（电气工程专业论文）直流输电物理模拟系统研究.pdf

重壅查堂堡：兰兰垡堡壅 主塞塑垩 摘要 随着三峡电站发电机组的陆续投产、“西电东送、南北互供、全国联网”格局 的逐步完善，我国电网将会出现越来越多的高电压、长距离直流输电工程，但目 前国内已取得的研究成果还不能完全满足实际发展的需要，因此对直流输电系统 进行物理和数学模拟，研究其稳态和暂态特性将具有重要的理论和实际意义。 本文在分析研究国内外有关直流输电物理模拟和数学模拟研究状况的基础 上，利用相似原理、控制理论、m a t l a b 计算机仿真等工具，紧密结合电气工程 学院2 1l 工程项目，以三峡一常州直流输电工程为原型，针对直流输电系统的物理 模拟作了以下研究工作： ( 1 ) 为深入了解直流输电系统的运行特性，基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的混 合仿真功能，建立了以三蛱一常州直流输电工程为原型的混合仿真数学模型。分别 对模型的稳念和暂态特性进行了数值仿真分析。 ( 2 ) 依据相似原理中标么值相等的方法，确定了直流输电一次系统模型设备参 数计算的相似判据，分别对直流输电线路、换流变压器和滤波器进行了模拟分析、 相似推导和参数计算。 ( 3 ) 直流输电控制系统的模拟及其物理模型研制是本文研究的重点。根据科学 研究的需要，并结合实验室实现的可能性，与西蜀电力控制设备厂共同研制了直 流输电控制系统模型。 a 提出了直流输电控制系统模型分层分级控制和双机热备的设计思想。 b 确定了直流输电控制系统模型结构。 c 完成了直流输电控制系统模型的硬件和软件设计。 d 实现了直流输电控制系统模型各级控制功能。 直流输电系统物理模型的研制为以后研究交直流联合运输中的系统行为提供 了实验条件和参考依据。、 关键词：直流输电系统，控制系统，物理模拟，数值仿真 里塑型苎型兰鱼堡苎 萎苎塑要 a b s t r a c t w i t ht h eg e n e r a t o r so ft h r e eg o r g e s p o w e rs t a t i o nh a v i n gb e e np u ti n t op r o d u c t i o n i n s u c c e s s i o n ，t h es i t u a t i o n so ft r a n s m i t t i n gw e s t e r n p o w e r t o e a s t ，e x c h a n g i n g e l e c t r i c i t yb e t w e e ns o u t ha n dn o r t ha n di m e r l i n k i n gi nt h ew h o l ec o u n t r ya r eb e c o m i n g p e r f e c ts t e pb ys t e p ，s om o r ea n dm o r eh v d c w i l la p p e a ri no u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，i t i si m p o r t a n tb o t ht os i m u l a t eh v d ci nt w ow a y so f p h y s i c a la n dm a t h e m a t i ca n dt o s t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n ts t a t e o nt h eb a s eo f i n v e s t i g a t i o no nt h er e l a t e dl i t e r a t u r eo fh v d cp h y s i c a lm o d e la n d m a t h e m a t i cm o d e l ，u s i n go fs o m eo ft o o l s ，e g r e s e m b l ep r i n c i p l e ，c o n t r o l t h e o r y , m a t l a b s i m u l i n kt o o l se t e ，c o n s i d e r i n gt h e211 p r o j e c ti nc o l l e g eo fe l e c t r i c a la n d e n g i n e e r i n ga tt h es a m et i m e ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h eh v d cp h y s i c a l m o d e l t h em a i nw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt o u n d e r s t a n dt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh v d c ，t h eh y b