高壓直流輸電系統分析與仿真實現

嶺南師范學院 范偲偲

上海環境衛生工程設計院有限公司 王玉忠

嶺南師范學院 黃瑜珈

1 引言

為將西部地區大量的剩余電能輸送到東部經濟發達地區，選擇電能的輸送方式顯得尤為必要。高壓直流輸電（HVDC）憑借其獨特的優勢在大容量、遠距離、低損耗的電能輸送過程中得到了廣泛應用[1]。

高壓直流輸電還具有運行可靠，調節速度快，在事故情況下可實現緊急支援，線路造價低，電能損耗小，線路走廊窄，征地費省等明顯優勢[2-3]。

2 HVDC的工作原理及控制特點

2.1 HVDC的工作原理

HVDC采用兩個6脈動并聯組成的12脈動換流器，交流系統先經過濾波器，將系統中的諧波除掉，再經過12脈動換流閥整流為直流，再經過直流長線路到達受端，經逆變器逆變為交流電供用戶使用。

圖1 12脈動換流器原理圖

由圖1知，12個換流閥每間隔30°輪流觸發并依次導通，這樣持續導通120°+μ電角度（μ換相角），各個換流閥的導通順序即是換流閥的編號順序。

2.2 HVDC的控制特點

HVDC采用分層優先級等級原則進行控制，有秩序的對復雜的直流系統進行分析控制，可以單獨對各層進行控制，提高了整體及單個控制單元的靈活性、穩定性和安全性。

圖2 HVDC控制系統分層結構

由圖2可知，高壓直流輸電的控制部分主要在換流站，對換流閥進行控制，也即是對換流站的極進行控制。極控制包括對換流器的控制和單獨控制，換流器的控制直接是對換流閥。的控制，然后換流閥的控制和單獨控制直接作用于被控對象。

單獨控制直接作用于被控對象，如組成換流閥的晶閘管等換流設備。高壓直流輸電控制系統分層結構采用單向傳遞、高層向低層次依次控制。

圖3 高壓直流輸電系統模型圖

3 HVDC系統建模及結果分析

3.1 HVDC系統的仿真建模

本次實驗是在MATLAB/Simulink 的環境下，利用6脈動整流器原理接線圖建立HVDC仿真模型。以6脈動換流器組成的系統為例，建立仿真模型系統如圖3所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 穩態分析

在仿真分析中，對6脈動換流器組成HVDC系統分別進行穩態和暫態分析。首先進行穩態仿真，輸出波形如圖4所示。

圖4 穩態時直流線路電流及α角波形

由圖4得出的仿真波形可知，在仿真開始后，0～0.4s的時間對于給定的電流參考值(標幺值)從 0.2 線性上升到了1。從電流和α角波形圖中可知，電流可以控制α角，藍線所表示的輸出電流也跟隨上升，跟隨性良好，在啟動時波形較穩定，說明啟動電壓較穩；在控制系統的調節下，當電流急劇下降時，觸發角α迅速增大，可以看出電流對α角有較好的控制效果。

3.2.2 暫態分析

在暫態分析中，仿真出了故障時交流側三相電壓和電流波形和直流線路的電壓和電流波形如圖5和圖6所示。由圖6知，時間在0.5s時故障發生時，整流側的晶閘管電壓值降為0，發生閉鎖現象，電流也在迅速下降為0，故障將會在0.58 s的時候消除，系統將會恢復正常，此時電流值也會恢復到給定值。

圖5 故障時交流部分三相電壓和電流波形

暫態過程中，交流三相電壓電流，整流側直流線路的電壓，電流的輸出波形圖如圖6所示。當直流系統發生路故障時，交流系統的電壓會發生高頻振蕩，會對交流系統產生很大的擾動，但是交流系統的短路容量為較直流系統大很多，所以不會產生很高的過電壓。從圖6也可看出直流電壓和電流存在有諧波分量，這是因為在直流輸電線路兩端沒有裝設直流濾波器的原因。

圖6 故障時直流線路電壓和電流波形

4 總結

本文分析了高壓直流輸電基本原理和換流器的工作特性，在分析控制特性時，以12脈動換流器為例，說明通過控制觸發角和逆變角可以實現對電壓、電流和功率等量值的控制。

利用 MATLAB/Simulink對高壓直流輸電系統進行建模仿真，對6脈沖換流器的高壓直流輸電系統進行建模，在系統不同的運行狀態下（主要為穩態和暫態）進行仿真分析，其中在系統暫態過程中主要針對直流線路發生短路故障的情況進行仿真分析，結果系統的控制性較好。

[1]耿靜.交直流混合電力系統次同步振蕩的建模與分析[D].華北電力大學(北京),華北電力大學,2013.

[2]侯鐵鑄.淺談監理工作中的直流輸電工程技術[J].科技創新與應用,2014(30):187-187.

[3]許達.特高壓直流輸電系統孤島運行研究[D].華南理工大學,2012.