基于matlab的柔性直流輸電系統建模與仿真

閆偉，楊家凱，王榮富，韓廣宇，卯明旺

（云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

0 前言

目前，能源危機日益加劇，環境污染問題日益嚴重，為了解決這些問題國家將大力發展可再生能源以優化能源結構。然而，由于太陽能和風能等可再生清潔能源具有分散化、小型化、遠離負荷中心的特點，勢必要求通過遠距離、大容量的輸電方式將這些清潔能源發出的電能傳輸，直流輸電技術顯然是一個好的選擇。

多年以來，在傳統的高壓直流輸電系統中采用的是晶閘管作為換流站的開關器件。但由于晶閘管是一種半控型電力電子器件，只具有控制導通能力，而沒有自關斷能力，且開關頻率較低，運行時產生的低次諧波較多，這也就導致了傳統的直流輸電技術存在一些缺點。

基于以上原因，研究和發展基于VSC和PWM脈寬調制技術的新型輸電方式——柔性直流輸電，是中國電力工業發展的必然選擇。換句話說，發展VSC-HVDC技術將解決城市供電和孤島供電中存在的問題，促進大規模的以風能、太陽能為代表的清潔能源的并網，滿足持續快速增長的能源需求，有利于智能大電網的構建。

所以研究基于VSC的柔性直流輸電技術，建立其數學模型，并以此建立可靠的仿真模型，對研究柔性直流輸電的控制和保護具有理論和實際的現實意義。

1 柔性直流輸電系統原理

典型的雙端柔性直流輸電（VSC-HVDC）系統基本結構如圖1所示。系統兩端分別為整流站和逆變站。與常規換流站類似，柔性直流換流站主要由電壓源換流器、換流電抗器、換流變壓器、直流電容器和交流濾波器組成。整流站與逆變站中間通過直流輸電線路連接。

圖1 柔性直流輸電系統結構圖

隨著換流器工作狀態的調整，系統的功率可以雙向流動，即換流器既可以工作在整流狀態將從交流系統接收的交流電轉化成直流送出，也可以工作在逆變狀態將直流系統輸送過來的直流電通過轉化輸送至交流系統中。圖2所示為單端電壓源型換流器的原理圖。

圖2 單端電壓源換流器原理圖

圖2中，L為換流器的等效電感，R為換流器的等效電阻，US為交流母線基波電壓向量，UC為換流器輸出基波電壓向量，δ為UC滯后US的角度，PS、QS為交流系統向公共連接點處注入的有功功率和無功功率，PC、QC為換流器輸出的有功功率和無功功率。

忽略換流器與變壓器損耗及諧波分量時，交流系統向換流器發出的有功功率和無功功率分別為：

式中；

μ——直流電壓利用率；

X——換流器電抗；

Udc——直流電壓額定值；

M——調制比；

δ——交流系統電壓US與換流器輸出電壓UC的相位差；

從以上公式可以看出：對電壓源換流器進行調制時，只要調節相角δ和調制比M即可實現對有功功率PS和無功功率QS的控制。

2 MATLAB/SIMULINK建模

基于上述的理論分析通過MATLAB/SIMULINK軟件對系統進行建模。柔性直流輸電系統的結構如圖3所示，系統兩端換流站基于電壓源（VSC）構建，換流站主要由電壓源換流器、換流電抗器、換流變壓器、直流電容器和交流濾波器組成。（注：為方便后續實驗，特添加了三相故障模塊）系統兩端換流站通過直流輸電線路連接，一端工作于整流（交流）狀態，另一端工作于逆變狀態，共同實現兩端交流系統間功率傳輸。

系統主要參數如下：兩端交流系統的電壓為220 kV，容量為200 MW,頻率為50 Hz,直流輸電線路的電壓為±100 kV，兩者之間通過120 km長的線路互聯。

圖3 基于SIMLINK的VSC-HVDC系統結構圖

在本模型中交流系統的結構較為簡單，如圖4所示模型兩端交流系統是完全對稱的。主要由一個容量200 MW,電壓220 kV的三相電壓源、一個電感元件和一個R-L并聯電路組成，其中后兩者用來模擬實際運行過程中交流系統的電感和阻抗。兩端交流系統的電壓均為220 kV,頻率均為50 Hz,容量均為200 MW。

