基于Matlab-Simulink超高壓直流輸電數值模擬研究

焦建霖

摘要：隨著經濟社會發展和電力需求的增加，超高壓直流輸電在長距離和大容量傳輸中的優勢日益凸顯，高壓直流輸電在電力系統中的應用也越來越廣泛。由于控制系統是整個直流輸電系統的靈魂，直流輸電的快速可控性是由控制系統實現的，因此本文對高壓直流輸電控制系統做7重點分析，基于Matlab/Simulink建立了超高壓直流輸電模型，結果顯示，本文搭建的超高壓直流輸電模型的性能良好，能夠安全可靠運行。

關鍵詞：高壓直流輸電 穩態分析 控制策略

引言

隨著直流輸電的應用越來越廣泛，對直流輸電系統進行研究很有必要。其中，控制系統是整個直流輸電系統的關鍵，它決定了直流輸電系統是否可以安全可靠運行。我們都知道，HVDC系統具有快速調控潮流的優點。直流的頻率為零，沒有相角和功角，不存在穩定性問題因此高壓直流輸電在交流系統交流穩定性方面具有獨特優勢。值得一提的是高壓直流輸電的控制系統是整個直流輸電系統的靈魂，是整個輸電系統安全穩定運行，具有良好運行性能的關鍵。

本文基于Matlab/Simulink建立了超高壓直流輸電模型，由整流系統，逆變系統，交流濾波系統和控制系統組成，控制系統是整個模型的關鍵。整流側采用恒流控制方式，逆變側采用恒壓控制方式，恒流控制方式和恒熄弧角控制方式的協調控制策略，且兩側都配備了低壓限流控制方式。

1直流輸電系統的基本控制原理及控制方式

通過調節輸電線路兩端換流器的觸發角度，可以實現對直流輸電系統精確快速的控制和調節。它不僅可以實現HVDC輸電的各種輸電方式，提高HVDC輸電系統的運行性能，還可以改善兩端交流系統的運行特性。因此，控制系統是整個直流輸電系統的靈魂，保證了直流輸電系統的安全和可靠運行。

1.1直流輸電系統的控制原理

現通過一個單極聯絡線分析直流輸電系統的控制原理來進行說明，其電壓分布如圖1所示：

顯然，直流輸電系統輸送的功率為有功功率。由圖1可知，只要Vdr大于Vdi，就能實現直流電流的流通。因此，可以通過調節直流電壓的大小來調節傳輸功率的大小。需要指出的是，如果整流側和逆變側的直流電壓極性不改變，即使Vdi大于Vdr，由于晶閘管的單相導電特性，也無法實現直流電流的倒轉。因此，如果想要實現傳輸功率的倒轉，必須通過控制換流器，使原來的整流器運行在逆變狀態，原來的逆變器運行在整流狀態。

1.2直流輸電系統的控制方式

本文整流系統采用定電流控制的控制方式，逆變系統采用定電壓控制，定電流控制和定熄弧角控制三者協調控制的控制策略。此外，整流系統和逆變系統的定電流控制都配備了低壓限流特性（VDCOL）的控制方法，及其最小觸發角控制。

定電流控制：定電流控制是系統中最基本的控制方式之一。定電流控制是指利用電流調節器或者說PI控制器，在電力線路中電流突然發生變化的情況下，短時間內使電流恢復到正常范圍的參考值，保持直流輸電穩定運行。它是將電流實際值與電流的參考值進行比較，以二者的差值作為一個閉環控制器的輸入，來控制換流器的觸發角使得兩者的差值減小甚至消失，達到電流實際值穩定在電流參考值附近的目的。

定電壓控制：定電壓控制也是系統所有控制方法中最基本的控制方式之一。定電壓控制和定電流控制的原理是相似的，唯一的區別在于定電流控制是保持電流值恒定而定電壓控制是保持電壓值恒定，從而使得交流側的電壓穩定。它是電壓實際值與電壓的設定值進行比較，以二者的差值作為一個PI控制器（閉環控制器）的輸入，來控制換流器的滯后觸發角α使得兩者的差值減小甚至消失，達到電壓實際值穩定在參考值附近的目的。

2基于Matlab-Simulink超高壓直流輸電控制系統研究

控制系統不僅能保證系統輸送恒定功率，而且能提高直流輸電系統的運行性能并保證系統設備的安全運行，是超高壓直流輸電系統的核心部分控制系統包括主控制系統整流控制系統和逆變控制系統，在此僅以主控系統為例進行介紹。

2.1超高壓直流輸電主控制系統

主控制系統提供仿真停止時間和參考電流。仿真停止時間Stop_R和Stop_l皆設置為1.6秒。整流側參考電流Id_re_fR和逆變側參考電流Id_ref_l相等，穩態運行時設置為lpu（基準值為2000A），參考電流由兩部分相加得到。

當系統穩態運行時，將開關撥到下邊，即常數O的位置;若系統進行階躍仿真時，將開關撥到上邊，即Id_ref Step的位置，它可以實現在0.7s至0.8秒參考電流減小0.2pu的功能。最小穩態參考電流設置為O.lpu。在0.02s時換流器導通，隨后參考電流增長至最小參考電流O.lpu。0.4s時電流以5pu/s的速率增長，最終達到lpu。在1.4s時使電流以5pu/s的速率減小至最小參考電流0. lpu，1.6s時關斷換流器，仿真時間設置為2s。

2.2超高壓直流輸電系統的階躍仿真

進行超高壓直流輸電系統的階躍仿真時，需要時參考電流出現一個上升或者下降的臺階，這可以在主控制中設置。在MasterControl中，將開關撥到Id_ref Step，Id_ref Step設置為在0.7s至0.8s期間輸出為0.2pu，其余時間為零，這樣可使參考電流在0.7s時減小0.2pu，在0.8s恢復正常。其它設置保持不變。圖2依次為逆變器側的直流電壓、直流電流測量值與參考值、滯后觸發角α、逆變器控制模式、熄弧角v的測量值與參考值的波形：

由上面的仿真圖可以看到，參考電流在0.7s至0.8s之間減小0. 2pu。由于控制系統反應靈敏，迅速動作，自動的調整觸發角α，從波形圖中可以看到，整流器的觸發角向上抬升了一個臺階，接著整流器側和逆變器側的直流電流下凹了一個臺階，即直流電流能夠跟蹤電流參考值的變化并使之在新的運行點穩定運行控制系統的動作迅速，整個超高壓直流輸電系統的性能良好，可以安全可靠運行。

參考文獻

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