r i d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh v d ci sm a d eb yu s i n go fm a t l a b s i m u l i n kt o o l s i n a d d i t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s os t u d i e sc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n ts t a t ea n ds t e a d ys t a t e o f t h i sm o d e l b y m e a n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 2 ) t h ep h y s i c a ls i m u l a t i o no fh v d cp r i m a r ye q u i p m e n t si sc h i e f l yo nt h eb a s i s o ft h em e t h o do f e q u a l i t yb e t w e e np u v a l u e si nr e s e m b l ep r i n c i p l e s o m ee q u i p m e n t s ， s u c ha st r a n s m i s s i o n l i n e s ，c o m m u t a t i o nt r a n s f o r m e r s a n d f i l t e r s ，a r ea n a l y z e d ， s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e ds e p a r a t e l ya sm a i n p a r t so f h v d c i nt h i sd i s s e r t a t i o n ( 3 ) t h ee m p h a s i si nt h i sd i s s e r t a t i o ni s s i m u l a t i o no fh v d cc o n t r o ls y s t e ma n d h v d c p h y s i c a lm o d e ld e v e l o p m e n t g i v e no f t h ed e m a n do fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt h e l i m i t so fc u r r e n tc o n d i t i o n si nl a b ，t h ec o n t r o ls y s t e mm o d e li ss u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d b yt o g e t h e rw i t hx is h um a n u f a c t u r ef a c t o r y t h e s ew o r k sa r er e a d yf o rs t u d y i n go n s y s t e m a c t i o n so c c u r r e di nh y b r i d t r a n s m i s s i o n ? f a c d c a ) t h ed e s i g ni d e a so f l e v e lc o n t r o la n d s t a n d b ye a c h o t h e ra r ep u tf o r w a r d b ) t h ec o n f i g u r a t i o no f c o n t r o ls y s t e m m o d e li ss e t c ) t h ed e s i g n s o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ec o m p l e t e d d 1t h ea l lc o n t r o lf u n c t i o n so f c o n t r o ls y s t e mi np h y s i c a lm o d e la r er e a l i z e d t h e d e v e l o p m e n t o fh v d cp h y s i c a lm o d e lo f f e r st h er e f e r e n c e g i s t a n d e x p e r i m e n tc o n d i t i o nt ot h es t u d y o f a c d cc o m b i n e dt r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：h v d c ，c o n t r o ls y s t e m ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i ：! ! 