輕型高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真與故障分析

張紅濤，田媛，孫志勇

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，鄭州市 450011)

0 引言

輕型高壓直流輸電 (high voltage direct current light，HVDC Light)技術(shù)是一種以電壓源換流器(voltage sourced converters，VSC)為基礎(chǔ)的高壓直流輸電技術(shù)，它的換流部分由絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar translator，IGBT)組成。電壓源換流器采用脈寬調(diào)制控制技術(shù)，無需任何換相電壓，可以向有源或者無源網(wǎng)絡(luò)輸電［1-3］。隨著新能源和分布式發(fā)電的發(fā)展，特別是我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，客觀上需要將各種新能源發(fā)電通過一定的變換環(huán)節(jié)接入電網(wǎng)，HVDC Light無疑是一種合適的方式［4］。

我國對HVDC Light技術(shù)研究和工程應(yīng)用起步比較晚，但是在大力發(fā)展可再生能源和節(jié)能減排的環(huán)境下，HVDC Light系統(tǒng)也具有廣泛的應(yīng)用前景［5］。本文在分析HVDC Light的基本原理和運行特性的基礎(chǔ)上，采用常用的仿真軟件MATLAB/SIMULINK對已有的HVDC Light模型進行仿真，同時設(shè)置多種故障類型，對系統(tǒng)的運行情況進行仿真以及結(jié)果分析。

1 HVDC Light系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與模型搭建

1.1 結(jié)構(gòu)原理

與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)不同的是，HVDC Light技術(shù)采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的電壓源型換流器，具有關(guān)斷電流的能力，可以應(yīng)用脈寬調(diào)制(pulsewidth modulation，PWM)技術(shù)進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷送電的問題［6］。同時，這種HVDC Light系統(tǒng)由于采用 PWM，能夠?qū)Q流站輸出交流電壓幅值和相角在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而且這種調(diào)節(jié)能夠迅速完成，從而也能對系統(tǒng)潮流方便進行調(diào)節(jié)［7］。HVDC Light系統(tǒng)中換流器采用電壓源型，輸出電壓的控制方法不采用180°導(dǎo)通模式，而采用PWM調(diào)制方式，故HVDC Light是一種基于VSC和PWM的新型直流輸電技術(shù)，也稱 VSCHVDC［8-9］，同樣稱換流站為VSC換流站。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 輕型直流輸電的基本原理Fig.1 Basic principle of HVDC Light transmission

VSC換流站的工作原理為:VSC設(shè)有受端和送端2個換流站，分別進行整流和逆變操作，VSC的各橋臂由全控型半導(dǎo)體器件IGBT和一個反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成，直流側(cè)并聯(lián)電容器以保持一定的直流側(cè)電壓，VSC采用正弦脈寬(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)調(diào)制方式，通常有兩電平結(jié)構(gòu)和三電平結(jié)構(gòu)［10］。

1.2 輕型直流輸電仿真模型

圖2為 HVDC Light的仿真模型。200 MVA、+/－100kV的強迫換流型VSC將2個交流系統(tǒng)相連，2個交流系統(tǒng)基本參數(shù)均為230 kV、2000 MVA、50 Hz，相角為80°，帶有三次諧波。整流器和逆變器采用封閉IGBT/Diodes作為電子元件。整流器和逆變器通過2條75 km(2段的π型電路)的電纜和2個8 mH的平坡電抗器相連。正弦脈寬調(diào)制(SPWM)開關(guān)使用一個單相的27倍基波頻率(1350 Hz)的三角載波。整流器交流側(cè)的可編程電壓源模塊用來對電壓跌落進行仿真。一個故障發(fā)生器用來在逆變器交流側(cè)提供三相接地故障［11］。

2 系統(tǒng)正常運行時的仿真

為保證系統(tǒng)的正常運行，設(shè)置在時間為0.1 s時逆變器控制系統(tǒng)投入系統(tǒng)使用，而0.3 s時整流器控制系統(tǒng)投入使用。觀察其電壓、電流等的仿真結(jié)果，可得到部分仿真波形圖如圖3(a)、(b)所示。

