第8章MATLAB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例

1、第8章MATLAB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例8.1高压直流输电系统的仿真实例8.2静止无功补偿器(SVC)的仿真实例8.3晶闸管控制串联电容器(TCSC)的仿真实例8.1高压直流输电系统的仿真实例8.1.1HVDC系统的基本结构与工作原理8.1.2HVDC系统的仿真模型描述8.1.3HVDC系统的调节特性8.1.4HVDC系统的起停和阶跃响应仿真8.1.5HVDC系统直流线路故障仿真8.1.6HVDC系统交流侧线路故障仿真8.1.1HVDC系统的基本结构与工作原理1)换流变压器，其一次绕组与交流电力系统相连，其作用是将交流电压变为桥阀所需电压。2)换流器C1、C2，由晶闸管组成，用做

2、整流和逆变，实现交流电与直流电之间的转换。3)滤波器，交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。4)无功补偿装置，换流器在运行时需要从交流系统吸引大量无功功率，在稳态时吸收的无功功率约为直流线路输送有功功率的50%，因此，在换流器附近应有无功补偿装置为其提供无功电源。5)直流平波电抗器，减小直流电压、电流的波动，受扰时抑制直流电流的上升速度。图8-1单极大地回流直流输电系统的基本结构8.1.2HVDC系统的仿真模型描述1. 线路的参数2. 整流环节简介3. 逆变环节简介4.滤波器子系统简介图8-2 phi = 80 deg. 3rd harm.HVDC 12-pulse Transmiss

3、ion System 1000 MW (500kV-2kA) 50 HzEM: 500kV, 50 Hz 5000 MVA equivalentEN: 345kV, 50 Hz, 10,000 MVA equivalent phi = 80 deg. 3rd harm.Read the Model propertiesfor initialisation detailsDiscrete,Ts = 5e-005 s.RectifierControl and ProtectionABC+ -Rectifier?More infoMaster ControlMaster ControlInverte

4、rControl and ProtectionABC+-InverterABCAC filters 50 Hz600 MvarABCAC filters 50 Hz600 MvarOpen this blockto visualizerecorded signalsData AcquisitionDC line 300 kmDC FaultABCabcBrectABCabcBinvA-G FaultABCABCABCABC0.5 H 0.5 HABCABC图8-3整流环节子系统结构图8-4整流器子系统结构表8-1整流器控制和保护子系统包含的模块及作用模块名称作用Rectifier Contro

5、llerVoltage Regulator电压调节，计算触发角Gamma Regulator计算熄弧角Current Regulator电流调节，计算触发角Voltage Dependent Current Order Limiter根据直流电压值改变参考电流值Rectifier ProtectionsLow AC Voltage Detection直流侧故障和交流侧故障检测DC Fault Protection判断直流侧是否发生故障，启动必要的动作清除故障12 Pulse Firing Control产生同步的12个触发脉冲表8-2逆变器控制和保护子系统包含的模块及作用模块名称作用Inver

6、ter Current/ Voltage/Gamma Controller逆变侧电压、电流、熄弧角调节，与整流侧系统相同Inverter ProtectionLow AC Voltage Detection交流侧故障检测Commutation Failure Prevention Control减弱电压跌落导致的换相失败12 Pulse Firing Control产生同步的12个触发脉冲 Gamma Measurement熄弧角测量图8-5滤波器子系统结构图8-6直流系统调节特性8.1.4HVDC系统的起停和阶跃响应仿真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

7、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1.0p.u.(2 kA), 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1p.u.(500kV)。3)在0.7s时，参考电流出现-0.2p.u.的变化，在0.8s时恢复到设定值。4)在1.0s时，参考电压出现-0.1p.u.的偏移，在1.1s时恢复到设定值。5)在1.4s时，触发信号关断，使得电流斜线下降到0.1p.u.。6)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

8、延迟角被强制设置为92，使得直流线路放电。7)在1.7s时两个变换器均关断，变换器控制状态为0。表8-3系统控制参数随时间变化表序号 时刻/s动作10电压参考值为1pu2002变换器导通，电流增大到最小稳态电流参考值304电流按指定的斜率增大到设定值407参考电流值下降02pu508参考电流值恢复到设定值610参考电压由1pu跌落到09pu711参考电压恢复到1pu814变换器关断表8-3系统控制参数随时间变化表916强迫设置触发延迟角到指定值1017关断变换器a)整流侧得到的相关波形 b)逆变侧得到的相关波形图8-7 HVDC系统的起停和阶跃响应仿真波形图00.20.40.60.811.21

9、.41.61.82-0.500.511.5VdL (pu)00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5Id Idref lim(pu)00.20.40.60.811.21.41.61.820100200alphaord (deg)00.20.40.60.811.21.41.61.820246Control Modet/s00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5VdL Vdref (pu)00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5Id Idref lim(pu)00.20.40.60.81

10、1.21.41.61.820100200alphaord (deg)00.20.40.60.811.21.41.61.820246Control Mode00.20.40.60.811.21.41.61.820100200gammat/s表8-4变换器控制状态及意义状态意义状态意义0关断4最大值限制1电流控制5的设定值或者常数2电压控制6控制3最小值限制图8-8HVDC系统直流线路故障仿真波形图a)整流侧得到的相关波形图8-8HVDC系统直流线路故障仿真波形图(续)b)逆变侧得到的相关波形a)整流侧得到的相关波形 b)逆变侧得到的相关波形图8-9HVDC系统交流侧线路故障仿真波形图0.60.7