旦鏊堂堡主堂堡笙奎 ! 笪笙 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 自从1 9 5 4 年世界上第一条工业性高压直流输电线路投运以来，随着电力电子 技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，高压直流输电技术且趋完善。在特定 条件下，例如大功率远距离输电、海底电缆、交流系统间异步联接以及控制的迅 速灵活等方面，高压直流输电的优点明显超过交流输电。我国由于幅员辽阔，资 源较为丰富，水力资源2 3 左右分布在西南、西北地区，煤炭资源2 3 左右集中在 内蒙、山西等地，利用这些资源发电输送到负荷中心需要长距离大功率输电；我 国沿海岛屿星罗棋布，需要发展海底输电；全国大城市的供电，各大电力系统的 互联都宜采用直流输电1 7 l 。目前，世界各国先后投入了7 0 多个直流输电工程，总 的传输容量超过6 0 g w 。我国现已投运的直流输电系统工程有：浙江舟山、葛洲坝 一上海、广州天生桥以及三峡一常州等，在建和规划中的直流输电工程也多达 七、八项。可以预测随着三峡电站发电机组的陆续建立投产和“西电东送、南北互 供、全国联网”格局的逐步完善，我国电网将会出现更多的直流输电工程建设，目 前直流输电已进入了一个快速发展的黄金时期，因此对直流输电系统进行研究具 有重要的理论和实际意义。 电力系统进行科学研究的手段一般有两种，一种是数学模拟，另一种是物理 模拟。所谓数学模拟，就是建立与原型系统元件的输入输出关系相同的数学模型， 然后组成系统的数学模型进行计算分析研究。数学模拟的优点是比较灵活、计算 精度高、能仿真很复杂的系统、数据处理和存储方便，而数学模拟的缺点则是不 准确，缺乏客观性，实时性差，直接带模拟式自动化装置困难，尤其是近几年来世 界各地陆续发生的大规模停电事故暴露了数学模型的不足，比如1 9 8 5 年5 月1 7 日发生在南佛罗里达州的一起电压崩溃事故：一条带较轻负荷的5 0 0 k v 线路跳闸， 数学仿真的结果显示该系统有自恢复的能力，而实际却发生了崩溃【j 。另外1 9 9 6 年在美国东部也出现过因数学模型不准确而造成次大规模的停电。这些事故都 说明了由于人们对实际设备的认识有限，因而所建造的数学模型在某种程度上并 不能完全反映原型的全貌，这也是数学模型的一大局限性。 所谓物理模拟，就是建立与原型电力系统元件在物理特性上相似的模型，然 后组成相似的系统进行实验研究【8 “。物理模拟的优点在于物理模型反映了原型的 物理过程，现象直观、丰富，能直接带模拟式自动化装置，但使用不够灵活，不 可能仿真很复杂的系统，建造比较困难。电力系统物理模型( 简称动模) 是根据 相似原理建立起来的电力系统物理模拟。相似理论是模拟的理论基础，它指出了 重庆大学硕士学位论文l 绪论 相似现象之间的关系，提供了要使模型与原型系统中物理现象相似的充分和必要 条件。根据相似的要求，两系统相似则两系统的变量和参数在整个过程中应该保 持一定的比例。设原型系统的参数为x - 、x 2 、x 。，模型系统的参数为y ，、y 2 、 y n ，则相似系数定义为： m 。垒l ，m 2 垒兰，m 。垒量 ( 1 1 ) 相似系数是联系两个系统的纽带，它是建立模型系统的准则，同时也是由模 型现象推算原型现象的计算系数。在建立模型系统的时候，一部分相似系数是可 以自由选择的，余下的相似系数则要按一些约束条件来计算确定。作为两个相似 的系统，相似系数必须遵守的这些约束条件就是系统的相似标准的实质。相似第 一定理指出：相似系统应该有同样的相似判据，即其相似指标应该等于1 。假设 原型系统的方程为： f ( x 1 ，x 2 ，x 。) = 1 ( 1 2 ) 则模型系统方程应为： f ( y ，y 2 ，y 。) = 1 ( 1 3 ) 由此可以建立两系统参数之间的联系方程： f ( x 1 ，x 2 ，x 。) = f ( y l ，y 2 ，、n ) ( 1 4 ) 作为相似的系统，应有确定的相似系数进行转换。用模型系统参数表示原型 参数，则有： f ( m 1 y i ，m 2 y 2 ，m 。y 。) = f ( y l ，y 2 ，y 。) ( 1 5 ) 这时，方程两边对应项参数完全相同，而左端各项将增加一个由相似系数构 成的因子：( 设项数为p ) g l ( 小l ，m 2 ，珊。) ，9 2 ( m l ，啪2 ，m 一) ，g ，( m 1 ，珊2 ，珑一) n 6 、 首先按对应项相等提出相似系数的约束条件，应有： m f n 2 ，朋一1 2 1 j9 2 ( m 1 埘2 ，一，n ) _ 1f 1 7 ) b g p ( m l , m 2 ，州：。 如果其中某几个含系数个数较少的约束条件满足之后，即可满足另一个含系 数个数较多的约束条件，则此条件称为冗余条件，应删除，留下必要的条件构成 相似指标。 相似指标表示各物理量所采用的相似系数间的关系，即相似判据相同。在模 拟某一现象时，所参与的物理量间应保持某一固定关系，这关系就称为相似判据 ( 无量纲) 。