基于Matlab的直流输电系统的仿真.docx

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±660kV、±800kV、±1000kV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2.1HVDC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：
换流变压器把交流系统电压变为换流桥所需的交流电压。
换流桥(阀桥)ac→dc或dc→ac的变流设备。
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。
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,…)。
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。
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3HVDC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QUOTE表示直流侧线路电压，QUOTE和QUOTE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DCFault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