11、0.80.911.11.21.31.4-0.500.511.5VdL (pu)0.60.70.80.911.11.21.31.40123Id Idref lim(pu)0.60.70.80.911.11.21.31.40100200alphaord (deg)0.60.70.80.911.11.21.31.40246Control Modet/s0.60.70.80.911.11.21.31.4-1012VdL Vdref (pu)0.60.70.80.911.11.21.31.40123Id Idref lim(pu)0.60.70.80.911.11.21.31.4100150200alp

12、haord (deg)0.60.70.80.911.11.21.31.4050100gammat/s图8-10逆变器交流侧线路故障时三相电压和电流波形图0.60.70.80.911.11.2-2-1012Va0.60.70.80.911.11.2-2-1012Vb0.60.70.80.911.11.2-2-1012Vct/s0.60.70.80.911.11.2-2002040Ia0.60.70.80.911.11.2-2002040Ib0.60.70.80.911.11.2-2002040Ict/s8.2静止无功补偿器(SVC)的仿真实例8.2.1SVC的基本结构与工作原理8.2.2Simu

13、link中的SVC模块介绍8.2.3SVC系统的仿真模拟图8-11SVC原理图图8-12SVC的伏安特性曲线8.2.2Simulink中的SVC模块介绍1. SVC模块的基本功能2. SVC模块的控制系统图8-13SVC模块示意图表8-5SVC模块的输出信号信号序号信号组信号名称定义13Power Iabc (cmplx) Ia(pu) Ib(pu)Ic(pu)输入SVC的相电流Ia、Ib、Ic，单位pu4ControlVm (pu)测量到的正序电压（单位pu）5ControlB (pu)SVC的电纳输出（单位pu），正值为容性6ControlQ (pu)SVC的无功功率输出（单位pu），正值

14、为感性图8-14SVC模块功率数据参数设置对话框图8-15SVC模块控制参数设置对话框图8-16SVC控制系统框图8.2.3SVC系统的仿真模拟1)00.2s时电压源幅值为1.0p.u.。2)0.20.5s时电压源幅值为0.94p.u.。3)0.50.8s时电压源幅值为1.06p.u.。4)0.51.0s时电压源幅值为1.0p.u。图8-17具有并联补偿设备的简单系统图8-18PhasorspowerguiABCabcUjABCabcUiSignal ProcessingabcMagPhaSequence Analyzer(Phasor Type)Scope1ScopemABCSVCSVC(P

15、hasor type)ABCABCL = 50km2V1B1Vabc_1FromBusSelectorNABC110 kVABC10 MWBactual Bcontrol (pu/100 MVA)Vactual Vm (pu)pu/100 MVA图8-19仿真结果图图8-20未加SVC装置和加装SVC装置后的随源电压变化8.3晶闸管控制串联电容器(TCSC)的仿真实例8.3.1TCSC基本原理与数学模型简介8.3.2Simulink中的TCSC模块介绍8.3.3利用TCSC提高系统输电容量的仿真模拟8.3.4TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟图8-21TCSC模块结构图8-22TCSC标幺

16、值电抗(=/)随变化的特性图图8-23TCSC模块示意图图8-24Firing pulsesTCSC 6C15B14A13C2B1Av+-v+-v+-gakThC-gakThC+gakThB-gakThB+gakThA-gakThA+VtcscItcrCmCpBmBpAmApCmCpBmBpAmApDemuxi+-c12c12c122cb1P图8-25TCSC模块参数设置对话框图8-26500kV的电力系统仿真模型图8-27利用TCSC提高系统稳态传输功率的仿真结果8.3.4TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟(1)三相电源模型(2)三相变压器模型(3)三相输电线路模型(4)三相额定负载模型

17、(5)电力系统故障模型1.三相短路故障仿真2.单相接地故障仿真图8-28简单电力系统图8-29Phasor Simulation of a Static Var CompensatorContinuouspowerguiABCABCZgABCabcU1ABCABCThree-Phase FaultABCNabcT2ABCabcnT1Scope1Scope1MultimeterLineIabc_1From1Vabc_1FromVabcIabcPQ3-phase Instantaneous Active & Reactive PowerNABC10.5 kVABC10 MW图8-30升压变

18、压器的参数设置图8-31降压变压器的参数设置图8-32三相输电线路的参数设置图8-33负载的参数设置图8-34Thyristor controlled series capacitor (TCSC) The PreLoadFcn automatically sets sample time Ts=50e-6 s(see Model Properties)TCSCZgDragan JovcicUniversity of Aberdeen, Scotland, UKimpedance for capacitive mode 120zref136 impedance for inductive mode 19zref60See also the demo power_tcsc_phasor.mdlzrefDiscrete,Ts = 5e-005 s.main variablesABCabcU1ABCABCPcbABCA1B1C1ABCNabcT2ABCabcnT1PtcscztcscalphaScopes Scope1Scope1MultimeterLineIabc3From3Vabc3From2VtcscIabcIabcAlphaIrmsTCR_PulsesCBFiring Unit?Double click for infoVtcscIabczrefalphaI