圖4 交流系統結構圖

由于整流站與逆變站為左右對稱系統，以一側為例，電壓源換流站的模型結構如圖5所示。換流站主要由換流變壓器、換流電抗器、VSC換流電路和濾波器組成。

圖5 VSC-HVDC換流站系統結構圖

其工作原理是：電能由交流系統1傳輸到換流站，在換流站內先由換流變壓器將等級從220 kV降至100 kV；經測量元件B1測量電壓、電流相關參數后，又經過交流濾波器和換流電抗器進行濾波；濾波完成后電能傳至整流電路（由IGBT組成），整流閥內開關器件的開斷由控制系統發出的信號Pluses1進行控制，經整流閥整流后，100 kV的三相交流電被初步轉換成±100 kV的直流電；換流閥輸出的直流電經直流濾波器、平波電抗器的濾波后變為平滑的直流電輸出至直流輸電線路；電能經直流電路傳到逆變站，在逆變換流站內經過與整流站完全相反的程序，±100 kV直流電被轉換成220 kV三相交流電輸出至交流系統2。在這個過程中測量與控制系統全面參與，進行了數據的采集和有功無功的控制。

3 仿真實驗

3.1 穩態運行實驗

系統在大部分情況下均處于穩定運行狀態，因此弄清楚VSC-HVDC系統在穩態時的運行方式，控制方式，各個變量的參數變化等情況對于研究VSC-HVDC系統尤為重要。基于上述原因，在MATLAB/SIMULINK仿真平臺下搭建雙端有源型柔性直流輸電系統，并進行穩定運行狀態下的實驗。VSC-HVDC仿真系統結構圖如圖3所示，真實模擬系統運行時可能遇到的各種狀況在仿真系統處穩態運行時，整流換流器及逆變換流器的各個物理量波形如圖6～15所示，以下將對各個波形進行分析：

圖6（a） 整流換流器直流側直流電壓波形

圖（b） 6整流換流器直流側有功功率波形

圖6（a）、（b）波形分析：在系統運行開始后，整流換流器直流側的電壓Udc迅速升高至1.25（標幺值）附近；在0.1 s逆變控制系統投入使用后，直流側電壓有一個短暫的降低然后電壓維持在1（標幺值）附近波動；在0.3 s整流控制系統投入使用后，直流側電壓逐漸趨于穩定，保持在1×105V附近，此時整流換流器的有功功率Pdc也逐漸提高，最終在1.1 s后穩定于0.95（標幺值），這表明整流換流站正在從交流系統1吸收有功功率，整個系統也在1.1 s后進入穩態；在1.5 s時由于有功功率參考值減小0.1 p.u.，持續時間為0.14 s，直流側電壓、功率均發生一定程度的波動，經過大約0.3 s后重新進入穩態，此時整流器直流側輸出的有功功率降為0.85左右；在2.0 s時由于無功參考功率減小0.1 p.u，直流電壓Udc略微降低但有功功率Pdc經過短暫的波動后幾乎沒有變化，由此驗證了VSC-HVDC系統可以獨立地控制有功和無功功率。在2.5 s直流電壓的參考值下降后直流電壓的實際值也下降，說明換流器電壓控制部分效果較好。

圖7（a）、圖7（b）波形分析：在系統運行開始后，逆變換流器直流側的電壓Udc迅速升高至1.25（標幺值）附近；在0.1 s逆變控制系統投入使用后，直流側電壓有一個短暫的降低然后電壓維持在1（標幺值）附近波動；在0.3 s整流控制系統投入使用后，直流側電壓逐漸趨于穩定，保持在1×105V附近，此時逆變換流器的有功功率Pdc也逐漸下降，最終在1.1 s后穩定于-0.95（標幺值），這表明逆變換流站在向交流系統2發出有功功率，整個系統也在1.1 s后進入穩態；在1.5 s時由于有功功率參考值減小0.1 p.u.，持續時間為0.14 s，逆變器直流側電壓、功率均發生一定程度的波動，經過大約0.3 s后重新進入穩態，此時逆變器直流側輸出的有功功率降為-0.85左右；在2.0 s時由于無功參考功率減小0.1 p.u，直流電壓Udc略微降低但有功功率Pdc經過短暫的波動后幾乎沒有變化，由此驗證了VSC-HVDC系統可以獨立地控制有功和無功功率。