确定相似判据的方法有两种，一种是量纲分析法，另一种是分析方程 重庆大学硕士学位论文 式法。采用分析方程式法较为简单，方法有：比例系数法，积分相似法， 标幺值相等法。为了方便，在模型中对电压、电流、功率等量采用缩小了的比例 尺，采用标幺值相等法：而对时间量和定义与时问有关的频率以及电角度等量采 用l ：i 的比例尺。在本论文中就是采用这种方法。在实际中，我们并没有必要使 原型与模型完全相似，因为那样会使模拟大为复杂，一般在模拟时总是只对某些 着重研究方面的现象进行局部模拟或近似模拟【8 “。 电力系统的模拟方法中，物理模拟是各种原型的精小缩影，如实验中的模拟 控制系统等。物理模型元件的设计不仅考虑了电路上的相似，甚至在一些元件模 型中还考虑了场的相似。它可以自动地反应原型系统元件在暂态过程中所表现出 的特性，这往往在数学模型中不方便也不可能模拟出来。本课题所研究的直流输 电系统物理模型是根据模拟理论及相似原理，将实际的原型系统按一定比例缩小 构建的物理模型系统。模型系统的电磁耦合、时间、频率、电气参数的过渡过程 力求与原型相同，电气参数的变化标么值与原型接近，从而可在模型系统上再现、 复制原型系统的各种运行状态及电气参数变化规律，并可完成必要的实验。直流 输电系统物理模型的建成为研究直流输电系统的性能、交直流联合运行中的系统 行为等问题提供了条件。在保证物理模拟的可能性、准确性、经济性的前提下， 对直流输电系统进行物理模拟无疑具有一定的学术和实用价值。 1 2 国内外研究现状 直流输电的发展可概述为三个阶段“j ： 第一阶段是1 9 5 4 年以前。这一阶段的主要特点是直流输电工程的参数比较低， 换流装置几乎都是采用汞弧阀。 第二阶段是发展阶段，时间从1 9 5 4 年至1 9 7 2 年。1 9 5 4 年由瑞典本土通过海 底电缆向戈特兰岛送电，是世界上第一条工业性直流输电线路，这标志着直流输 电开始进入发展阶段。这一阶段的主要特点是直流输电设备的制造技术、施工质 量、运行水平都有了很大的提高，从而使直流输电进入了工业实用阶段，并开始 将直流输电技术用于不同的用途。虽然仍采用汞弧阀，但在参数和容量上都有了 很大的改进。 第三阶段为大力发展阶段，时间从1 9 7 2 年到现在。这一阶段的主要特点是新 建设的直流输电工程几乎全部采用晶闸管阀，不仅电压大大提高，而且输送容量 也有了明显增加。这一阶段的代表工程有巴西的伊泰普直流输电工程和苏联的耶 基巴斯图兹至欧洲中央部分的直流输电工程。 我国的高压直流输电研究是从六十年代才开始，起步较晚。1 9 7 7 年，在上海 建成并投入了我国第一条3 1 k v 、4 6 5 0 k w 、地下电缆长8 6 k m 的直流输电试验线 墅r 丈堂堡主堂垡堡塞 ! 笪堡 路。1 9 8 7 年，浙江舟山投运的士1 0 0 k v 、1 0 0 m w 、5 4 k m 高压直流输电工程是我国 第一条自行设计、施工，全部设备国产化的输电线路。1 9 9 0 年投运的葛洲坝一上 海的直流输电工程其电压为士5 0 0 k v ，输送容量1 2 0 0 m w ，输送距离1 0 4 7 k m 【4 1 。1 9 9 9 年调试完成的广州一天生桥的直流输电工程其电压为主5 0 0 k v ，输送容量1 8 0 0 m w ， 输送距离9 6 0 k m f ”。2 0 0 2 年投运的三峡一常州直流输电工程其电压士5 0 0 k v ，输送 容量3 0 0 0 m w ，输送距离8 9 0 k m 。目前在建的有三峡一惠州、安顺一肇庆、三峡一 万州、灵宝背靠背等一系列直流输电工程。2 0 2 0 年前计划建设的直流输电工程有： 小湾、糯扎渡送广东的3 0 0 0 m w 工程；溪落渡、向家坝向华中、华东送电 1 6 0 0 0 m w ；西南水电送江西、福建的3 0 0 0 m w 项目；广东与海南用宜流电缆 联网，输送容量为1 0 0 0 m w 。2 0 0 8 年将投运三峡右一练塘士5 0 0 k v ，3 0 0 0 m w 直流 工程；开远一江门士6 0 0 k v ，3 0 0 0 m w 直流工程：糯扎渡一湛江市士6 0 0 k v ，3 5 0 0 m w ， 向海南送电。 世界上建有直流输电的发达工业国家和巴西、印度等发展中国家都建立了高 压直流输电模拟装置，并有与实际直流线路相同的控制保护硬件和软件，可以详 细研究直流输电系统的性能。我国在此方面的研究可以追溯到6 0 年代初期，作为 前苏联援助中围的1 5 6 个项目之，中国电力科学研究院建设了我国第一个电力 系统物理模拟实验室。该实验室有别于以前直流计算台和交流计算台这些研究静 态特性的模型，它可以研究电力系统的动态过程，因此又称其为电力系统动态模 拟实验室。随后，清华大学、华中理工大学等约1 0 个重点大专院校及电力部南京 自动化研究院也相继建成了动模实验室。清华大学除在该实验室对电力系统行为 进行电力系统参数辨识外，还成功地完成了电力系统稳定器( p s s ) 及静止同步补 偿器( s t a t c o m ) 的研究，并承担了可控硅控制的串联补偿装置( t c s c ) 的物 理模型的研究工作。这些都被列入国家自然科学基金支助项目。