高压直流输电系统的建模与仿真

《机电技术》２０１０年第５期　机电研究及设计制造　高压直流输电系统的建模与仿真　周晓华　宋春宁　王保录　宋云鹏　（１．广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４；２．广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州５４５００６）　摘要：介绍了高压直流输电系统（ＨＶＤＣ）的基本原理，整流侧采用定电流控制方式，建立了基于ＭＡＴＬＡＢ的　高压直流输电系统仿真模型。通过对交流系统以及直流线路短路故障的仿真分析，验证了所建立仿真模型的合理性。仿　真结果表明，该方法能较准确地观测暂态过程中高压直流输电系统的动态性能。　关键词：高压直流输电；ＭＡＴＬＡＢ仿真；暂态分析　中图分类号：ＴＭ７４３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—４８Ｏｌ（２０１０）０５－－０８０－－０４　高压直流输电（ＨＶＤＣ）系统的暂态过程非　常复杂，其主要原因在于：在工程实际中各换流　阀的触发角为离散变量；换相电压和触发角在暂　态过程中不断变化；长距离直流输电线路具有分　两端换流站（整流站　和逆变站，）和直流输电　线路。换流站由换流变压器、换流桥、平波电抗　器和交直流滤波器等元件组成。　布参数特性，需考虑其电压、电流变化的波过程。　因此，要精确计算直流输电系统的暂态过程，需　要求解包含连续变量和离散变量的常微分方程和　偏微分方程。虽然从理论上来说并没有什么困难，　而且现已开发出一些相应的计算程序，但是计算　工作量却很大【ｌ　Ｊ。ＭＡＴＬＡＢ软件中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ给　用户提供了用方框图进行建模的模型接口，与传　统的仿真软件包括用微分方程和差分方程建模相　比，具有更直观、方便和灵活的优点。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　中的电力系统模块库（ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ）包含了　各种交／直流电源、大量电气元器件和电工测量仪　表以及分析工具等。利用这些模块可以模拟电力　图１　两端单极直流输电系统原理图　交流系统Ｉ送出交流功率给整流站的交流母　线，经换流变压器送到整流器，把交流功率变换　为直流功率，然后由直流输电线路将直流功率输　送给逆变站内的逆变器，逆变器将直流功率变换　为交流功率，再经换流变压器，把交流功率送入　受端的交流电力系统ＩＩ。　在稳态工况下，高压直流输电系统传输的有　系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析　［２］功功率存在以下关系：　＝　＋　（１）　利用ＭＡＴＬＡＢ软件的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱及　ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ模块库，能方便的对高压直流输　。电系统的稳态及暂态过程进行建模和仿真，可避　免复杂的暂态计算和分析，便于直观的分析系统　的性能。　式中，　＝　，　为整流站输出的直流功率，且　为逆变站输入的直流功率，且　△　则是直流输电线路的功率损耗，　＝　，本文简要介绍了高压直流输电的基本原理，　建立了基于ＭＡＴＬＡＢ的ＨＶＤＣ仿真模型，整流　侧采用定电流调节方式，并附加了最小触发角限　制，针对整流器交流侧发生单相接地、两相接地、　三相短路故障以及直流线路发生接地故障的情　形，分别进行了仿真和分析。　△　＝　。　由此可见，改变换流站极对地电压己　、己　，　即可改变直流电流　，并相应改变输送的功率。　改变直流电流（或功率）可以通过调节整流器的触　发延迟角　或逆变器的越前触发角　（熄弧角　）　来实现，这也是直流输电系统的主要调节手段。整　１　ＨＶＤＣ的基本原理　两端直流输电系统只有一个整流站（送端）　流侧常采用定电流的基本调节方式，将直流电流　与电流给定值　，进行比较，所得误差信号经　ＰＩ调节后作用于移相控制电路来改变整流器的触　发延迟角　，达到定电流调节作用。逆变器常用　定熄弧角　和定电压的基本调节方式，定熄弧角　和一个逆变站（受端），其与交流系统只有两个连　接端口，是结构最简单的直流输电系统。