基于~Matlab的直流输电系统动态特性分析(DOC).doc

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1、HVDC 与 FACTS 技术基于 Matlab 的直流输电系统动态特性分析与仿真学 院 自动化学院 专 业 电气工程 _ （电力系统运行与规划） 年级班别 14 级电气 4 班 学 号 2111404004 学生姓名 张妍 指导教师 郭壮志 2015 年 5 月 14 日一、 引言与交流输电相比，高压直流输电(HVDC)具有线路输送容量大、造价低、损耗小、电力系统间的非同步联网能力强等优点，而且，直流输电不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大容量送电。自从 20 世纪 80 年代末以来，中国高压直流输电技术的研究和发展取得了突飞猛进的提高，目前已投运 10 个直流输电工程,包括舟山、葛南、

2、天广、三常等工程。为实现“西电东送”的战略规划，中国正在积极推进包括660 kV、800 kV、1 000 kV 特高压 HVDC 工程的建设。近期中国规划发展的HVDC 工程主要包括内蒙及陕甘宁地区的煤电通过高压直流或特高压直流向京津塘、山东等地输电，四川水电向华东、华中地区特高压直流输电等。在此背景下，研究 HVDC 的结构、运行原理及控制方法，对 HVDC 进行建模与仿真，分析系统的稳态、动态特性等显得非常重要。本文利用 Matlab 中Simulink 对 HVDC 进行建模，并在此模型基础上进行了系统的稳态、直流线路故障、逆变器交流侧 a 相接地故障仿真，得出相应的仿真波形，验证了

3、HVDC 模型的有效性。二、HVDC 的基本结构与工作原理HVDC 的基本工作原理如图 1 所示，简单的 HVDC 输电系统包括两个换流站、直流输电线路以及两端的交流系统。换流站 1 运行于整流状态，将交流系统 1输送来的三相交流电整流成直流电，通过直流输电线路传送到换流站 2，换流站 2 工作于逆变状态，将直流电逆变成三相交流电。图 1 HVDC 的基本工作原理换流站是 HVDC 的核心设备。换流站的主要设备如图 2 所示： 图 2 换流站主接线图 2 中主要设备如下：(1)换流变压器 把交流系统电压变为换流桥所需的交流电压。(2)换流桥(阀桥) ac dc 或 dc ac 的变流设备。(3

4、)直流(平波)电抗器 减少直流电压及电流的波动，受扰时抑制直流电流上升速度。(4)直流滤波器组 直流侧滤波用，单桥时为 6n 次谐波，双桥时为 12n 次谐波( n =1,2,)。(5)交流滤波器组 交流侧滤波用，一般单桥时为 6n1 次谐波，如5，7，11，13 次及高周；双桥时为 12n1 次谐波，如 11，13 次及高周。(6)无功补偿设备 提供直流系统运行所需的无功功率，并作电压调节用。可采用电容器组、调相机或静止无功补偿器(SVC)。三、HVDC 仿真模型图 3 中，500KV、5000MVA、50HZ 的交流输电系统(EM)通过 1000MW 的直流输电线路与 345KV、1000

5、0MVA、50HZ 的交流输电系统(EN)相连。两个交流输电系统的相角为 80 度，基频为 50HZ，并带有 3 次谐波。输电线路为 300Km，线路电阻为 0.015, 线路电感为 0.792， 线路电容为 14.4n;EM 侧线路电阻为26.07，线路电感为 48.86mH；EN 侧线路电阻为 6.205，线路电感为13.96mH；两端均接 0.5H 的平波电抗器。整流桥和逆变桥均由两个通用的 6 脉冲桥搭建而成。交流滤波器直接接在交流母线上，它包括 11 次、13 次和更高谐波等单调支路，总共提供 600Mvar 的容量。两个断路器模块分别为模拟整流器直流侧故障和逆变器交流测故障。图 3

6、 HVDC 仿真模型图3.1 整流环节双击图 3 中的“整流环节”子系统，如图 4 所示。其中，变换器变压器使用三相三绕组变压器模块，接线方式为 Y0-Y-来联结，变换器变压器的抽头用一次绕组电压的倍数（整流器选 0.90，逆变器选 0.96）来表示。图 4 整流环节子系统结构双击图 4 中的“整流器”子系统，打开后如图 5 所示。其中，整流器是用两个通用桥模块串联而成的 12 脉冲变换器。图 5 整流器子系统结构3.2 逆变环节双击图 3 中的“逆变环节”子系统，如图 6 所示。与“整流环节”子系统结构相似，在此不再赘述。图 6 逆变环节子系统结构3.3 滤波环节从交流侧看，HVDC 变换器

