國際大電網會議高壓直流輸電標準模型的仿真分析

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介入電能輸送的技術。隨著HVDC理論的快速發展，對其的仿真研究也成為學術熱點。現分析了國際大電網會議（CIGRE）提出的高電壓輸電標準模型及其工作原理，在實驗室環境下通過MATLAB搭建了一個十二脈沖橋HVDC系統仿真模型，并進行了運行工況分析研究，論證了該仿真模型的正確性及可行性。

關鍵詞：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現電能傳輸的工程，利用電力電子控制換流技術在送端將交流電轉化為直流電將電能送出去，而在受端則將直流電轉化為交流電將電能送到受端的交流系統，目前廣泛應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、友好的界面和強大的計算能力而被廣泛應用于各類仿真研究。本文在MATLAB/Simulink環境下搭建了國際大電網會議高壓直流輸電標準仿真模型，并對其運行特性進行了驗證分析。

1 CIGRE-HVDC模型及其工作原理

1.1? ? CIGRE-HVDC模型

國際大電網會議高壓直流輸電（CIGRE-HVDC）標準測試系統是用于直流輸電控制研究的標準系統，其結構主要包括整流側及逆變側，兩側均有換流器，結構如圖1所示[3]。換流站交流側由交流系統、系統等效阻抗、濾波器、電容器及換流器構成。換流器由晶閘管組成，用于整流和逆變，實現交流電和直流電之間的轉換;為滿足換流電壓需要，換流變壓器一次繞組會與交流電力系統相連，將交流電壓變為換流橋閥所需要的電壓，其直流側通常為三角形或星形中性點不接地連接，在直流側形成獨立于交流系統的電壓參考點;濾波器采用一組雙調諧濾波器和一組高通濾波器，與電容器共同為系統提供無功功率補償[4-5]。換流站直流側包括平波電抗器，用于減小直流電壓、電流的波動，受擾時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，當左側的交流系統通過直流輸電線路向右側的交流系統輸送電能時，左側運行于整流狀態，相當于電源;右側運行于逆變狀態，相當于負載。設直流線路的電阻為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。因此調整直流電壓大小就可以調整輸送功率。

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，與兩端的交流系統的頻率和電壓相位無關。直流電壓的調節是通過控制整流器的觸發延遲角α和逆變器的逆變角β來實現的，因此不受交流系統電壓幅值的影響。

2 MATLAB/Simulink仿真分析

給定系統參數，如表1所示。經過計算，整流側參數：標幺值系統中電壓基值VB為345 kV，電流基值IB為1.67 kA，阻抗基值ZB為207 Ω，系統線路電感值L為0.12 H。逆變側參數：標幺值系統中電壓基值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仿真模型，系統基準傳輸功率為1 000 MVA，整流側基準電壓為345 kV，逆變側基準電壓為230 kV，得到整流側及逆變側電壓、電流及導通角波形圖如圖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.。穩定后，直流母線電壓和電流穩定在1 p.u.，整流側處在電流控制模式，逆變側處在電壓控制模式。

3 結語

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仿真模型，較準確地反映了暫態過程中直流輸電系統的動態特性，為今后模型的進一步完善以及基于各種先進控制策略的控制系統仿真研究驗證提供了基本依據。

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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研究工作。