高压直流输电系统分析与仿真实现

岭南师范学院 范偲偲

上海环境卫生工程设计院有限公司 王玉忠

岭南师范学院 黄瑜珈

1 引言

为将西部地区大量的剩余电能输送到东部经济发达地区，选择电能的输送方式显得尤为必要。高压直流输电（HVDC）凭借其独特的优势在大容量、远距离、低损耗的电能输送过程中得到了广泛应用[1]。

高压直流输电还具有运行可靠，调节速度快，在事故情况下可实现紧急支援，线路造价低，电能损耗小，线路走廊窄，征地费省等明显优势[2-3]。

2 HVDC的工作原理及控制特点

2.1 HVDC的工作原理

HVDC采用两个6脉动并联组成的12脉动换流器，交流系统先经过滤波器，将系统中的谐波除掉，再经过12脉动换流阀整流为直流，再经过直流长线路到达受端，经逆变器逆变为交流电供用户使用。

图1 12脉动换流器原理图

由图1知，12个换流阀每间隔30°轮流触发并依次导通，这样持续导通120°+μ电角度（μ换相角），各个换流阀的导通顺序即是换流阀的编号顺序。

2.2 HVDC的控制特点

HVDC采用分层优先级等级原则进行控制，有秩序的对复杂的直流系统进行分析控制，可以单独对各层进行控制，提高了整体及单个控制单元的灵活性、稳定性和安全性。

图2 HVDC控制系统分层结构

由图2可知，高压直流输电的控制部分主要在换流站，对换流阀进行控制，也即是对换流站的极进行控制。极控制包括对换流器的控制和单独控制，换流器的控制直接是对换流阀。的控制，然后换流阀的控制和单独控制直接作用于被控对象。

单独控制直接作用于被控对象，如组成换流阀的晶闸管等换流设备。高压直流输电控制系统分层结构采用单向传递、高层向低层次依次控制。

图3 高压直流输电系统模型图

3 HVDC系统建模及结果分析

3.1 HVDC系统的仿真建模

本次实验是在MATLAB/Simulink 的环境下，利用6脉动整流器原理接线图建立HVDC仿真模型。以6脉动换流器组成的系统为例，建立仿真模型系统如图3所示。

3.2 仿真结果分析

3.2.1 稳态分析

在仿真分析中，对6脉动换流器组成HVDC系统分别进行稳态和暂态分析。首先进行稳态仿真，输出波形如图4所示。

图4 稳态时直流线路电流及α角波形

由图4得出的仿真波形可知，在仿真开始后，0～0.4s的时间对于给定的电流参考值(标幺值)从 0.2 线性上升到了1。从电流和α角波形图中可知，电流可以控制α角，蓝线所表示的输出电流也跟随上升，跟随性良好，在启动时波形较稳定，说明启动电压较稳；在控制系统的调节下，当电流急剧下降时，触发角α迅速增大，可以看出电流对α角有较好的控制效果。

3.2.2 暂态分析

在暂态分析中，仿真出了故障时交流侧三相电压和电流波形和直流线路的电压和电流波形如图5和图6所示。由图6知，时间在0.5s时故障发生时，整流侧的晶闸管电压值降为0，发生闭锁现象，电流也在迅速下降为0，故障将会在0.58 s的时候消除，系统将会恢复正常，此时电流值也会恢复到给定值。

图5 故障时交流部分三相电压和电流波形

暂态过程中，交流三相电压电流，整流侧直流线路的电压，电流的输出波形图如图6所示。当直流系统发生路故障时，交流系统的电压会发生高频振荡，会对交流系统产生很大的扰动，但是交流系统的短路容量为较直流系统大很多，所以不会产生很高的过电压。从图6也可看出直流电压和电流存在有谐波分量，这是因为在直流输电线路两端没有装设直流滤波器的原因。

图6 故障时直流线路电压和电流波形

4 总结

本文分析了高压直流输电基本原理和换流器的工作特性，在分析控制特性时，以12脉动换流器为例，说明通过控制触发角和逆变角可以实现对电压、电流和功率等量值的控制。

利用 MATLAB/Simulink对高压直流输电系统进行建模仿真，对6脉冲换流器的高压直流输电系统进行建模，在系统不同的运行状态下（主要为稳态和暂态）进行仿真分析，其中在系统暂态过程中主要针对直流线路发生短路故障的情况进行仿真分析，结果系统的控制性较好。

[1]耿静.交直流混合电力系统次同步振荡的建模与分析[D].华北电力大学(北京),华北电力大学,2013.

[2]侯铁铸.浅谈监理工作中的直流输电工程技术[J].科技创新与应用,2014(30):187-187.

[3]许达.特高压直流输电系统孤岛运行研究[D].华南理工大学,2012.