华电电气-高压直流输电-结课作业-基于MATLAB的HVDC仿真

1、基于MATLAB的HVDC仿真一、引言高压直流输电（HVDC）近年来在世界各地迅速发展，在我国也因“西电东送、南北互供、全国联网”而成为电力建设的热点。目前除葛上、天广两个500kV直流工程已投运外，还有三峡一广东、贵州一广东、三峡一常州等多个直流工程已开工。作为电力系统研究、规划、设计和运行分析的重要手段，本文利用MATLABPSB（以Simuiink为运行环境）对HVDC系统的暂态过程进行建模和仿真。PSB涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，它由以下6个子模块库组成：电源模块库：包括交、直流电压源，交流电流源，可控电压、电流源等。基本元件模块

2、库：包括串（并）联RLC负载/支路、线性变压器、饱和变压器/互感器、断路器、N相分布参数线路、单相n形集中参数传输线路和浪涌放电器等。电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET和理想开关等。电机模块库：包括励磁装置、水轮发电机及其调节器、异、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。连接模块库：包括地、中性点和母线（公共点）。测量模块库：包括电流与电压测量。在6个子库的基础上，可根据需要组合封装出更为复杂的常用模块比如附加模块库（PoweriibEXtras）中的三相电气系统。附加库中还包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅里叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。二、HVD

3、C模型介绍（一）HVDC系统的基本结构与工作原理HVDC系统由换流站（亦可用作整流站、逆变站）和HVDC线路组成,它有多种接线方式。单极（双桥）大地回流换流站（见图1）的主要设备有2f直流平波电抗器育流电遠直流德披警换淡变压器换遥銷冥孑?一图1单级（双桥）大地回流换流站1）换流变压器，变交流电压为桥阀所需电压。（2）换流器，由晶闸管组成，用作整流和逆变。换流器一般采用三相桥式（有单、双桥两类）线路，每桥有6个桥臂（即6脉冲换流器），如天生桥广州1500kVHVDC系统晶闸管块的额定电压为8kV,用78个块串联组成阀体。（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。对单桥用单调谐滤

4、波器吸收5、7、11次（6"11次）谐波,用高通滤波器吸收高次谐波；对双桥用11、13次（12n±l次）谐波滤波器及高通滤波器。直流侧滤波器一般装在直流线路两端，用有源滤波器广频谱消除谐波，单桥时吸收6n次谐波，双桥时吸收12n次谐波。（4）无功补偿，通常由静电电容器（包括滤波器电容器）、静止无功补偿器供给。（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。HVDC系统中可通过控制整流器的触发延迟角a和逆变器的逆变角0来控制电压、电流和输送功率。整流侧常用定电流Ids控制（Ids为其给定值），其约束方程为直流电流Id=Ids，通过比较Id和Ids

5、的偏差来调节a，使二者偏差趋于零，达到控制目的。（二）HVDC系统的仿真模型本文用MATLABPSB对一典型12脉冲HVDC系统（见图2）进行建模和仿真。1000兆瓦（500千伏，2千安）直流互联用于将电力从500千伏，5000兆赫，60赫兹系统传输到345千伏，10000兆赫，50赫兹系统。交流系统由在基频（60Hz或50Hz）和三次谐波下具有80度角的阻尼L-R等效物表示。整流器和逆变器是使用两个串联的通用桥接模块的12脉冲转换器。这些转换器通过300公里线路和0.5H平滑电抗器相互连接。转换器变压器（星形接地/星形/三角形）采用三相变压器（三绕组）模块。变压器分接头不是模拟的。分接位置处

6、于固定的位置，该位置由应用于转换器变压器的主要额定电压的倍增因子（整流器侧为0.90;逆变器侧为0.96）确定。从AC角度来看，HVDC转换器可以充当谐波电流的来源。从直流电的角度来看，它是谐波电压的来源。这些特征谐波的阶数n与转换器配置的脉冲数p相关：对于交流电流，n=kp±l，对于直流电压，n=kp，k可以是任何整数。在这个例子中，p=12，因此交流侧的注入谐波为11,13,23,25，直流侧的注入谐波为l2,24。交流滤波器用于防止奇数谐波电流在交流系统上扩散。过滤器分为两个子系统。这些滤波器在基频处也表现为大电容，因此由于触发角度a，为整流器消耗提供无功功率补偿。对于a=30