7、相当于谐波电流源；从直流侧看，HVDC 变换器相当于谐波电压源。交流侧和直流侧包含的谐波次数由变换器的脉冲路数 p 决定，分别为 kp1(交流侧)和 kp（直流侧）次谐波，其中 k 为任意整数。对于本节的仿真而言，脉冲为 12 路，因此交流侧谐波分量分别为 11 次、13 次、23 次、25 次直流侧谐波分量为 12 次、24 次。为了抑制交流侧谐波分量，在交流侧并联了交流滤波器。交流滤波器为交流谐波电流提供低阻抗并联通路。在基频下，交流滤波器还向整流器提供无功。双击图 3 中的“滤波器”子系统，如图 7 所示。可见，交流滤波器电路由150Mvar 的无功补偿设备、高 Q 值（Q=100）的

8、11 次和 13 次单调谐滤波器，低Q 值（Q=3）的减幅高通滤波器（24 次谐波以上）组成。图 7 滤波器子系统结构四、仿真结果分析基于图 3 所示的 HVDC 模型，分别对系统稳态、直流线路故障、逆变侧 a 相接地故障的情况进行仿真，仿真结果如下。4.1 稳态系统波形仿真后的电压和电流波形如图 8 所示。图中 表示直流侧线路电压， 和 分别表示直流侧线路电流和实际参考电流，均为标幺值，alpha 为整流器的触发延迟角。可见，系统经过一段时间后能够稳定运行。稳态后，直流电压为 1pu，直流电流为 1pu。图 8 稳态系统直流侧波形4.2 HVDC 系统的起停和阶跃响应仿真波形打开整流器示波器

9、，得到电压和电流波形如 9 所示。波形从上到下依次为以标幺值表示的直流侧线路电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，整流器控制状态。图 9 整流侧相关波形打开逆变器示波器，得到电压和电流波形如 10 所示。波形从上到下依次为以标幺值表示的直流侧线路电压和直流侧参考电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，逆变器控制状态，熄弧角参考值和最小熄弧角。图 10 逆变侧相关波形结合图 9 和图 10 可以得出其仿真的大致过程如下：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值 0.1p.u.，

10、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 1.0 p.u.（2KA） ，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 1 p.u.（500KV ） 。在稳定状态下，整流器的触发延迟角在 16.5附近，逆变器的触发延迟角在 143附近。逆变器子系统还对两个 6 脉冲的各个晶闸管的熄弧角进行测量，熄弧角参考值为 12，稳态时，最小熄弧角在22附近。3）在 0.7s 时，参考电流出现-0.2 p.u.的变化，在 0.8s 时恢复到设定值。可见系统的

11、阶跃响应。4）在 1.0s 时，参考电压出现-0.1 p.u.的偏移，在 1.1s 时恢复到设定值。可见系统的阶跃响应，此时逆变器的熄弧角仍然大于参考值，5）在 1.1s 时，整流器为 最小值限制控制状态，逆变器仍为电压控制状态。6）在 1.4s 时，触发信号关断，使得电流斜线下降到 0.1 p.u.。7）在 1.6s 时，整流器侧的触发延迟角被强制设置为 166，逆变器侧的触发延迟角被强制设置为 92，使得直流线路放电。8）在 1.7s 时两个变换器均关断，变换器控制状态为 0.在本仿真中，控制状态有七种：0 表示关断，1 表示电流 控制，2 表示电压控制，3 表示 最小值限制，4 表示 最

12、大值限制，5 表示 的设定值或者常数，6 表示 控制。4.3 直流侧线路故障打开直流侧断路器 DC Fault 模块，设置其在 0.7s 时导通，0.75s 时断开，接地时间为 0.05s，将仿真结束时间设置为 1.4s。整流侧相关波形如图 11，逆变侧部分相关波形如图 12。图 11 分析如下：直流侧接地短路时，直流侧电流激增到约 2.2p.u.，直流侧电压降为 0。通过直流侧保护模块的调制，参考电流下降到 0.24pu，因此故障发生后，直流侧仍有直流电流流通。在 t=0.772s 时，触发延时角被强制设为 1660，整流器运行在逆变状态，直流侧电压变为负值，存储在直流线路中的能力转而向交流

13、系统输送，导致故障电流在过零点时快速熄灭。t=0.822s 时，触发延时角强制 1660解除。直流侧电压和电流在 0.5s 后恢复正常。图 11 整流侧相关波形图 12 逆变侧相关波形其中，图 11 中从上到下分别为以标幺值表示的直流侧线路电压，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，整流器控制状态。图 12 中从上到下分别为标幺值表示的直流侧线路电压和直流侧参考电压， ，标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流，以角度表示的第一个触发延迟角，逆变器控制状态，故障处的短路电流，逆变侧交流侧三相电压和电流。4.4 交流侧线路故障取消直流侧断路器动作，使逆变侧断路器在 0.7s 时导通，0.8s 时断开，接地时间为 0.1s。逆变侧的相关波形如图 14 所示。图 13 分析如下：故障导致直流电压和直流电流出现了振荡，故障开始时，逆变器两个阀进行换相时，因预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，又重新导通，即出现了换相失败现象，直流电流激增到 2pu。t=0. 8 s 时清除故障，逆变侧保护模块将参考电流调节到 0.3pu，经 0. 35 s 后系统恢复正常。图 13 整流侧相关波形