基于MATLAB的高壓直流系統(tǒng)直流線路故障仿真分析

中國(guó)海洋大學(xué) 劉 萌

1 引言

高壓直流輸電具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先可以應(yīng)用在電能傳輸距離較遠(yuǎn)的地方，還能夠?qū)τ泄β蔬M(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)負(fù)荷的需求，因此能夠在世界各國(guó)地區(qū)迅速流行起來(lái)，在功率較高相距較遠(yuǎn)的領(lǐng)域以及海底下電纜輸送電能等運(yùn)用十分常見(jiàn)，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：

（1）由于直流線路上電壓處處相等，所以電容在直流線路上可以忽略其作用，而對(duì)于交流相同時(shí)，由于電容的作用，線路上電壓值變得不盡相同，所以在交流輸電系統(tǒng)中需要裝設(shè)的電抗器在直流系統(tǒng)中則不再需要，大大降低了成本。

（2）由于交流和直流輸電的不同，它會(huì)因?yàn)楣ぷ鳈C(jī)組之間的功角之間的不平衡問(wèn)題而對(duì)同步機(jī)間的電抗值的大小有所影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行有所影響，而直流輸電沒(méi)有上述功角兩者之間存在的平衡問(wèn)題，它可以在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)達(dá)到輸電路線的物理極限，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了較大程度的維持與保證。

（3）直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)可以進(jìn)行互相聯(lián)網(wǎng)，這樣做對(duì)于當(dāng)兩者短路故障發(fā)生時(shí)，容量值大小不會(huì)受到影響，兩者進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，也可以對(duì)故障發(fā)生時(shí)波及的范圍有一定的縮小作用。如果當(dāng)兩個(gè)交流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，則情況截然相反，發(fā)生系統(tǒng)短路時(shí)的容量會(huì)迅速變大，且會(huì)對(duì)斷路器的重新選擇上造成一定的困難。由此可見(jiàn)，對(duì)于已經(jīng)存在的巨大的交流網(wǎng)絡(luò)而言，可以通過(guò)采用直流輸電來(lái)進(jìn)行互相聯(lián)網(wǎng)，將巨大的系統(tǒng)分割成相對(duì)獨(dú)立的小的系統(tǒng)，不但可以有效減少短路是系統(tǒng)的容量值，還可使得整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得到了大幅度提升[2]。

（4）對(duì)于直流輸電而言，能夠?qū)ο到y(tǒng)潮流進(jìn)行有效而迅速的控制是它的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這能夠幫助提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。由于變換電路是以開(kāi)關(guān)元件為主要組成部分的，所以能夠準(zhǔn)確而且快速的對(duì)潮流進(jìn)行調(diào)控，這樣不僅有助于改善提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能對(duì)負(fù)荷出現(xiàn)間歇變化或者可能出現(xiàn)故障情況下，而引起系統(tǒng)頻率變化狀況作出反應(yīng)。

2 HVDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

HVDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括換流站、直流輸電線路、電抗器、交流濾波器、變壓器以及無(wú)功補(bǔ)償裝置等部分。

圖1 HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，變壓器起到了變換電能的作用，將交流側(cè)電壓變換為要求的電壓值以供給換流站；換流站包括整流站和逆變站兩部分；電抗器的作用包括連接相同兩端和對(duì)高次諧波進(jìn)行濾波兩個(gè)方面；而濾波器主要是對(duì)交流側(cè)的電壓所包含的諧波分量具有過(guò)濾的功能；直流輸電線則起到了輸送系統(tǒng)變換電能的作用。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，HVDC系統(tǒng)的作用是將交流電經(jīng)過(guò)整流站、直流線路、逆變站之后的得到了變換交流電聯(lián)入交流系統(tǒng)。在圖1中，設(shè)直流輸電線路的等效電阻為R，則線路中流過(guò)的電流為[3]：

因此，兩端換流站輸出功率或者輸入功率是相同的，即：

根據(jù)以上兩式，直流輸電線路傳輸?shù)碾娏髦岛凸β实拇笮∈怯蓛啥说闹绷麟妷浩饹Q定性作用的，與兩端交流系統(tǒng)的頻率和電壓相位等沒(méi)有關(guān)系。而對(duì)于直流電壓值大小的的控制，是通過(guò)對(duì)整流器觸發(fā)延遲角 和逆變器逆變角 的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控的，故不受交流系統(tǒng)電壓幅值大小的影響。