7、度，转换器无功功率需求大约是满载时传输功率的60%。交流滤波器子系统包含11和13次谐波的高Q（100）调谐滤波器和低Q（3）滤波器，用于消除高次谐波，例如24次及以上。电容器组也提供额外的无功功率。两个断路器模块在整流器直流侧和逆变器交流侧应用故障来检查系统性能。电源系统和控制和保护系统都米用相同的米样时间Ts=50Ms进行离散化处理。一些保护系统的采样时间为1或2ms。三、控制系统分析整流器磁极控制（电流）和逆变器磁极控制（电流/电压/伽马）子系统为两个转换器产生参考电流，并启动直流输电的启动和停止。在逆变器中，伽马测量子系统测量6脉冲晶闸管转换器的消光角度Gamma。保护系统可以打开和关

8、闭。在整流器处，直流故障保护检测到线路故障并米取必要的措施清除故障。整流器和逆变器的低交流电压检测子系统用于区分交流故障和直流故障。在逆变器中，换相失败预防控制子系统2减轻了交流电压骤降导致的换相失败。（一）同步和射击系统12脉冲发射控制系统执行12个发射脉冲的同步和产生。该系统使用一次电压来根据由转换器控制器计算的a触发角度来同步并生成脉冲。因为波形失真较小，所以在变流器变压器的一次侧测量同步电压。锁相环（PLL）用于产生三个同步于正序电压基波分量的电压。触发脉冲发生器与PLL产生的三个电压同步。在整流电压（AB,BC,CA）的过零点处，斜坡被重置。每当斜坡值变得等于由控制器提供的期望延迟角

9、度时，就产生触发脉冲。（二）稳态V-I特性整流器极控制和逆变器极控制子系统实现这种稳态特性（图3）：Operatingpoiri1dr&fIdmai01PDCcurrentpd)DCvoNage(Vd)(noeiriACreef.xjtogGReciifInverterVdmargin(0fi5pu)Optratingpoint2(towACvottagEatnectitier)iwACreef,vohage图3稳态特性在正常运行中，整流器控制Id_ref参考值的电流，而逆变器控制Vd_ref或Gamma_min参考值的电压或伽玛。如图所示，系统通常在点1处运行。然而，在AC系统1上给

10、整流器供电的严重应急情况期间，工作点移动到点2因此，整流器被强制为最小a模式并且逆变器处于电流控制模式。类似地，交流系统给逆变器供电的电压降将迫使控制模式改变为伽玛调节，以将角度限制为Ymin。在严重的意外情况下，需要更快的响应来提高换相余量，从而降低换相失败的概率。换相失败预防控制子系统（查看逆变器保护模块）产生一个信号，该信号降低电压下降期间延迟角的最大限制（例如，在AC故障期间）。注：Y=消光角=180°-a-卩，卩=换向角或重叠角（三）VDCOL功能另一个重要的控制功能是根据直流电压值改变参考电流。这种控制命名为电压相关电流指令限制器（VDCOL），当VdL降低时（例如，在直

11、流线路故障或严重交流故障期间），会自动降低参考电流（Id_ref）设定值。减少Id参考电流还可以减少交流系统的无功功率需求，有助于从故障中恢复。VDCOL参数由该图（图4）解释：图4VDCOL参数当Vd线电压下降到阈值VdThresh以下时，Id_ref值开始下降。控制器使用的实际参考电流在第二个控制器输出端可用，名为Id_ref_lim。IdMinAbs是绝对最小的Id_ref值。当直流线路电压低于VdThresh值时，VDCOL立即下降到Id_ref。但是，当直流电压恢复时，VDCOL将通过参数Tup定义的时间常数限制Id_ref上升时间。（四）电流、电压和伽马调节器整流器和逆变器控制都有

12、电流调节器计算触发ai。在逆变器中，与电流调节器并联工作的是电压和/或伽玛调节器，计算触发角av和/或ag。有效a角是ai，av和/或ag的最小值。所有的监管机构都是比例-整数型。它们应该具有足够高的低频增益（vlOHz）,以保持电流，电压或伽马响应等于参考电流（Id_ref_lim），参考电压（Vd_ref）或参考伽玛（Gamma_min），只要a是在最小和最大限度内（整流器5°<a<166°，变频器92°va<166°）。如前所述,从换相失败防护保护装置接收到的信号（D_alpha）可暂时降低逆变器的166°限值。调节器增

