輕型直流輸電系統(tǒng)的仿真研究

軒明利　范永奎　孔競

摘 要：直流輸電技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，涉及技術(shù)多且含量高，其次綜合性較強(qiáng)。直流輸電技術(shù)的它應(yīng)用快速推動了電力電子行業(yè)的進(jìn)步。在當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展背景下，新材料、新能源、可再生能源的開發(fā)與利用都需要借助電力工業(yè)技術(shù)。為了進(jìn)一步提高性能，減少設(shè)備、換流站以及占地、減少工程預(yù)算與造價(jià)成本，推動輕型直流輸電系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：輕型直流輸電;MATLAB/SIMULINK;PWM控制;VSC-HVDC系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，到目前為止，電力傳輸經(jīng)歷了三個(gè)階段：直流、交流和交直流混合輸電。從高壓直流輸電系統(tǒng)的早期輸電工程開始，但由于沒有采用直流升壓的傳輸方式，傳輸距離是有限的，不能滿足增長和增加傳輸容量的傳輸距離的要求。

通過多年理論豐富與實(shí)驗(yàn)研究，直流輸電技術(shù)愈來愈完善，特別是其降損、控制與保護(hù)方面進(jìn)步明顯。但是直流輸電目前還存在下列一些問題：第一受端網(wǎng)絡(luò)要求不能為一個(gè)無源系統(tǒng)，電力系統(tǒng)短路時(shí)容量不足換相無法進(jìn)行;換流器自身為一個(gè)諧波源，需要配置專門的過濾裝置，提高設(shè)備投資和成本方面是比較高的;同時(shí)，在操作過程中更多的吸收無功功率。雖然傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)不斷完善，但是到目前位置還沒有真正解決傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的缺陷。

1 輕型直流輸電的控制與數(shù)學(xué)模型

以往的直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢在于它可以進(jìn)行多種快速調(diào)整，借助轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)相位控制。不僅要提高直流輸電系統(tǒng)本身的各種規(guī)定的工作特性，而且可以擴(kuò)展到通信系統(tǒng)作為調(diào)整對象，它充分利用了直流輸電系統(tǒng)的快速調(diào)整，提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。所以輕型直流輸電以它壓倒性的優(yōu)勢出現(xiàn)在了世人面前。

可以認(rèn)為直流輸電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)模式?jīng)Q定了其運(yùn)行特點(diǎn)。對于HVDC輕型與有源網(wǎng)絡(luò)連接來講，VSC為一二輸入（相位調(diào)制與PWM（二），產(chǎn)生VSC無功功率與直流電流或電壓，非非線性，非解耦控制對象。兩個(gè)控制變量與控制量之間的匹配與控制器的構(gòu)建需要構(gòu)建數(shù)學(xué)模式，輕型直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用PWM技術(shù)可以確保有功功率與無功功率單獨(dú)控制。輕型直流輸電可借助控制PWM調(diào)制度m以及功率角來確保輕型直流輸電的有功功率與無功功率控制。本章構(gòu)建的輕型直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模式，按照HVDC輕型VSC兩個(gè)控制變量與控制量之間的確定來有效設(shè)計(jì)與構(gòu)建HVDC輕型系統(tǒng)的PID控制器。

如果有源網(wǎng)絡(luò)相連接，則采取定直流電流/電壓控制模式，也就是確定直流線路一端的電壓以及另外一端直流線路的電流。一個(gè)輕型直流輸電系統(tǒng)，務(wù)必有直流端電壓控制，另一端的恒定直流電流與交流電壓控制的選擇主要由系統(tǒng)為主動或被動網(wǎng)絡(luò)通信。其次，如果連接有源網(wǎng)絡(luò)，VSC輸出的基波電壓頻率需要與電網(wǎng)電壓頻率相同，如果連接無源網(wǎng)絡(luò)，VSC輸出基波電壓頻率與負(fù)載有關(guān)。

2 輕型直流輸電系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真工具M(jìn)ATLAB

MATLAB為本文仿真所使用的工具，MATLAB可視化性能良好，于1982年的數(shù)學(xué)作品推出。在應(yīng)用過程中其計(jì)算效率、圖形功能、編程效率、擴(kuò)充能力、實(shí)用性等均非常突出。它結(jié)合了數(shù)值分析，矩陣操作，信號處理和圖形顯示。它具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了依據(jù)。隨著不同行業(yè)專家與學(xué)者對MATLAM的開發(fā)與使用，MATLAM工具箱的研制使其在工程計(jì)算軟件自動化控制以及仿真應(yīng)用越來越頻繁。

MATLAB中包含Simulink，主要是模塊化的相關(guān)仿真，包括多個(gè)庫，以及各種工具箱。Simulink可以進(jìn)行線性、非線性、連續(xù)和離散系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等系統(tǒng)的仿真研究。它不要求類似的M函數(shù)文件，寫一個(gè)復(fù)雜的程序，但只能根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則，可以連接相應(yīng)的模塊，簡單直觀，不像代碼，它看起來眼花繚亂，可讀性差。Simulink允許用戶從復(fù)雜的編程中解放出來，也不需要了解編程邏輯，甚至不需要考慮結(jié)構(gòu)算法太多，可以讓用戶更加重視系統(tǒng)的功能，省時(shí)省力，應(yīng)用非常方便。

2.2 VSC-HVDC系統(tǒng)仿真

在Simulink環(huán)境下借助Matlab軟件進(jìn)行仿真，模式相關(guān)數(shù)據(jù)如下：交流系統(tǒng)參數(shù)為230kV，2000MVA，50Hz;整流器逆變器全部都使用IGBT的三電平NPC電壓源換流器，電壓源換流器參數(shù)為200MVA，+/-100kVDC;調(diào)制方式是正弦脈寬調(diào)制SPWM，載波頻率是基波頻率的27倍，1350Hz;直流線路長75km。

2.3 VSC-HVDC系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

（1）所使用的換流器雙閉環(huán)解耦控制方法不僅結(jié)構(gòu)簡單而且具有非常優(yōu)異的性能，通過控制內(nèi)回路的指令電流，有功功率和無功功率的解耦控制是可以實(shí)現(xiàn)的，和VSC-HVDC系統(tǒng)的控制可以實(shí)現(xiàn)非常方便。

（2）構(gòu)建的控制器模型分別實(shí)現(xiàn)了VSC-HVDC系統(tǒng)的不同控制模式，并且最終的仿真結(jié)果也說明了，這種控制方法適用于多個(gè)不同的VSC-HVDC系統(tǒng)，并且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時(shí)效性加強(qiáng)，并且系統(tǒng)振動小，屬于瞬態(tài)性。

（3）仿真證實(shí)了VSC-HVDV系統(tǒng)以往高壓直流輸電的優(yōu)勢，像有功率與無功功率可以單獨(dú)運(yùn)行，并且可以保持交流母線電壓的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文首先論述了高壓直流輸電系統(tǒng)的研究背景以及國內(nèi)外研究情況，對相關(guān)結(jié)構(gòu)與因素進(jìn)行了總結(jié)，通過對輕型直流輸電技術(shù)及其控制方式的研究，建立了系統(tǒng)相關(guān)模型。文章最后通過MATLAB/SIMULINK仿真軟件來模擬高壓直流輸電系統(tǒng)，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，本文所采用的模型與控制方式對于直流輸電效果良好，與傳統(tǒng)輸電方式相比具有明顯的優(yōu)勢。

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