華電電氣-高壓直流輸電-結(jié)課作業(yè)-基于MATLAB的HVDC仿真

1、基于MATLAB的HVDC仿真一、引言高壓直流輸電（HVDC）近年來在世界各地迅速發(fā)展，在我國也因“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”而成為電力建設(shè)的熱點。目前除葛上、天廣兩個500kV直流工程已投運外，還有三峽一廣東、貴州一廣東、三峽一常州等多個直流工程已開工。作為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、設(shè)計和運行分析的重要手段，本文利用MATLABPSB（以Simuiink為運行環(huán)境）對HVDC系統(tǒng)的暫態(tài)過程進行建模和仿真。PSB涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，它由以下6個子模塊庫組成：電源模塊庫：包括交、直流電壓源，交流電流源，可控電壓、電流源等。基本元件模塊

2、庫：包括串（并）聯(lián)RLC負載/支路、線性變壓器、飽和變壓器/互感器、斷路器、N相分布參數(shù)線路、單相n形集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、GTO、MOSFET和理想開關(guān)等。電機模塊庫：包括勵磁裝置、水輪發(fā)電機及其調(diào)節(jié)器、異、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等。連接模塊庫：包括地、中性點和母線（公共點）。測量模塊庫：包括電流與電壓測量。在6個子庫的基礎(chǔ)上，可根據(jù)需要組合封裝出更為復(fù)雜的常用模塊比如附加模塊庫（PoweriibEXtras）中的三相電氣系統(tǒng)。附加庫中還包括均方根測算、有功與無功功率測算、傅里葉分析、可編程定時器和同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。二、HVD

3、C模型介紹（一）HVDC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理HVDC系統(tǒng)由換流站（亦可用作整流站、逆變站）和HVDC線路組成,它有多種接線方式。單極（雙橋）大地回流換流站（見圖1）的主要設(shè)備有2f直流平波電抗器育流電遠直流德披警換淡變壓器換遙銷冥孑?一圖1單級（雙橋）大地回流換流站1）換流變壓器，變交流電壓為橋閥所需電壓。（2）換流器，由晶閘管組成，用作整流和逆變。換流器一般采用三相橋式（有單、雙橋兩類）線路，每橋有6個橋臂（即6脈沖換流器），如天生橋廣州1500kVHVDC系統(tǒng)晶閘管塊的額定電壓為8kV,用78個塊串聯(lián)組成閥體。（3）濾波器,交流側(cè)濾波器一般裝在換流變壓器的交流側(cè)母線上。對單橋用單調(diào)諧濾

4、波器吸收5、7、11次（6"11次）諧波,用高通濾波器吸收高次諧波；對雙橋用11、13次（12n±l次）諧波濾波器及高通濾波器。直流側(cè)濾波器一般裝在直流線路兩端，用有源濾波器廣頻譜消除諧波，單橋時吸收6n次諧波，雙橋時吸收12n次諧波。（4）無功補償，通常由靜電電容器（包括濾波器電容器）、靜止無功補償器供給。（5）直流平波電抗器，減小直流電壓、電流的波動，受擾時抑制直流電流的上升速度。HVDC系統(tǒng)中可通過控制整流器的觸發(fā)延遲角a和逆變器的逆變角0來控制電壓、電流和輸送功率。整流側(cè)常用定電流Ids控制（Ids為其給定值），其約束方程為直流電流Id=Ids，通過比較Id和Ids

5、的偏差來調(diào)節(jié)a，使二者偏差趨于零，達到控制目的。（二）HVDC系統(tǒng)的仿真模型本文用MATLABPSB對一典型12脈沖HVDC系統(tǒng)（見圖2）進行建模和仿真。1000兆瓦（500千伏，2千安）直流互聯(lián)用于將電力從500千伏，5000兆赫，60赫茲系統(tǒng)傳輸?shù)?45千伏，10000兆赫，50赫茲系統(tǒng)。交流系統(tǒng)由在基頻（60Hz或50Hz）和三次諧波下具有80度角的阻尼L-R等效物表示。整流器和逆變器是使用兩個串聯(lián)的通用橋接模塊的12脈沖轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器通過300公里線路和0.5H平滑電抗器相互連接。轉(zhuǎn)換器變壓器（星形接地/星形/三角形）采用三相變壓器（三繞組）模塊。變壓器分接頭不是模擬的。分接位置處