华中理工大学在 5 0 0 k v 交流输电线路保护检测和直流输电系统的模拟方法中做出了重要的贡献， 成为了我国直流输电技术方面的培训中心1 4 】。 在葛上线直流输电工程中，我国科技人员克服技术封锁等困难，建立了自 己的直流输电模拟装置，并为我国自己制造的舟山直流输电工程的研究工作发挥 了一定作用【2 1 。 中国电科院仿真实验室中的直流输电仿真设备是随葛上直流输电工程一起 引进的，它可以模拟两个双极直流系统，具有换流器，换流变压器，交、直流滤 波器，断路器，直流线路等一次设备模型，还有与工程相同性能的并行实时控制 保护设备。通过实验可发现电网中从机电到电磁暂态各时域中的未知物理现象， 能够更真实更准确地反映直流系统的运行工况，利用此仿真系统可检验实际控制 装置的控制性能和各种保护的配置1 4 j 。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 本文的研究目的和研究内容 本课题以三峡常州直流输电工程为研究对象，在全面深入地了解直流输电原 理的基础上，着重弄清三峡一常州直流输电工程控制系统的原理和性能，尤其是触 发脉冲的产生与控制，以及一次系统的结构与设备配置原则，从而在此基础上研 究怎样科学、经济、合理地建立一个与直流输电系统原型相符的物理模型，如条 件允许还将作一些运行与控制方面的试验，为今后研究交、直流联合运输中出现 的系统行为提供实验条件和参考依据。 在此期间，我们分别与武汉市华中电力电子实验设备厂联合研制出三峡一常州 直流输电系统的一次部分，与重庆西蜀电力控制设备厂共同研制出直流输电控制 系统模型。其中直流输电控制系统物理模型的设计与研制是本论文研究的重点内 容。 墼盔堂堡主堂垡堡壅 ! 塞鎏塑皇墨竺塑塑堕堕塞 2 直流输电系统的数值仿真 2 1 概述 为深入了解直流输电系统的运行特性，本文以三峡一常州直流输电工程为原 型，建立了数值模型进行仿真分析。 高压直流输电( h v d c ) 系统的暂态仿真对于电力系统研究、规划、设计和运 行等起着重要作用。为能较好地反映系统动态过程中大扰动下交直流系统间的相 互作用，目前大多采用时域仿真的研究方法。基于电磁暂态程序( e m t p ) 的系统 仿真虽具有较好的精度，但其仿真步长要比一般机电暂态过程计算所用的仿真步 长小2 、3 个数量级，从而花费大量的机时，这在大扰动下对大规模交、直流电力 系统进行电磁暂态仿真是不现实的。还有一种方法是在进行机电暂态仿真时用准 稳态方程描述换流器，并将直流线路简化为一个惯性环节，但这对于直流系统过 于简化，不能准确地描述故障后换流器的恢复过程，甚至会导致错误的结论。此 外，当考虑直流线路的故障及恢复性能时，也有必要在仿真模型中对直流线路及 直流输电控制系统进行有效而准确的描述 5 8 1 。 本文采用m a t l a b s i m u l i n k 对三峡一常州直流输电原型系统进行数值仿真，其 强大的数学运算能力、丰富的绘图功能和语言的高度集成是m a t l a b s i m u l i n k 的 突出特性，不论是电力网络、电力电子还是各种控制系统它都能利用相应的p s b ( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) 工具，在同一个框图下通过各种变步长积分用状态变量 法对交直流输电系统进行仿真；同时s i m u l i n k 图形界面为用户提供了良好的仿真环 境，可实时地显示结果。m a t l a b 丰富的工具箱方便用户对目标参数进行优化及 对仿真结果做出处理等。本文对三峡一常州直流输电系统的暂态和稳态特性进行 了混合数值仿真，分析了系统在启动、小扰动、直流线路对地故障和交流单相对 地故障等情况下的运行性能。 2 2 仿真原理 电力系统暂态、稳态仿真主要研究电力系统网络元件模型的建立及数值方程 的求解，目前己开发出的主要仿真方法有状态变量法、节点分析法及修正节点分 析法等。这些方法已用于开发不同的仿真软件，如适用于电磁暂态仿真的e m t p 程 序( 基于固定时间步长梯形积分的节点分析法) 和用于电子线路、电力电子仿真 的s p i c e ( 基于变步长积分的修正节点分析法) 等。每个仿真软件都具有自己的优 缺点，即有较其它软件更适合解决某一特定闯题的特点，如e m t p 很适合没有换流 器的大型电力网络，而s p i c e 适用于有电力电子系统的小型网络。 里塑型! 童堡主堂塑堡壅 ! 皇堕塑皇墨丝塑墼堕堕壅 基于m a t l a b s i m u l i n k 的电力系统用两部分表示，即线性电路的状态空间模 型和非线性元件反馈模型。 2 2 1 线性电路模型 线性电路通常包括电阻器、电抗器、电容器和互耦电感，其状态方程可表示 为： z = a x + b “ ( 2 1 ) ，= c x + d u( 2 f 2 1 其中x 和x 。是状态变量及其导数；“是输入向量：y 是输出向量；a ，b ，c ， d 是状态矩阵。 线性电路中，状态变量是电容电压和电感电流；输入是电压、电流源；输出 是被测电压和电流。 2 2 1 2 非线性元件仿真 非线性元件，如变压器、滤波器、非线性电感、开关、电机等，用非线性矿1 曲线来建模。每个非线性模型用元件两端的电压作为输入，并将返回的电流注入 线性电路状态空间模型，从而在线性电路状态空间模型输入、输出间形成反馈回 路。 