图１所　示为两端单极直流输电系统的原理接线，它包括　８０　机电研究及设计制造　《机电技术》２０１０年第５期　调节是将测量所得熄弧角　与给定值　，比较，其　误差信号经放大后进行移相控制，从而改变逆变器　的超前触发角　。定电压调节方式与定电流调节　方式相似，将电压测量值　与给定值　～比较，　积＝４９２．３ｋＶ。　由于直流系统的线路电阻与平波电抗器电阻　之和Ｒａ＝４．５＋２＝６．５Ｑ，故逆变站极对地直流电　压为　＝　一　＝所得误差信号经放大后进行移相控制，从而改变逆　变器的超前触发角　。此外，在基本调节方式下，　常附加某些限制措施。整流侧采用定电流调节方式　时，常附加最小触发角限制，使触发角不小于某一　最小安全限值；逆变侧采用定电压调节方式时，常　附加最小熄弧角限制。　４７９．３ｋＶ　（３）　为简化仿真模型，逆变侧用电动势为　４７９．３ｋＶ的直流电源等效［钔，为模拟逆变器起动时　的暂态过程，此直流等效电源在０．０２７５　Ｓ时投入。　整流侧交流母线上接一组交流滤波器，包括电容　器组、１１次、ｌ３次及高通滤波器，容量为６００　Ｍｖａｒ，并为整流器提供所需的无功功率。　２　ＨＶＤｃ系统仿真模型的建立　根据高压直流输电系统基本原理建立的　３仿真结果与分析　采用ＭＡＴＬＡＢ中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块进行仿真，　换流变压器采用三绕组变压器，容量为１２００　ＭＶＡ，变比５００／２００／２００　ｋＶ，整流侧绕组一个为　ＭＡＴＬＡＢ仿真模型如图２所示。整流器采用２个　６脉冲桥串联而成的１２脉冲桥结构，换流器问连　接０．５　Ｈ的平波电抗器和长度为３００　ｋｍ的直流架　空线路。整流侧交流源是短路容量为５０００　ＭＶＡ　的５００ｋＶ电力网络，频率为６０Ｈｚ。　已知整流器稳态方程Ｌ３Ｊ为　．星形接线，另一个为三角形接线，从而使两个６脉　动换流器的交流侧得到相位相差３０。的换相电压。　同步ｌ２脉冲发生器的同步频率为６０　Ｈｚ，脉宽为　１０１．５。。直流架空线路单位长度电阻为０．０１５　＝　／５　二　ＣＯＳＯ￣一二　。７／＂　（２）　７／＂　ｋｍ，输电距离３００　ｋｍ。采用ｏｄｅ２３ｔｂ算法求解，　仿真时间为１．４　Ｓ。　图３为ＨＶＤＣ的稳态响应及整流器交流侧发　生Ａ相接地故障时，整流器的触发延迟角　、直　式中，　为整流站极对地直流电压，ＵＲ＝２００　ｋＶ，为换流变压器二次侧空载线电压有效值；　＝。４　，为换流变压器的等值电抗；ａ＝２０．１Ｏ为　流线路电流　和直流线路对地电压波形。首先，　系统进入稳态，之后对参考电流进行一系列动作，　如表１所示，观察控制系统的动态响应特性。　整流器的触发延迟角；整流侧采用定电流调节方　式，直流线路电流　＝２ｋＡ，代入（２）式可得　图２　１２脉冲桥ＨＶＤＣ输电系统ＭＡＴＬＡＢ仿真模型图　８ｌ　《机电技术》２０１０年第５期　表１系统控制参数的变化　时间／Ｓ　系统控制参数变化或动作　机电研究及设计制造　相短路故障和两相接地故障均在０．８Ｓ时发生，　０．８１　Ｓ时刻被切除。直流线路接地故障在Ｏ．８　Ｓ　时发生，虽然定电流调节器可以将直流电流　调　０　参考电流值为ｌｐ．Ｕ　Ｏ．０２７５　０．４　投入逆变侧等效电动势Ｅ　参考电流值下降到０．８　ｐ．ｕ　节到给定值，但由于故障电流没有过零点，因此　故障电弧不会自动熄灭，此时需要将整流器封锁　Ｌ５ｊ。仿真在ｌｓ时，阻断了脉冲发生器，整流器退　０．６　参考电流值恢复到ｌｐ．Ｕ　出运行状态，故障电流被熄灭，输出直流电压降　０．８　整流器交流侧发生Ａ相接地故障　为零。　０．８　１　整流器交流侧Ａ相接地故障被切除　善　Ｅ三　。　６　４　号２　。。０　Ｏ　Ｏ．２　０．４　０．６　０．８　１　１．２　１．４　ｔ／ｓ　ｉ　———　—　Ｅ三三Ｅ　，　－：２４　Ｆ一｝卜Ｌ　——一—一一—一一—一一—一　　｝Ｉｒｄ，　…—ｐ—一　—…　一ｒｒ　一　１　３　２，Ｏ　２１　０１　图５　ＨＶＤＣ整流器交流侧两相接地故障时仿真波形　图３　ＨＶＤＣ稳态响应及整流器交流侧单相接地故障时仿真波形　００　由图３可知，０～０．２　Ｓ为系统启动过程，０．２ｓ　０　Ｏ．２　０．４　０．６　０．８　１　１．２　１．４　后系统进入稳态，经调节器的调节，直流电流，　ｔ／ｓ　跟随参考值的变化而变化，触发延迟角口在５。～　３５。间变化。０．８　Ｓ整流器交流侧发生Ａ相接地故　障发生后，直流电流，　增加到２．