3 HVDC系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性

HVDC系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性如圖2所示。

圖2 直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性

圖3 高壓直流系統(tǒng)直流線路故障仿真波形圖

整流部分包括定電流和定amin特性兩部分，在圖2中分別為BC段和AB段， 表示交流電壓值減小或者發(fā)生故障情況時(shí)的定amin特性。逆變部分的調(diào)節(jié)特性主要包括三部分，分別為定電壓de段、定電壓fh段和VDCOL決定的ef段。兩端換流站采用的的都是PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，主要的作用是可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)系統(tǒng)處在正常工作的狀態(tài)時(shí)，整流站根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的電流給定值Id-ref來(lái)決定運(yùn)行電流的大小，逆變站則同樣根據(jù)PI調(diào)節(jié)器電壓給定值Ud-ref來(lái)控制逆變站電壓的恒定，即為圖2中的e點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中交流側(cè)電壓突然降低或出現(xiàn)故障情況時(shí)，整流端工作在觸發(fā)角amin最小狀態(tài)，而逆變端一側(cè)控制線路的電流維持在Id-ref-Id，如上圖中的g點(diǎn)。逆變一側(cè)保持電流比整流側(cè)電流值小一個(gè)電流裕度 ，這個(gè)裕度的作用是為避免兩端電流的特性出現(xiàn)重疊情況而使得系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行點(diǎn)不穩(wěn)定的狀況。由于該模型可以使得給定電流值Id-ref根據(jù)直流電壓Ud大小的變化而變化，所以這個(gè)功能被稱為VDCOL，其作用就是防止系統(tǒng)電壓出現(xiàn)突降的情況而導(dǎo)致?lián)Q相失敗，并有助于系統(tǒng)在電壓擾動(dòng)情況后直流系統(tǒng)能快速恢復(fù)正常[4]。

4 HVDC系統(tǒng)直流線路故障仿真

根據(jù)圖1高壓直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖以及運(yùn)行原理，建立MATLAB仿真模型。仿真模型為通過(guò)容量為1000MW(500kV,2kA)的直流輸電線路從一個(gè)500kV、5000MVA的交流系統(tǒng)1向兩外一個(gè)345kV、10000MVA的交流系統(tǒng)2輸送電能。整流環(huán)節(jié)中整流器是用兩個(gè)通用橋模塊串聯(lián)而成的12脈沖變換器，變壓器為三相三繞組變壓器模塊，逆變部分與整流部分的結(jié)構(gòu)相似。濾波器部分主要包含無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、高Q值的11次和13次單調(diào)諧波濾波器、低Q值的減幅高通濾波器等幾部分。利用斷路器來(lái)模擬系統(tǒng)直流線路一側(cè)發(fā)生故障的情況，設(shè)定故障發(fā)生時(shí)間為t=0.7s，0.8s時(shí)恢復(fù)正常，得到的仿真結(jié)果波形如圖3所示。

5 結(jié)果分析

當(dāng)HVDC系統(tǒng)在t=0.7s發(fā)生故障情況時(shí)，直流側(cè)電流突增到2.2pu，直流電壓驟降為0，由于VDCOL子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，整流一側(cè)的電流參考值下降到0.3pu，說(shuō)明故障時(shí)仍然有電流通過(guò)。逆變側(cè)直流電壓突減，故障點(diǎn)直流電流呈現(xiàn)尖峰增長(zhǎng)，參考電流減小到0，當(dāng)t=0.8s時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)正常。這說(shuō)明系統(tǒng)由于在PI調(diào)節(jié)器的作用下，不論對(duì)故障發(fā)生還是恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)都能做出迅速響應(yīng)，還能保證在電壓突降時(shí)防止換相失敗的發(fā)生。

[1]趙承勇.柔性直流輸電技術(shù)建模和仿真技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版,2014.

[2]曾南超.高壓直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展中的作用[J].高電壓技術(shù),2004,30(11):11-12.

[3]韓民曉,文俊,徐永海.高壓直流輸電原理與運(yùn)行[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4]于群,曹娜.MATALB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.