2 2 3 状态初始化 在获得系统状态空问模型后，必须对所有状态变量进行初始化，以便可从稳 态开始仿真，初始化向量矗可通过下面的处理来获得。 系统状态方程可以表示成式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 所示输入变量的函数： z = ( s ，一4 ) 。1 b u( 2 3 ) y = 击= c ( s l 一彳) “占+ d ( 2 4 ) u 其中j 是拉普拉斯算子：x ，u ，y 是状态变量、输入向量、输出向量的拉氏变 换：，是 雄) 单位矩阵。 现设s = j c o ，则用输入电压和电流向量可计算状态向量的稳态值和扛0 时的 初始值，角频率为的输出向量直接从式( 2 4 ) 中得到。如果系统含有不同频率分量 的电压和电流源，对于每个频率分量重复上述过程，向量是每个频率分量下求 得的向量总和。 2 3 模型建立与仿真分析 2 - 3 1 建模 模型结构及参数 本模型是按照三峡一常州直流输电系统的结构和参数建立起来的。三峡一常州 妻堡型苎! ! 壁堂垡笙奎 ! 塞堕塑皇墨竺塑塑堕堕塞 直流输电系统其电压等级为士5 0 0 k v ，传输功率3 0 0 0 m w ，4 全- k 8 9 0 k m ，整个系统可 分为三峡侧交流系统、常州侧交流系统和直流系统组成。各部分结构与参数如陶 2 ，1 所述： 整流侧 逆变侧 静 厂k 、南l。i t _ ， 、 i l 斟虬缝鄣p 辄 j 咚堡 l 马_ j 壬型 。：l 仁：卜_ j v d = 5 0j o k v l d = 3 0 0 0 a 图2 1 直流输电系统原型结构图 注：图中电阻、电感、电容器的单位分别为q ，m h ，# f i g 2 1t h e p r o t o t y p ec o n f i g u r a t i o no f h v d c n o t e ：t h eu n i t so f r e s i s t a n c e s ，i n d u c t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e si nt h i sf i g u r ea r e s e p a r a t e l yq ，m h ，胪 三峡交流侧系统由无穷大电源、滤波器、单相换流变压器组成；常州侧交流 系统由无穷大电源、滤波器、电容补偿器和单相换流变压器组成；直流系统由直 流输电线路、换流装置、直流滤波器、接地线与接地极组成。 为保证模型准确性，模型中直流输电线路采用1 8 个1 0 0 m 的万型等值电路代替， 并充分考虑了接地极的作用。 模型的运行参数和控制方式 本模型使用常规控制方式，即整流侧定电流、逆变侧定电压控制方式，电流 裕度i 定为0 1 p u ，电压裕度u 定为0 0 5 p u 。依据原型实际工况及模型的设定限制， 稳定运行时各参数期望控制值如下：整流侧电流参考值，。，= 3 0 0 0 a ，逆变侧电压 参考值u 。r = 5 0 0 k v ，单极传送额定功率p = 1 5 0 0 m w ，双极传送额定功率 尸= 3 0 0 0 m 矽，整流侧延迟触发角口应在1 0 0 2 0 。之间，逆变侧的延迟触发角应大 于9 0 0 ，关断越前角，应大于1 5 。，以避免换相失败。 为使直流系统在扰动期间具有良好的性能并避免换相失败，本模型在整流侧 和逆变侧电流控制器中均设置了v d c o l ( v o l t a g ed e p e n d e n tc u r r e n t o r d e r l i m i t e r ) ，在直流线路整流侧正负极均设置了强制性口保护。 2 3 。2 仿真实验与分析 重庆犬学硕士学位论文 2 直流输电系统的数值仿真 系统启动和小扰动实验 1 1 实验条件 在该实验中设计直流电流i d 从0 0 2 s 开始以i 0 4 p u 的斜率上升，约在0 5 s 达到稳 定运行状态。o 6 s 时在电流基准值。，上加一o 2 p u 酿 j 扰动然后在0 7 s 消失。通过实 验可看到整流侧和逆变侧直流电压u d ( p u ) 、直流电流i d ( p u ) 以及触发延迟角口的 动态响应，还可求出正常运行时的整流侧和逆变侧的换相角，以此推算出逆变侧 的关断越前角的大小，并判断是否满足安全运行要求。 图2 2 小扰动下整流侧的动态响应 f i g 2 2d y n a m i cr e s p o n s eo nr e c t i f i e rs i d ei nt h ec i r c u m s t a n c eo f s m a l ld i s t u r b a n c e 9 重壅奎兰堡主堂垡堡壅 ! 曼堕堕皇墨竺盟塑堕堕塞 图2 3 小扰动f 逆变侧的动态响应 f i g 2 3d y n a m i cr e s p o n s eo ni n v e r t e rs i d ei nt h ec i r c u m s t a n c eo fs m a l ld i s t u r b a n c e 图2 4 整流侧换相角 f i g 2 4c o m m u t a t i o n 西e o nr e c t i f i e rs i d e 1 0 重塾兰堡主堂垡笙奎 ! 