圖7（a） 逆變換流器直流側直流電壓波形

圖7（b） 逆變換流器直流側有功功率波形

圖8 整流換流器交流三相電壓和電流波形（標幺值）

圖9 逆變換流器交流三相電壓和電流波形（標幺值）

圖8波形分析：該圖是整流換流器交流三相電壓和電流波形圖，一開始由交流系統1提供的交流電壓很快進入穩定運行狀態，而交流電流經過1.1 s左右才進入穩態。這是因為電能從交流系統1經過兩個變壓站、換流站到交流系統2，建立穩定的功率傳輸需要一定的時間，這一點在圖7的有功功率波形圖中也得到體現。在1.5 s時由于有功功率參考值減小0.1 p.u.，持續0.14 s，交流電壓、功率均發生一定程度的波動，在波動結束后重新進入穩態，此時交流電流的大小較原來有一定程度的降低，在2.5 s時直流參考電壓減小0.05 p.u，但交流電壓、電流的大小幾乎沒有變化，這是因為在本論文的VSC-HVDC系統中送電端系統采用定直流電壓控制，受電端系統采用定無功功率控制。

圖9波形分析：該圖是逆變換流器交流三相電壓和電流波形圖，與圖8對比可發現，整流側和逆變側的交流電壓、電流均比較平穩，但逆變側的交流電流大小略小于整流側，這是因為電能在傳輸過程中存在能量損耗，由于電壓相對固定那么功率的損耗就體現在了電流的減小上。

圖10（a） 整流換流器交流側電壓測量值波形

圖10(b) 逆變換流器交流側電壓測量值波形

圖11（a） 整流換流器有功測量值參考值、無功測量值參考值波形

圖11(b) 逆變換流器有功測量值參考值、無功測量值參考值波形

圖10（a）、10(b)波形分析：圖10（a）、10(b)分別是整流換流器交流電壓和逆變換流器交流電壓測量值（標幺）與時間的關系圖像。對比兩個圖像不難發現逆變換流器的交流電壓要比整流換流器平穩得多，這是因為有功功率和無功功率參考值的改變都直接從整流側的交流系統發起，由于電壓控制系統的調控，對逆變側輸出的交流電壓并沒有產生大的干擾。換句話來說VSC-HVDC系統在某種程度上可以起到故障隔離的作用，當一端交流系統發生小的擾動（在調節范圍內的擾動）并不會影響另一端交流系統的正常運行，供電質量也不會受到影響。

圖11（a）、11(b)波形分析：圖11（a）、圖11(b)分別是整流器和逆變器的有功測量值參考值、無功測量值參考值波形。從圖中可看出，當有功功率、無功功率的參考值發生變化后，系統可以迅速的調節，重新進入穩態大約需要0.3 s時間。通過兩個圖形的對比不難發現，整流換流器與逆變換流器的有功功率大小、走勢幾乎一致但方向相反，這是因為整流站從交流系統吸收功率，故有功功率為正，而逆變站向交流系統發出功率，故有功功率為負。在t=1.5 s處，整流器交流側有功功率減少0.1 p.u，而整流站和逆變站的無功波動不大；同理，在t=2 s處，整流器交流側無功功率減小0.1 p.u.，而兩換流站的有功功率幾乎沒有發生變化，由此驗證了VSC-HVDC系統可以獨立的控制有功和無功功率。

實驗總結：本實驗通過對VSC-HVDC輸電系統在穩態運行和各種參量變化的仿真驗證了本次建模的合理性和有效性。仿真過程中VSCHVDC系統可以獨立控制有功、無功功率的特性也得到了體現。

