國際大電網(wǎng)會(huì)議高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型的仿真分析

田園 戴寶琴

摘要：高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）是一種利用電力電子技術(shù)介入電能輸送的技術(shù)。隨著HVDC理論的快速發(fā)展，對其的仿真研究也成為學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。現(xiàn)分析了國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）提出的高電壓輸電標(biāo)準(zhǔn)模型及其工作原理，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通過MATLAB搭建了一個(gè)十二脈沖橋HVDC系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了運(yùn)行工況分析研究，論證了該仿真模型的正確性及可行性。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電;MATLAB;十二脈沖橋

0 引言

高壓直流輸電工程是以直流電的方式實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)墓こ蹋秒娏﹄娮涌刂茡Q流技術(shù)在送端將交流電轉(zhuǎn)化為直流電將電能送出去，而在受端則將直流電轉(zhuǎn)化為交流電將電能送到受端的交流系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于大容量長距離電能輸送場合[1-2]。MATLAB由于其大量的模型庫、友好的界面和強(qiáng)大的計(jì)算能力而被廣泛應(yīng)用于各類仿真研究。本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了國際大電網(wǎng)會(huì)議高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)仿真模型，并對其運(yùn)行特性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 CIGRE-HVDC模型及其工作原理

1.1? ? CIGRE-HVDC模型

國際大電網(wǎng)會(huì)議高壓直流輸電（CIGRE-HVDC）標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)是用于直流輸電控制研究的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要包括整流側(cè)及逆變側(cè)，兩側(cè)均有換流器，結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。換流站交流側(cè)由交流系統(tǒng)、系統(tǒng)等效阻抗、濾波器、電容器及換流器構(gòu)成。換流器由晶閘管組成，用于整流和逆變，實(shí)現(xiàn)交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換;為滿足換流電壓需要，換流變壓器一次繞組會(huì)與交流電力系統(tǒng)相連，將交流電壓變?yōu)閾Q流橋閥所需要的電壓，其直流側(cè)通常為三角形或星形中性點(diǎn)不接地連接，在直流側(cè)形成獨(dú)立于交流系統(tǒng)的電壓參考點(diǎn);濾波器采用一組雙調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器，與電容器共同為系統(tǒng)提供無功功率補(bǔ)償[4-5]。換流站直流側(cè)包括平波電抗器，用于減小直流電壓、電流的波動(dòng)，受擾時(shí)抑制直流電流的上升速度。輸電線路由等效T型電路代替。

1.2? ? CIGRE-HVDC工作原理

在圖1中，當(dāng)左側(cè)的交流系統(tǒng)通過直流輸電線路向右側(cè)的交流系統(tǒng)輸送電能時(shí)，左側(cè)運(yùn)行于整流狀態(tài)，相當(dāng)于電源;右側(cè)運(yùn)行于逆變狀態(tài)，相當(dāng)于負(fù)載。設(shè)直流線路的電阻為R，線路電流為：

兩者之差即為直流線路電阻消耗的功率。顯然，直流線路輸送的完全是有功功率。由于逆變器C2的直流側(cè)電壓Vd2與直流電流Id的方向相反，只要Vd1>Vd2，就有滿足公式（1）的直流電流。因此調(diào)整直流電壓大小就可以調(diào)整輸送功率。

由式（1）和式（2）可見，直流輸電線路輸送的電流和功率由線路兩端的直流電壓所決定，與兩端的交流系統(tǒng)的頻率和電壓相位無關(guān)。直流電壓的調(diào)節(jié)是通過控制整流器的觸發(fā)延遲角α和逆變器的逆變角β來實(shí)現(xiàn)的，因此不受交流系統(tǒng)電壓幅值的影響。

2 MATLAB/Simulink仿真分析

給定系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。經(jīng)過計(jì)算，整流側(cè)參數(shù)：標(biāo)幺值系統(tǒng)中電壓基值VB為345 kV，電流基值IB為1.67 kA，阻抗基值ZB為207 Ω，系統(tǒng)線路電感值L為0.12 H。逆變側(cè)參數(shù)：標(biāo)幺值系統(tǒng)中電壓基值VB為230 kV，電流基值IB為2.51 kA，阻抗基值ZB為97 Ω，系統(tǒng)線路電感值L為0.05 H。

在MATLAB/Simulink中搭建直流輸電及其控制系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)基準(zhǔn)傳輸功率為1 000 MVA，整流側(cè)基準(zhǔn)電壓為345 kV，逆變側(cè)基準(zhǔn)電壓為230 kV，得到整流側(cè)及逆變側(cè)電壓、電流及導(dǎo)通角波形圖如圖2所示。

由圖2可見，參考電流從0.4 s開始由0遞增到1 p.u.。穩(wěn)定后，直流母線電壓和電流穩(wěn)定在1 p.u.，整流側(cè)處在電流控制模式，逆變側(cè)處在電壓控制模式。

3 結(jié)語

本文通過MATLAB的Simulink及Sim Power System工具箱搭建了高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型，較準(zhǔn)確地反映了暫態(tài)過程中直流輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為今后模型的進(jìn)一步完善以及基于各種先進(jìn)控制策略的控制系統(tǒng)仿真研究驗(yàn)證提供了基本依據(jù)。

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收稿日期：2021-06-28

作者簡介：田園（1990—），男，江蘇南京人，碩士研究生，工程師，主要從事高壓直流輸電及供用電技術(shù)研究工作。