８ｐ．Ｕ，Ｏ．９ｓ左右　系统进入稳定运行状态。　图４、图５、图６分别是ＨＶＤＣ整流器交流　０　０．２　０．４　０．６　０．８　１　１．２　１．４　侧发生三相短路故障、两相接地故障以及直流线　ｔ／ｓ　路发生接地故障时的仿真波形。整流器交流侧三　图６　ＨＶＤＣ直流线路接地故障时仿真波形　４结语　由仿真结果可知，利用ＭＡＴＬＡＢ对高压直流　输电系统进行仿真，能方便准确地反应ＨＶＤＣ系　鄯　三三　统的稳态特性和暂态过程的动态特性并可实时显　示系统各参数的变化，且仿真时间短，仿真效果　也比较理想，与采用求解微分方程与偏微分方程　羁Ｅ三三　三二二二　　的方法对ＨＶＤＣ系统的暂态过程进行计算与分析　相比，利用ＭＡＴＬＡＢ进行仿真分析，计算和分析　更加简单和省时。　图４　ＨＶＤＣ整流器交流侧三相短路故障时仿真波形　（下转第８９页）　８２　机电研究及设计制造　《机电技术》２０１０年第５期　电容”。ｃ１则接在交流电源进线端，专门滤除电　高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关　网线之间的差模干扰，被称作“ｘ电容”。　２．４高频变压器的设计　高频变压器是开关电源中进行能量储存与传　输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性能　的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且直　联的变量，因此计算较为复杂。由于设计的微波　电源输出电压较高，因此不能使用美国功率公司　为ＴＯＰ　Ｓｗｉｔｃｈ开关电源的高频变压器设计制作的　一套ｅｘｃｅｌ表格，而需要按照传统的单端反激式变　压器的计算公式进行设计。　接关系到电源的其他技术指标和电磁兼容性　（ＥＭＣ）。为此，一个高效率的高频变压器应具备　３结论　由于ＴＯＰ２４９Ｙ芯片内部集成有ＰＷＭ控制　直流损耗和交流损耗低、绕组本身的分布电容及　器、功率开关ＭＯＳＦＥＴ以及多种保护电路，所以　各绕组之间的耦合电容要小等条件。　采用该芯片设计出的微波电源具有成本低、外围　由于该电源的输出功率较大，因此高频变压　电路简单、体积小、效率及可靠性高等特点，因　器的漏感应尽量小，由于工作频率为１３２　ｋＨｚ，　此在微波技术方面有广阔的应用前景。　根据单片开关电源的变压器设计原则，这里选用　本设计的开关电源体积小、电路简单、使用　磁芯材料为ＭＸＯ．２０００铁氧体，型号为ＥＴＤ４９　元器件数量少、保护功能完善、输出的纹波电压　磁芯。　小、可靠性高、稳定性好，成本低，输出功率大。　参考文献：　［１］ｔ凤岩，许俊峰，许建平．开关电源控制方法综述［Ｊ］．机车电传动，２００６（１）：６．１０．　［２】沙占友．单片开关电源最新应用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００３．　［３］Ａｂｒａｈａｍ　Ｉ．Ｐｒｅｓｓｍａｎ（美）．开关电源设计［Ｍ】．王志强译．北京：电子工业出版社，２００５．　［４】资新运，赵锐，郑贵省，等．车用微波电源的设计［Ｊ］＿汽车电器，１９９９（１）：５５．５８．　【５］李文．一种新型５Ｖ大功率开关稳压电源［Ｊ］．微电子学，２００３，３３（１）：７４．７７．　［６】王栋，张文学．反激型开关电源变压器储能输出率研究［Ｊ】．电子测量与仪器学报，２００４（ｚ２）：７５６．７６１　作者简介：林锋（１９７９一），男，助理实验师，　研究方向：计算机技术及其应用。　（上接第８２页）　参考文献：　【１】夏道止．电力系统分析（下册）［Ｍ】．北京：水利电力出版社，１９９５．　【２】王晶，翁国庆，张有兵．电力系统的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭｕＬＩＮＫ仿真与应用【Ｍ】．西安：西安电子科技大学出版社，２００８　【３】赵畹君．高压直流输电工程技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．　【４］黄绍平，彭晓，浣喜明．基于ＭＡＴＬＡＢ的高压直流输电系统的建模与仿真［Ｊ］．高电压技术，２００４，３０（３）：５３－５９．　【５】戴熙杰．直流输电基础［Ｍ】．北京：水利电力出版社，１９９０．　作者简介：周晓华（１９７６年一），男，讲师，硕士研究生，主要从事供配电技术、智能优化控制及应用等方面的教学和科　研工作。