3.2 交流側短路故障運行試驗

電力系統在運行過程中由于外力破壞、絕緣老化、雷擊、誤操作、設計制造缺陷等原因往往會發生如短路、斷線等故障。在系統短路時可能產生設備損壞、系統振蕩甚至系統崩潰等嚴重后果。隨著柔性直流輸電技術的應用愈加廣泛，研究VSC-HVDC系統在交流側發生短路狀況時的一系列反應對于降低供電事故的發生幾率具有重要意義。

基于上述原因，現在在MATLAB/SIMULNK平臺上搭建VSC-HVDC系統交流側短路故障的模型如圖12所示。與3.1中的模型不同的是，本模型在交流側加入了三相故障模塊，在三相故障模塊中可以設置各種短路類型。如圖17所示。

圖12 VSC-HVDC系統交流側短路模型結構圖

單相接地短路是電力系統運行過程當中出現頻率最高的短路故障。本實驗在3.1的控制參數基礎上對交流側單相接地短路（以A相為例）進行模擬，故障接入時間：t=1.9 s,故障持續時間0.14，各相關物理量波形如圖13。

圖13（a） 單相接地短路時整流站交流側電壓、電流波形

圖13（b） 單相接地短路時逆變站交流側電壓、電流波形

圖14（a） 單相接地短路時整流站直流側電壓

圖14（b） 單相接地短路時逆變站直流側電壓

波形分析：在t=1.9 s時，受端交流系統發生單相接地短路，逆變站的交流側A電壓瞬間降為0，A相電流也產生極大波動；而整流站的交流側電壓幾乎沒有發生變化，這是因為系統的整流端采用定直流電壓控制，整流端直流電壓不變，交流電壓自然不發生變化。這也驗證了VSC-HVDC系統在某種程度上可以起到故障隔離的作用，當一端交流系統發生小的擾動（在調節范圍內的擾動）并不會影響另一端交流系統的正常運行，供電質量也不會受到影響。

波形分析：在t=1.9 s時，逆變換流站的交流側發生A相接地短路，短路點產生很大的短路電流，導致整流站和逆變站直流側的電壓上升，由于控制環節的控制，直流電壓被限制在可接受的范圍內，短路解除后回歸正常。

圖15（a） 單相接地短路時整流站直流側有功功率波形

圖15（b） 單相接地短路時逆變站直流側有功功率波形

圖16（a） 單相接地短路時整流站交流側電壓（標幺值）

圖16（b） 逆變站交流側電壓（標幺值）

波形分析：在t=1.9 s時，逆變換流站的交流側發生A相接地短路，整流站和逆變站直流側的有功功率急劇下降，這是因為受電端的交流系統有一項發生短路，系統的功率輸送能力降低，在故障解除后有功功率恢復正常。整流、逆變兩側有功功率波形相反是因為整流站從交流系統1吸收有功功率，而逆變站向交流系統2輸送有功功率。

波形分析：在t=1.9 s時，逆變換流站的交流側發生A相接地短路，短路點產生很大的短路電流，導致整流站交流側的電壓波動，短路解除后逐漸回歸正常，之所以不產生大的波動是因為整流側采用定直流電壓控制，直流電壓不變，故通過連接變壓器相連的交流系統電壓不會產生大的變化。由于短路發生在逆變站的交流側，因此逆變站的交流電壓急劇下降，在短路解除后逐漸回歸正常。

圖17(a) 整流站交流側有功無功參考值、測量值

圖17(b) 逆變站交流側有功無功參考值、測量值

波形分析：在t=1.9 s時，逆變換流站的交流側發生A相接地短路，短路點產生很大的短路電流和一個短路壓降，導致有功功率下降，控制系統為了使直流電壓不發生大的變化，增加整流側的無功功率輸出以維持電壓穩定。在t=2.0 s時整流站無功參考值降低0.1 p.u.，無功功率也相應下降，所以無功波形如圖17(a)所示。同理，在短路發生時，控制系統控制逆變站向周圍系統吸收無功功率以維持電壓穩定，因此逆變站的無功功率測量值表現為急劇下降，短路解除后回歸正常。

4 結束語

綜上所述，在VSC-HVDC、逆變側(受端)三相短路故障和單相短路故障情況下,系統響應速度較快,沒有出現沖擊越限,在故障切除后系統均能快速恢復穩定，說明了柔性直流輸電系統良好的穩定性。