6、于固定的位置，該位置由應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器變壓器的主要額定電壓的倍增因子（整流器側(cè)為0.90;逆變器側(cè)為0.96）確定。從AC角度來看，HVDC轉(zhuǎn)換器可以充當諧波電流的來源。從直流電的角度來看，它是諧波電壓的來源。這些特征諧波的階數(shù)n與轉(zhuǎn)換器配置的脈沖數(shù)p相關(guān)：對于交流電流，n=kp±l，對于直流電壓，n=kp，k可以是任何整數(shù)。在這個例子中，p=12，因此交流側(cè)的注入諧波為11,13,23,25，直流側(cè)的注入諧波為l2,24。交流濾波器用于防止奇數(shù)諧波電流在交流系統(tǒng)上擴散。過濾器分為兩個子系統(tǒng)。這些濾波器在基頻處也表現(xiàn)為大電容，因此由于觸發(fā)角度a，為整流器消耗提供無功功率補償。對于a=30

7、度，轉(zhuǎn)換器無功功率需求大約是滿載時傳輸功率的60%。交流濾波器子系統(tǒng)包含11和13次諧波的高Q（100）調(diào)諧濾波器和低Q（3）濾波器，用于消除高次諧波，例如24次及以上。電容器組也提供額外的無功功率。兩個斷路器模塊在整流器直流側(cè)和逆變器交流側(cè)應(yīng)用故障來檢查系統(tǒng)性能。電源系統(tǒng)和控制和保護系統(tǒng)都米用相同的米樣時間Ts=50Ms進行離散化處理。一些保護系統(tǒng)的采樣時間為1或2ms。三、控制系統(tǒng)分析整流器磁極控制（電流）和逆變器磁極控制（電流/電壓/伽馬）子系統(tǒng)為兩個轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生參考電流，并啟動直流輸電的啟動和停止。在逆變器中，伽馬測量子系統(tǒng)測量6脈沖晶閘管轉(zhuǎn)換器的消光角度Gamma。保護系統(tǒng)可以打開和關(guān)

8、閉。在整流器處，直流故障保護檢測到線路故障并米取必要的措施清除故障。整流器和逆變器的低交流電壓檢測子系統(tǒng)用于區(qū)分交流故障和直流故障。在逆變器中，換相失敗預(yù)防控制子系統(tǒng)2減輕了交流電壓驟降導(dǎo)致的換相失敗。（一）同步和射擊系統(tǒng)12脈沖發(fā)射控制系統(tǒng)執(zhí)行12個發(fā)射脈沖的同步和產(chǎn)生。該系統(tǒng)使用一次電壓來根據(jù)由轉(zhuǎn)換器控制器計算的a觸發(fā)角度來同步并生成脈沖。因為波形失真較小，所以在變流器變壓器的一次側(cè)測量同步電壓。鎖相環(huán)（PLL）用于產(chǎn)生三個同步于正序電壓基波分量的電壓。觸發(fā)脈沖發(fā)生器與PLL產(chǎn)生的三個電壓同步。在整流電壓（AB,BC,CA）的過零點處，斜坡被重置。每當斜坡值變得等于由控制器提供的期望延遲角

9、度時，就產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。（二）穩(wěn)態(tài)V-I特性整流器極控制和逆變器極控制子系統(tǒng)實現(xiàn)這種穩(wěn)態(tài)特性（圖3）：Operatingpoiri1dr&fIdmai01PDCcurrentpd)DCvoNage(Vd)(noeiriACreef.xjtogGReciifInverterVdmargin(0fi5pu)Optratingpoint2(towACvottagEatnectitier)iwACreef,vohage圖3穩(wěn)態(tài)特性在正常運行中，整流器控制Id_ref參考值的電流，而逆變器控制Vd_ref或Gamma_min參考值的電壓或伽瑪。如圖所示，系統(tǒng)通常在點1處運行。然而，在AC系統(tǒng)1上給

