直流輸電憑借其特有的輸電優(yōu)勢(shì)得到迅速發(fā)展。由于我國(guó)能源產(chǎn)地與電力需求地區(qū)分布極度不平衡，西電東送及南北互聯(lián)成為我國(guó)電力能源配置的重要方式。因此，研究HVDC結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理以及控制方法，進(jìn)行HVDC仿真計(jì)算，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性非常必要[1]。

MATLAB軟件中的 Simulink給用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的模型接口，與傳統(tǒng)的仿真軟件相比，具有更直觀、方便和靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)(SimPowerSystem)包含了各種交/直流電源、大量電氣元器件和電工測(cè)量?jī)x表以及分析工具等。利用這些模塊可以模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的各種狀態(tài)，并進(jìn)行仿真和分析[2]。利用 MATLAB軟件的 Simulink工具箱及SimPowerSystem模塊庫(kù)，能方便的對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行建模和仿真，可避免復(fù)雜的暫態(tài)計(jì)算和分析，便于直觀的分析系統(tǒng)的性能。

本文簡(jiǎn)要介紹了高壓直流輸電的基本原理，建立了基于MATLAB的 HVDC仿真模型，整流側(cè)采用定電流調(diào)節(jié)方式，并附加了最小觸發(fā)角限制，針對(duì)整流器交流側(cè)發(fā)生單相接地、兩相接地、三相短路故障以及直流線路發(fā)生接地故障的情形，分別進(jìn)行了仿真和分析。

圖1 直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1 HVDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

HVDC系統(tǒng)由換流站和直流線路組成。根據(jù)直流導(dǎo)線的正負(fù)極性，HVDC分為單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和同極系統(tǒng)。直流輸電系統(tǒng)由換流(逆變)站、接地極、接地極線路和直流送電線路構(gòu)成。換流站是用于聯(lián)接交流側(cè)和直流側(cè)的裝置，也就是供交流電與直流電間進(jìn)行變換的換流裝置。如圖1所示。換流裝置由換流變壓器、換流器、控制極觸發(fā)裝置、控制保護(hù)裝置及其它輔助裝置等構(gòu)成。直流線路與交流線路一樣，由導(dǎo)線、地線、絕緣子、金具、桿塔、基礎(chǔ)和接地裝置等組成。地線、基礎(chǔ)、接地裝置的設(shè)計(jì)與交流一樣。

2 HVDC系統(tǒng)的仿真模型

采用MATLAB中的Simulink模塊進(jìn)行仿真，建立了一個(gè)12脈沖的HVDC仿真模型，如圖2所示。在圖中的仿真模型中，通過(guò)1 000 MW(500kV，2 kA)的直流輸電線路從一個(gè)500kV、5 000 MV·A、60 Hz的電力系統(tǒng)A向另一個(gè)345kV、10 000 MV·A、60 Hz的電力系統(tǒng)B輸送電力。整流橋和逆變橋均由兩個(gè)通用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次和更高次諧波等單調(diào)支路，總共提供600 Mvar的容量[3]。

圖2 單極12脈沖的HVDC仿真模型圖

整流環(huán)節(jié)子系統(tǒng)，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－Δ形聯(lián)接，變換器變壓器的抽頭用一次繞組電壓的倍數(shù)(整流器選0.90，逆變器選0.96)來(lái)表示。

逆變環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整流環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似。

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 kp±1(交流側(cè))和 kp(直流側(cè))次諧波，其中 k為任意整數(shù)。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)電路。在基頻下，交流濾波器還向整流器提供無(wú)功功率[4]。仿真模型中的“濾波器子系統(tǒng)”如圖3所示。

圖3 濾波子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除了以上介紹的子系統(tǒng)外，圖2“主控制(Master Control)”子系統(tǒng)用來(lái)產(chǎn)生電流參考信號(hào)并對(duì)直流側(cè)功率輸送的起始和結(jié)束時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。兩個(gè)斷路器模塊分別用來(lái)模擬整流器直流側(cè)故障和逆變器交流側(cè)故障。

3 HVDC系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析

HVDC系統(tǒng)包含整流器交流側(cè)線路和逆變器交流側(cè)線路，常見(jiàn)故障類型包括單相接地、兩相短路、三相短路等。此次故障仿真以交流側(cè)a接地故障為例來(lái)介紹，其他故障類型可參照進(jìn)行。打開(kāi)直流側(cè)并聯(lián)的斷路器模塊，取消斷路器導(dǎo)通動(dòng)作;打開(kāi)逆變器交流側(cè)短路器模塊，使短路器在0.75 s時(shí)導(dǎo)通，在0.85 s時(shí)斷開(kāi)。

如圖4表示整流側(cè)得到的相關(guān)波形，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)延遲觸發(fā)角、整流器控制狀態(tài)。

如圖5所示為逆變側(cè)得到的相關(guān)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。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在闡述高壓直流輸電特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)建立高壓直流輸電一次系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)直流輸電控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)及控制原理建立換流器觸發(fā)控制仿真模型，并對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到了正確的仿真結(jié)果。

[1]常浩.我國(guó)高壓直流輸電工程國(guó)產(chǎn)化回顧及現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù)，2004，30(11):3 －4，36.

[2]張智涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]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.

[4]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.