皇堕堕皇墨竺塑垫堕堕壅 图2 5 逆变侧换相角 f i g 2 5c o m m u t a t i o na n g l eo l li n v e r t e rs i d e 2 1 结果分析 从图2 2 和图2 3 可以看出，直流电流从0 0 2 5 开始启动上升，系统约在0 ，5 5 达到 稳定状态。此时整流侧直流电压约为1 0 5 p u ( 5 2 5 k v ) ，直流电流l p u ( 3 0 0 0 a ) ，触发 延迟角d 为1 8 5 。，整流侧的换相角a 从图2 4 可求出： 一= ( o 5 0 9 2 5 0 5 0 8 6 1 ) x 3 6 0 。o 0 2 = 1 1 6 。( 2 5 ) 逆变侧直流电j 玉l p u ( 5 0 0k v ) ，直流电流0 9 p u ( 2 7 0 0 a ) ，触发延迟角口为1 4 5 。 逆变侧的换相角从图2 5 可求出： a = ( 0 5 5 9 2 5 一o 5 5 8 7 0 ) 3 6 0 。0 0 2 = 9 9 。( 2 6 ) 因此逆变侧的关断越前角y 为： y = 1 8 0 。一1 4 5 。一9 9 。= 2 5 1 。 1 5 。( 2 7 ) 由此可得出：稳定运行时该系统能在期望的电压电流下传送额定功率，并且 能有效避免换相失败的故障。 0 6 s 时一o ，2 p u 的扰动电流加在参考电流j 。上然后在0 7 s 消失，从图2 - 2 和图2 3 可看出系统受到的干扰很小，并且在扰动消失后系统很快就恢复了稳定运行状态。 整流侧直流线路接地故障实验 1 ) 实验条件 直流输电系统中，直流线路上的故障大多是极对地故障，只有出现相当大的 物理性破坏时才有可能使两个极导体碰到一起发生极对极故障。因此本实验仿真 的是常见故障，即直流线路对地故障，也称作极对地故障1 8 3 o 本实验中直流电流j d 从0 0 2 5 开始以i 0 4 p u 的斜率上升，大约在0 5 5 时可达到稳 定运行状态。设计0 6 s 时在距整流侧很近的正极直流输电线路某点发生接地故障， 该故障持续0 i s 后于0 7 5 自动消失。强制性a 保护功能受故障影响在0 6 s 时启动， 0 7 5 停止作用，这样可以防止系统发生换相失败。同时v d c o l ( 依赖于电压的电流 重庆大学硕士学位论文 2 直流输电系统的数值仿真 指令限制) 保护也在故障发生后迅速作用，从而可在电压幅值严重下降时，强制性 地降低直流电流，使逆变器从换相失败中恢复过来。 通过实验可看到当直流输电系统发生直流线路对地故障时，整流侧和逆变侧 的直流电压u d ( p u ) 、直流电流i d ( p u ) 以触发延迟角a 的动态响应。 图2 6 直流线路正极接地故障时整流侧的动态响应 f 嘻4 5d y n a m i cr e s p o n s eo nr e c t i f i e rs i d ei nt h ec i r c u m s t a n c eo f d c l i n e t o 。g r o u n df a u l t 重庆大学硕士学位论文 2 直流输电系统的数值仿真 图2 7 直流线路正极接地故障时逆变侧的动态响应 f i g 2 7d y n a m i cr e s p o n s eo ni n v e r t e rs i d ei nt h ec i r c u m s t a n c eo f d cl i n e 。t 0 1 9 r o u n df a a l t 2 1 结果分) | ! f r 从图2 6 和图2 7 可看到，0 6 s 以前，系统处于稳定运行状态中，0 6 s 时距整流侧 很近的某点直流线路发生对地故障时，整流侧发生以下变化： 由于直流线路上发生对地故障，因此直流电压瞬时降至o 并在故障期间保持。 在直流电压严重下降的故障情况下，v d c o l ( 依赖于电压的电流指令限制) 立即动 作，将整流侧电流参考值降为o 3 p u ( 9 0 0 a ) 。由于线路上存在电感，因此直流电流 不能立即降为o ，而是受直流电压瞬变的作用在较短的时间内上升到1 7 p u 刺o 。 重庆火学硕士学位论文 2 直流输电系统的数值仿真 o 6 s 故障发生时，强制口保护收到的输入信号为高，它使触发延迟角增至1 6 5 。，此 时整流侧处于逆变运行状态，直流电压变为负电压，这样就可以为建立换流端电 压的正确极性而清除故障，并将储存在线路中的能量返回到交流网络，使故障电 流在下一个过零点快速熄灭。o 7 s 故障消失时强制a 保护释放口角，如图2 6 所示整 流侧直流电压和直流电流约在0 3 s 后恢复正常值。 故障期间逆变侧发生以下变化： 由于故障不是发生在逆变侧，所以逆变侧的直流电压不是立即降为0 ，而是经 过一个短暂的振荡后衰减降为0 。受整流器电流控制的作用逆变侧的电流变得比电 流控制器参考整定值( i d r e f 一出) 还小，因此逆变器的控制方式从定电压控制转为 定电流控制，这使得逆变器电压持续降低直至转换为负电压。