10、整流器供電的嚴重應(yīng)急情況期間，工作點移動到點2因此，整流器被強制為最小a模式并且逆變器處于電流控制模式。類似地，交流系統(tǒng)給逆變器供電的電壓降將迫使控制模式改變?yōu)橘が斦{(diào)節(jié)，以將角度限制為Ymin。在嚴重的意外情況下，需要更快的響應(yīng)來提高換相余量，從而降低換相失敗的概率。換相失敗預(yù)防控制子系統(tǒng)（查看逆變器保護模塊）產(chǎn)生一個信號，該信號降低電壓下降期間延遲角的最大限制（例如，在AC故障期間）。注：Y=消光角=180°-a-卩，卩=換向角或重疊角（三）VDCOL功能另一個重要的控制功能是根據(jù)直流電壓值改變參考電流。這種控制命名為電壓相關(guān)電流指令限制器（VDCOL），當VdL降低時（例如，在直

11、流線路故障或嚴重交流故障期間），會自動降低參考電流（Id_ref）設(shè)定值。減少Id參考電流還可以減少交流系統(tǒng)的無功功率需求，有助于從故障中恢復(fù)。VDCOL參數(shù)由該圖（圖4）解釋：圖4VDCOL參數(shù)當Vd線電壓下降到閾值VdThresh以下時，Id_ref值開始下降?？刂破魇褂玫膶嶋H參考電流在第二個控制器輸出端可用，名為Id_ref_lim。IdMinAbs是絕對最小的Id_ref值。當直流線路電壓低于VdThresh值時，VDCOL立即下降到Id_ref。但是，當直流電壓恢復(fù)時，VDCOL將通過參數(shù)Tup定義的時間常數(shù)限制Id_ref上升時間。（四）電流、電壓和伽馬調(diào)節(jié)器整流器和逆變器控制都有

12、電流調(diào)節(jié)器計算觸發(fā)ai。在逆變器中，與電流調(diào)節(jié)器并聯(lián)工作的是電壓和/或伽瑪調(diào)節(jié)器，計算觸發(fā)角av和/或ag。有效a角是ai，av和/或ag的最小值。所有的監(jiān)管機構(gòu)都是比例-整數(shù)型。它們應(yīng)該具有足夠高的低頻增益（vlOHz）,以保持電流，電壓或伽馬響應(yīng)等于參考電流（Id_ref_lim），參考電壓（Vd_ref）或參考伽瑪（Gamma_min），只要a是在最小和最大限度內(nèi)（整流器5°<a<166°，變頻器92°va<166°）。如前所述,從換相失敗防護保護裝置接收到的信號（D_alpha）可暫時降低逆變器的166°限值。調(diào)節(jié)器增

13、益Kp和Ki在參考中的小擾動期間進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的另一個特點是比例增益的線性化。作為由整流器和反相器產(chǎn)生的Vd電壓與cos（a）成正比，由于a變化引起的Vd變化與sin（a）成正比。因此，在恒定的Kp值下，有效增益與sin（a）成正比。為了保持恒定的比例增益，與a值無關(guān)，增益通過將Kp常數(shù)乘以1/sin(a)而線性化。該線性化適用于由整流器和逆變器極控制模塊中指定的兩個限值定義的a范圍。四、仿真波形分析系統(tǒng)編程啟動并達到穩(wěn)定狀態(tài)。然后首先將一個步驟應(yīng)用于參考電流，然后再應(yīng)用于電壓參考，以便觀察調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)。最后，啟動一個停止序列在阻斷轉(zhuǎn)換器之前使電力傳輸平穩(wěn)下來。在轉(zhuǎn)換器控制器中注意，在接