13、益Kp和Ki在参考中的小扰动期间进行调节。调节器的另一个特点是比例增益的线性化。作为由整流器和反相器产生的Vd电压与cos（a）成正比，由于a变化引起的Vd变化与sin（a）成正比。因此，在恒定的Kp值下，有效增益与sin（a）成正比。为了保持恒定的比例增益，与a值无关，增益通过将Kp常数乘以1/sin(a)而线性化。该线性化适用于由整流器和逆变器极控制模块中指定的两个限值定义的a范围。四、仿真波形分析系统编程启动并达到稳定状态。然后首先将一个步骤应用于参考电流，然后再应用于电压参考，以便观察调节器的动态响应。最后，启动一个停止序列在阻断转换器之前使电力传输平稳下来。在转换器控制器中注意，在接

14、收到停止信号后，Forced_alpha命令的时间为0.150s，然后在0.1s之后，命令阻止脉冲。开始仿真并观察整流器和逆变器示波器上的信号。波形如下图(图5、6)RectifierSturtup/StcpnttrieDCSystemandSttpAppliedontheCunrentnnHVoltageReJerence图5仿真波形在主控制中，转换器脉冲发生器被解锁并且通过在t=20ms斜坡参考电流开始功率传输。参考值在0.3秒内达到0.1pu的最小值。注意直流电流开始建立，直流线路充电到其标称电压。在t=0.4s时，参考电流在0.18s(5pu/s)内从0.1上升到1pu(2kA)。直流

15、电流在启动序列结束时达到稳定状态约0.58秒。整流器控制电流，逆变器控制电压。整流器和逆变器示波器的示波器1显示直流线路电压(1pu=500kV)。在变频器上，还显示了参考电压。迹线2显示参考电流和测量的Id电流(1pu=2kA)。在斜坡期间，逆变器实际上将电流（轨迹4：模式=1）控制为Id_ref_lim的值减去当前裕量（0.1pu）,并且整流器尝试控制Id_ref_lim处的电流。在t=0.3s时，在稳定到电压控制（Mode=2）之前，在逆变器中，控制模式从电流控制变为伽玛控制（Mode=6）。此后,整流器变为控制电流。但是,如下一段所述,控制模式会发生变化并且在逆变器的电压基准增加引起的

16、直流电压增加期间，a被限制在最小值5度（模式=3）。在稳定状态下（t在1.3和1.4s之间测量），整流器和逆变器侧的a触发角分别为16.5度和143度。逆变器控制通过确定从电流传导结束到零交叉的电气度所表示的经过时间来测量两个六脉冲桥（即连接到Y形和三角形绕组的桥）的每个晶闸管的消光角Y的整流电压。最后12次消光（Delta转换器的6个和Wye转换器的6个）的测量伽马的平均值与Gamma参考一起显示在迹线5中。在稳定状态下，平均Y约为22.5度。x-p-C?总EcrE_m7EdJPCIlAIecQ塀电】亶EEUJEEIul?3EI«I5EElf6宫电|3>rr1'111

17、11VV1VV1I'I'1''n11iiI1I1II1'1'11FFii1'1' I I 9ilii1IIIIiirii11VV111i1/i图6仿真波形在t=0.7s时，在参考电流0.1s内应用-0.2pu步长，以便观察调节器的动态响应。稍后，在t=1.0s时，在逆变器参考电压的0.2s内施加0.1pu步长。观察在逆变器处消光角度达到参考值（例如最小可接受值），并且伽玛调节器在t约1.1s处控制。t约1.3s时，电压调节器重新控制电压。在t=1.4s时，通过将电流降低到0.1pu来启动停止序列。在t=1.6时，整流器中的强制a（

18、至166度）消除了电流，在逆变器处，强制a邙限速为92度）由于线路电容中的俘获电荷而降低直流电压。在t=1.7s时，两个转换器中的脉冲都被阻止。五、结论本文研究基于MATLAB的HVDC输电系统动态仿真。应用MATLABR2015b中PowerSystemBlockset的模块使仿真系统操作简便，参数设置快速不烦琐，可实时显示参数波形，直观地分析系统性能。在高压直流输电系统中，控制器运行方式，触发延迟角a的大小、故障时控制整流器转变为逆变器持续运行时间的长短和故障切除时间对系统影响很大。仿真结果为我们的学习提供新的思路。参考文献1屈鹏.基于MATLAB的轻型高压直流输电系统仿真J.中国西部科技,2009,（22）:25,36.DOI:10.3969/j.issn.1671-6396.2009.22.