国际大电网会议高压直流输电标准模型的仿真分析

田园 戴宝琴

摘要：高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）是一种利用电力电子技术介入电能输送的技术。随着HVDC理论的快速发展，对其的仿真研究也成为学术热点。现分析了国际大电网会议（CIGRE）提出的高电压输电标准模型及其工作原理，在实验室环境下通过MATLAB搭建了一个十二脉冲桥HVDC系统仿真模型，并进行了运行工况分析研究，论证了该仿真模型的正確性及可行性。

关键词：高压直流输电;MATLAB;十二脉冲桥

0 引言

高压直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程，利用电力电子控制换流技术在送端将交流电转化为直流电将电能送出去，而在受端则将直流电转化为交流电将电能送到受端的交流系统，目前广泛应用于大容量长距离电能输送场合[1-2]。MATLAB由于其大量的模型库、友好的界面和强大的计算能力而被广泛应用于各类仿真研究。本文在MATLAB/Simulink环境下搭建了国际大电网会议高压直流输电标准仿真模型，并对其运行特性进行了验证分析。

1 CIGRE-HVDC模型及其工作原理

1.1    CIGRE-HVDC模型

国际大电网会议高压直流输电（CIGRE-HVDC）标准测试系统是用于直流输电控制研究的标准系统，其结构主要包括整流侧及逆变侧，两侧均有换流器，结构如图1所示[3]。换流站交流侧由交流系统、系统等效阻抗、滤波器、电容器及换流器构成。换流器由晶闸管组成，用于整流和逆变，实现交流电和直流电之间的转换;为满足换流电压需要，换流变压器一次绕组会与交流电力系统相连，将交流电压变为换流桥阀所需要的电压，其直流侧通常为三角形或星形中性点不接地连接，在直流侧形成独立于交流系统的电压参考点;滤波器采用一组双调谐滤波器和一组高通滤波器，与电容器共同为系统提供无功功率补偿[4-5]。换流站直流侧包括平波电抗器，用于减小直流电压、电流的波动，受扰时抑制直流电流的上升速度。输电线路由等效T型电路代替。

1.2    CIGRE-HVDC工作原理

在图1中，当左侧的交流系统通过直流输电线路向右侧的交流系统输送电能时，左侧运行于整流状态，相当于电源;右侧运行于逆变状态，相当于负载。设直流线路的电阻为R，线路电流为：

两者之差即为直流线路电阻消耗的功率。显然，直流线路输送的完全是有功功率。由于逆变器C2的直流侧电压Vd2与直流电流Id的方向相反，只要Vd1>Vd2，就有满足公式（1）的直流电流。因此调整直流电压大小就可以调整输送功率。

由式（1）和式（2）可见，直流输电线路输送的电流和功率由线路两端的直流电压所决定，与两端的交流系统的频率和电压相位无关。直流电压的调节是通过控制整流器的触发延迟角α和逆变器的逆变角β来实现的，因此不受交流系统电压幅值的影响。

2 MATLAB/Simulink仿真分析

给定系统参数，如表1所示。经过计算，整流侧参数：标幺值系统中电压基值VB为345 kV，电流基值IB为1.67 kA，阻抗基值ZB为207 Ω，系统线路电感值L为0.12 H。逆变侧参数：标幺值系统中电压基值VB为230 kV，电流基值IB为2.51 kA，阻抗基值ZB为97 Ω，系统线路电感值L为0.05 H。

在MATLAB/Simulink中搭建直流输电及其控制系统仿真模型，系统基准传输功率为1 000 MVA，整流侧基准电压为345 kV，逆变侧基准电压为230 kV，得到整流侧及逆变侧电压、电流及导通角波形图如图2所示。

由图2可见，参考电流从0.4 s开始由0递增到1 p.u.。稳定后，直流母线电压和电流稳定在1 p.u.，整流侧处在电流控制模式，逆变侧处在电压控制模式。

3 结语

本文通过MATLAB的Simulink及Sim Power System工具箱搭建了高压直流输电系统仿真模型，较准确地反映了暂态过程中直流输电系统的动态特性，为今后模型的进一步完善以及基于各种先进控制策略的控制系统仿真研究验证提供了基本依据。

[参考文献]

[1] 纪锋，陈鹏，魏晓光，等.HVDC换流阀用饱和电抗器的建模及仿真[J].智能电网，2013，1（2）：65-69.

[2] 周保荣，李选平，杨健，等.向无源电网供电的MMC-HVDC稳态运行区域分析[J].智慧电力，2020，48（6）：98-104.

[3] 许多，吴峰，史林军，等.基于PSCAD的特高压直流输电系统建模与仿真分析[J].电力工程技术，2020，39（3）：71-77.

[4] 杨洁，刘开培，饶雪，等.多端柔性直流输电系统小信号建模[J].中国电机工程学报，2015，35（16）：4015-4024.

[5] 马玉龙，肖湘宁，姜旭.交流系统接地故障对HVDC的影响分析[J].中国电机工程学报，2006，26（11）：144-149.

收稿日期：2021-06-28

作者简介：田园（1990—），男，江苏南京人，硕士研究生，工程师，主要从事高压直流输电及供用电技术研究工作。