基于Matlab的直流输电系统的仿真

基于 Matlab 的直流输电系统的建模与仿真 摘要 利用 MATLAB 软件包下的 Simulink 对某高压直流输电系统进行建模 并在此模型基础上进行了动态仿真 分析了系统的稳态特性和动态特性 同时 对系统中的几种常见故障进行了仿真 仿真结果与实际现象相同 为今后对 HVDC 系统进行辨识 控制和故障诊断提供了支持 关键词 HVDC MATLAB 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 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 中的 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 相接地故障及 a b 两相接地故障仿真 得出相应的仿真波 形 验证了 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 2 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 2 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 2 所示 图 2 2 换流站主接线 图 2 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 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 6n 1 次谐波 如 5 7 11 13 次及高周 双桥时为 12n 1 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 的交流输电系统通过 1000MW 的直流输 电线路与 345KV 10000MVA 50HZ 的交流输电系统相连 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 两端均 接 0 5H 的平波电抗器 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 HVDC 仿真模型图 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 4 1 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 器的触发延时角 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 4 1 稳态系统直流侧波形 4 2 直流线路故障 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 直 流侧接地短路时间为 0 05s 整流侧相关波形如图 4 2 交流部分相关波形如图 4 3 图 4 2 分析如下 直流侧接地短路时 直流侧电流激增到约 2 5pu 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 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 将线路上的能量反送到交流系 统 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 4 2 整流侧相关波形 图 4 3 交流部分相关波形 4 3 逆变侧 a 相接地故障 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 4 4 所示 图 4 3 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