14、收到停止信號后，F(xiàn)orced_alpha命令的時間為0.150s，然后在0.1s之后，命令阻止脈沖。開始仿真并觀察整流器和逆變器示波器上的信號。波形如下圖(圖5、6)RectifierSturtup/StcpnttrieDCSystemandSttpAppliedontheCunrentnnHVoltageReJerence圖5仿真波形在主控制中，轉(zhuǎn)換器脈沖發(fā)生器被解鎖并且通過在t=20ms斜坡參考電流開始功率傳輸。參考值在0.3秒內(nèi)達到0.1pu的最小值。注意直流電流開始建立，直流線路充電到其標稱電壓。在t=0.4s時，參考電流在0.18s(5pu/s)內(nèi)從0.1上升到1pu(2kA)。直流

15、電流在啟動序列結(jié)束時達到穩(wěn)定狀態(tài)約0.58秒。整流器控制電流，逆變器控制電壓。整流器和逆變器示波器的示波器1顯示直流線路電壓(1pu=500kV)。在變頻器上，還顯示了參考電壓。跡線2顯示參考電流和測量的Id電流(1pu=2kA)。在斜坡期間，逆變器實際上將電流（軌跡4：模式=1）控制為Id_ref_lim的值減去當前裕量（0.1pu）,并且整流器嘗試控制Id_ref_lim處的電流。在t=0.3s時，在穩(wěn)定到電壓控制（Mode=2）之前，在逆變器中，控制模式從電流控制變?yōu)橘が斂刂疲∕ode=6）。此后,整流器變?yōu)榭刂齐娏?。但?如下一段所述,控制模式會發(fā)生變化并且在逆變器的電壓基準增加引起的

16、直流電壓增加期間，a被限制在最小值5度（模式=3）。在穩(wěn)定狀態(tài)下（t在1.3和1.4s之間測量），整流器和逆變器側(cè)的a觸發(fā)角分別為16.5度和143度。逆變器控制通過確定從電流傳導(dǎo)結(jié)束到零交叉的電氣度所表示的經(jīng)過時間來測量兩個六脈沖橋（即連接到Y(jié)形和三角形繞組的橋）的每個晶閘管的消光角Y的整流電壓。最后12次消光（Delta轉(zhuǎn)換器的6個和Wye轉(zhuǎn)換器的6個）的測量伽馬的平均值與Gamma參考一起顯示在跡線5中。在穩(wěn)定狀態(tài)下，平均Y約為22.5度。x-p-C?總EcrE_m7EdJPCIlAIecQ塀電】亶EEUJEEIul?3EI«I5EElf6宮電|3>rr1'111

17、11VV1VV1I'I'1''n11iiI1I1II1'1'11FFii1'1' I I 9ilii1IIIIiirii11VV111i1/i圖6仿真波形在t=0.7s時，在參考電流0.1s內(nèi)應(yīng)用-0.2pu步長，以便觀察調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)。稍后，在t=1.0s時，在逆變器參考電壓的0.2s內(nèi)施加0.1pu步長。觀察在逆變器處消光角度達到參考值（例如最小可接受值），并且伽瑪調(diào)節(jié)器在t約1.1s處控制。t約1.3s時，電壓調(diào)節(jié)器重新控制電壓。在t=1.4s時，通過將電流降低到0.1pu來啟動停止序列。在t=1.6時，整流器中的強制a（

18、至166度）消除了電流，在逆變器處，強制a邙限速為92度）由于線路電容中的俘獲電荷而降低直流電壓。在t=1.7s時，兩個轉(zhuǎn)換器中的脈沖都被阻止。五、結(jié)論本文研究基于MATLAB的HVDC輸電系統(tǒng)動態(tài)仿真。應(yīng)用MATLABR2015b中PowerSystemBlockset的模塊使仿真系統(tǒng)操作簡便，參數(shù)設(shè)置快速不煩瑣，可實時顯示參數(shù)波形，直觀地分析系統(tǒng)性能。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，控制器運行方式，觸發(fā)延遲角a的大小、故障時控制整流器轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀兤鞒掷m(xù)運行時間的長短和故障切除時間對系統(tǒng)影響很大。仿真結(jié)果為我們的學(xué)習(xí)提供新的思路。參考文獻1屈鵬.基于MATLAB的輕型高壓直流輸電系統(tǒng)仿真J.中國西部科技,2009,（22）:25,36.DOI:10.3969/j.issn.1671-6396.2009.22.