在直流电压严重下 降的故障情况下，v d c o l ( 依赖于电压的电流指令限制) 立即动作，将逆变侧的电 流参考值也减为0 3 p u ( 9 0 0 a ) ，以防止出现换相失败。受故障影响，直流电流也降 为0 。这时真流网络将其全部能量都释放到交流系统中。如图2 7 所示逆变侧直流电 压和直流电流约在0 3 s 后恢复正常。 整流侧交流线路接地故障 1 ) 实验条件 与直流系统相关的交流系统是与换流站母线相连的两侧交流系统和换流站内 的交流部分。对交流系统故障的讨论重点是研究故障对直流输电的影响。对于交 流系统的暂态扰动，直流系统的响应通常比交流系统要快得多，直流系统或者通 过临时降低功率以抑制扰动；或者闭锁，直到交流系统恢复足以允许重新启动和 恢复功率。从交流系统故障恢复和防止换相失败两方面均表现了直流系统运行的 重要性【8 3 1 。 本实验中直流电流i d 从0 ，0 2 s 开始以i 0 4 p u 的斜率上升，大约在0 5 s 时系统达到 稳定运行状态，设计在0 6 s 时刻整流器交流侧a 相线路上发生接地故障，该故障持 续0 1 s 后于0 ，7 s 自动消失，v d c o l ( 依赖于电压的电流指令限制) 在故障发生后迅速 作用，从而可在电压幅值严重下降时，强制性地降低直流电流，使逆变器从换相 失败中恢复过来。 通过实验可看到当发生交流线路单相接地故障时，直流输电系统整流侧和逆 变侧的直流电压u d ( p u ) 、直流电流i d ( p u ) 及触发延迟角口的动态响应。 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 真流输电系统的数值仿真 图2 8 交流线路接地故障时整流侧的动态响应 f i g 2 8d y n a m i cr e s p o n s eo nr e c t i f i e rs i d ei nt h ec i r c u m s t a n c eo f a cl i n e t o 。g r o u n df a u l t 2 ) 结果分午r 从图2 8 中结果分析可知，o 6 s 以前，系统处于稳定运行状态中，0 6 s 整流侧交 流线路a 相发生接地故障时，整流侧有以下变化： 由于故障造成换流站母线电压下降，换相电压下降，使得整流器输出的直流 电压也相应下降，同时由于触发间隔不等导致直流电压和电流出现二次谐波，因 此发牛l o o h z 振荡。在定电流控制下，触发延迟角口自动降到最小值5 。，希望能提 高直流电压以维持直流电流不变。0 7 s 故障消失后，整流侧直流电压和直流电流约 重庆大学硕士学位论文 2 直流输电系统的数值仿真 在0 1 5 s 后恢复正常运行。由此可见，对于交流系统的故障，直流系统的响应要快 得多。 图2 9 交流线路接地故障时逆变侧的动态响应 f i g 2 9d y n a m i cr e s p o n s eo f i n v e r t e rs i d eo i lt h ec i r c u m s t a n c eo f a cl i n e - t o 。g r o u n df a u l t 故障期间逆变侧的情况是： 直流电压和直流电流均下降并振荡，触发延迟角口降为在1 2 0 。左右振荡。0 7 s 故障消失后， 逆变侧直流电压和直流电流约在0 1 5 s 后恢复正常运行。 2 4 小结 重庆大学硕士学位论文2 直流输电系统的数值仿真 利用m a t l a b s i m u l i n k 对三峡一常州直流输电系统的故障及其恢复过程进行 仿真是比较合乎实际情况的，精确地再现了原型系统稳态和暂态过程中的动态特 性，其结果客观、真实、符合实际。同时通过一系列的实验表明，该直流输电系 统在小扰动或瞬时故障情况下具有恢复稳定运行的能力。对于交流系统故障，直 流系统的响应很快，这也说明了直流系统控制快速、灵活的优点。 里塑翌苎望坠兰型塑竺兰一 ! 童鎏塑皇墨竺二姿丝量箜塑垄垡塑 3 直流输电系统一次设备的物理模拟 3 1 相似判据的确定 直流输电系统一次设备的物理模拟以相似判据为依据，求得相似判据就等于 得出相似指标，也就决定了模拟中物理量比例尺选择的条件。因此相似判据的确 定是模拟的关键问题，其次才根据各模拟对象的具体情况加以分析和计算。本模 型使用标么值相等的方法来推导相似判据。 表3 1 三峡交流侧比例系数 原型模型 比例系数 基准功率p1 5 0 0 m w3 7 5 k w1 4 1 0 5 电压u5 2 5 k v8 0 0 v1 6 5 6 2 5 电流l 1 6 5 k a2 7 1 a 1 6 0 9 5 阻抗z 1 8 3 7 5 qi 7 0 4 4 qj i 0 7 7 表3 2 常州交流侧比例系数 原型模型 比例系数 基准功率p1 5 0 0 m w3 7 5 k wl 4 x 1 0 5 电压u5 0 0 k v8 0 0 v1 ，6 2 5 电流i1 7 3 2 l a2 7 1 a1 6 4 0 阻抗z j 6 6 6 6 7 q1 7 0 4 4 ni 0 9 8 表3 , 3 直流侧比例系数 原型模型比例系数 每极功率p】5 0 0 m w 3 7 5 k w 4 x 】0 5 电压u5 0 0 k v5 0 0 v 1 1