基于MATLAB/Simulink的高压直流输电系统的仿真研究

邵杰

(曲阜师范大学 电气信息与自动化学院，山东 日照 276826)

0 引言

高压直流输电HVDC(High Voltage Direct Current)是电力电子技术介入电能输送的典型实例。随着电力系统需求的增加以及电力电子技术的发展，高压直流输电凭借其特有的输电优势得到迅速发展。由于我国能源产地与电力需求地区分布极度不平衡，西电东送及南北互联成为我国电力能源配置的重要方式。因此，研究HVDC结构、运行原理以及控制方法，进行HVDC仿真计算，分析系统的稳态、动态特性非常必要[1]。

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系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析[2]。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。

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。

图1 直流输电系统的基本结构

1 HVDC系统的基本结构与工作原理

HVDC系统由换流站和直流线路组成。根据直流导线的正负极性，HVDC分为单极系统、双极系统和同极系统。直流输电系统由换流(逆变)站、接地极、接地极线路和直流送电线路构成。换流站是用于联接交流侧和直流侧的装置，也就是供交流电与直流电间进行变换的换流装置。如图1所示。换流装置由换流变压器、换流器、控制极触发装置、控制保护装置及其它辅助装置等构成。直流线路与交流线路一样，由导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置等组成。地线、基础、接地装置的设计与交流一样。

2 HVDC系统的仿真模型

采用MATLAB中的Simulink模块进行仿真，建立了一个12脉冲的HVDC仿真模型，如图2所示。在图中的仿真模型中，通过1 000 MW(500kV，2 kA)的直流输电线路从一个500kV、5 000 MV·A、60 Hz的电力系统A向另一个345kV、10 000 MV·A、60 Hz的电力系统B输送电力。整流桥和逆变桥均由两个通用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次和更高次谐波等单调支路，总共提供600 Mvar的容量[3]。

图2 单极12脉冲的HVDC仿真模型图

整流环节子系统，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－Δ形联接，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。

逆变环节子系统结构和整流环节子系统结构相似。

从交流侧看，HVDC变换器相当于谐波电流源;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 kp±1(交流侧)和 kp(直流侧)次谐波，其中 k为任意整数。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电路。在基频下，交流滤波器还向整流器提供无功功率[4]。仿真模型中的“滤波器子系统”如图3所示。

图3 滤波子系统结构

除了以上介绍的子系统外，图2“主控制(Master Control)”子系统用来产生电流参考信号并对直流侧功率输送的起始和结束时间进行设置。两个断路器模块分别用来模拟整流器直流侧故障和逆变器交流侧故障。

3 HVDC系统的仿真结果与分析

HVDC系统包含整流器交流侧线路和逆变器交流侧线路，常见故障类型包括单相接地、两相短路、三相短路等。此次故障仿真以交流侧a接地故障为例来介绍，其他故障类型可参照进行。打开直流侧并联的断路器模块，取消断路器导通动作;打开逆变器交流侧短路器模块，使短路器在0.75 s时导通，在0.85 s时断开。

如图4表示整流侧得到的相关波形，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延迟触发角、整流器控制状态。

如图5所示为逆变侧得到的相关波形，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。

4 结束语

本文在阐述高压直流输电特点及国内外应用现状的基础上，基于MATLAB/Simulink仿真系统建立高压直流输电一次系统仿真模型，根据直流输电控制系统的分层结构及控制原理建立换流器触发控制仿真模型，并对建立的仿真模型进行仿真验证，得到了正确的仿真结果。

[1]常浩.我国高压直流输电工程国产化回顾及现状[J].高电压技术，2004，30(11):3 －4，36.

[2]张智涌，杨祖樱.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011.

[3]于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社，2011.5.

[4]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2009.