由圖3可知，系統(tǒng)經(jīng)過大約1.3 s的時間進入穩(wěn)定工作:三相電壓Vabc基本穩(wěn)定;三相電流Iabc在0.3 s整流器的控制系統(tǒng)以及逆變器控制系統(tǒng)均投入使用后逐漸增大，在1 s后穩(wěn)定于1 pu;整流側(cè)與逆變側(cè)之間傳輸?shù)挠泄β蔖meas在開始仿真時幾乎為0，之后也于0.3 s后逐漸增加，大約在1.2 s后穩(wěn)定于1 pu，由于功率在傳輸中有消耗，很明顯在逆變側(cè)的有功功率略小于1 pu;對于無功功率Qmeas，在2個控制系統(tǒng)沒有投入輕型直流輸電系統(tǒng)中使用之前，系統(tǒng)消耗無功功率，當(dāng)0.1 s時逆變側(cè)投入使用后，逆變側(cè)的無功功率接近為0，0.3 s后整流側(cè)也投入使用，系統(tǒng)整體傳輸?shù)臒o功功率均可視為0，當(dāng)然系統(tǒng)中含有電抗器、電容器等，會消耗一部分的無功功率;Vdc為直流輸電的電壓值，可見其測量值在逆變與整流器控制器投入后也基本穩(wěn)定于1 pu。

圖2 HVDC Light仿真模型主拓撲Fig.2 Primary topology of HVDC Light simulation model

圖3 系統(tǒng)正常運行時的部分仿真波形Fig.3 Part of simulation waveforms in normal operation

3 系統(tǒng)在不同情況下的仿真

3.1 功率和直流電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)

在HVDC Light系統(tǒng)中設(shè)置有多個階躍信號，對其動作時間進行設(shè)置可控制參數(shù)的變化，除了0.1 s和0.3 s時分別對逆變器和整流器控制系統(tǒng)的投入進行控制外，對有功參考功率、無功參考功率以及直流參考電壓的值也進行了改變，如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)的控制Tab.1 Control of steady step response in simulation system

觀察調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖4(a)、(b)所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)階躍響應(yīng)的部分仿真圖Fig.4 Part of simulation diagrams for steady step response

從圖4中可看出，有功、無功和直流電壓參考值發(fā)生變化后，系統(tǒng)重新進入穩(wěn)態(tài)需要0.3 s左右時間。有功功率和無功功率的控制從理論上講是獨立的，但是從波形分析可見，兩者之間還是存在相互影響。

3.2 交流側(cè)擾動

仿真中設(shè)置的交流側(cè)擾動主要有2個，一個是在t=1.5 s時三相交流電源系統(tǒng)內(nèi)的三相可編程電壓源模塊發(fā)生的電壓暫降，設(shè)置電壓降低0.1 pu，持續(xù)0.14 s之后恢復(fù)正常;第二個交流側(cè)擾動設(shè)置為三相負載側(cè)發(fā)生嚴重的三相短路接地，令三相短路接地故障在t=2.1 s時發(fā)生，持續(xù)0.12 s之后系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。本節(jié)中交流側(cè)擾動不考慮階躍信號控制的投入，所得的是只考慮電壓暫降及三相短路接地時的仿真波形。部分仿真結(jié)果如圖5(a)、(b)所示。

圖5 交流側(cè)擾動時的部分仿真波形Fig.5 Part of simulation waveforms under AC-side disturbances

由圖5可知，在時間t=1.5 s時，換流站l交流電壓發(fā)生暫降后，整流側(cè)有功和無功功率各自偏離當(dāng)前擾動約0.1、0.2 pu，逆變側(cè)有功和無功功率各自偏離當(dāng)前擾動約0.1、0.03 pu，在小于0.3 s的恢復(fù)時間后再次達到穩(wěn)態(tài);在時間t=2.1 s時，在VSC2交流側(cè)發(fā)生了嚴重的三相接地故障，直流功率的傳輸幾乎為0，直流側(cè)電容過充電使得直流電壓增大到1.2 pu，經(jīng)過有功功率控制環(huán)節(jié)的控制，直流電壓被限制在可接受的范圍內(nèi)。此外，從圖5中還可以清楚地看到無功功率發(fā)生了阻尼振動。

4 結(jié)論

本次建立的HVDC Light系統(tǒng)的仿真模型及其控制方法能較好地模擬HVDC Light系統(tǒng)在2個交流系統(tǒng)之間輸電的情況，各控制環(huán)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器及控制器靈活、簡便、有效，能夠很好地控制系統(tǒng)的潮流與穩(wěn)定，滿足各種控制方式的需要。仿真結(jié)果證明了HVDC Light系統(tǒng)的可行性和仿真模型的正確性，穩(wěn)定、靈活、高效的特性使該技術(shù)能作為一種新型的輸電方式應(yīng)用于工程中。

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