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基于晶闸管的高压直流输电(HVDC)仿真系统研究

发布日期:2021-02-16   来源:《变频器世界》20-11期   作者: 涂建(Tu Jian)李良光(Li Liang Guang)、朱必江(Zhu Bi Jiang)、   浏览次数:1187
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【摘   要】:本文在介绍高压直流输电(HVDC)的结构和工作原理基础上,利用Simulink模块对基于晶闸管HVDC系统进行实验仿真与建模,并分析其稳态特性,对稳态和直流线路故障建模分别进行实验仿真,并得出相应的仿真波形,以此来验证模型的准确性。

 

关键词:晶闸管;高压直流输电;仿真 

Abstract: This paper briefly introduces the structure and principle of HVDC. In this paper,will use Simulink modular in Matlab software for simulation and modeling of thyristor system based on HVDC,and to analyze the steady state characteristics of several common faults,such as DC line fault modeling,and obtains the corresponding simulation wave Shape is used to verify the accuracy of the model.

Key words: Thyristor; HVDC; Simulation

[中图分类号] TM464 [文献标识码] B 文章编号

 

1  引言

早期的直流输电系统的输送端的发电机和接受端的电动机使用的是高压大容量的直流电机,它直接串联工作,对于换相来说相对较难,稳定性也不好。交流送电和交流电网迅速就替换了直流输电系统,在输电系统领域快速积累优势。交流输电由于存在电抗,不能持续恒定输出,因此抑制了传送长度及电量,很容易产生波动,费用消耗高,极易造成异步谐振,从而容易造成输电系统整体崩溃。换流技术刚好可以解决这些矛盾,在电气领域运送电能采用直流方式又重新成为人们的探究学习的重要领域。

换流技术中采取基于可以关断的器件的电压源型换流器、脉宽调制(PWM)技术是近年来研究的热点和重点。高压直流输电(HVDC)具有高电压距离,大容量的特点。并且输送电量不会受到外部条件的约束[1]

在这个趋势发展下,对探究HVDC的结构、运行原理及控制方法建模与仿真探讨系统的动态特性将具有一定意义与价值[2]

 

2  HVDC系统的工作原理

    HVDC系统控制的基本思想就是当系统运作良好或者当系统运行有问题的时候,根据对调制比M跟移相位角δ的调制,让系统在有功功率无功功率频率交流电压等各项参数的设定范围之内。

HVDC输电的基本原理如图1所示含有两个换流站、直流输电线路及两端交流系统1和2。在系统1向系统2传电时换流站1处于整流运行模式,系统1将三相电流送入换流站并且将其转变成直流电,然后再通过直流线路送到换流站2。此时,换流站2则处于逆变模式,然后再把输入进来的直流电转换为三相交流电转入系统2。经过换流器将直流输电两端的直流电压和电流进行迅速操控转换,在一般情况下,当逆变站控制直流电压整流站控制电流时,这时候就可以达到可控的输送功率的目的。虽然无功功率无法由直流线路传送,不过整流变换器和变流变换器在电流及电压的变换时却不可或缺。

                          

1 HVDC输电的基本原理

其中包括以下几个主要方面:

(1) 换流器由晶闸管构成,对电流或者电压进行调整。通常来说,桥式电路是它的主要部件,其中有单双桥两种,所有的桥都有6个桥臂

(2)换流变压器把输入侧交流系统电压转换成桥型整定电流的分路工作时的电压,把逆变器送出的电压转换成接收侧交流系统工作时的电压。

(3)平波电抗器降低直流电压和电流的振幅,当他们遇到干扰时会减慢电流增加的速度。

(4)滤波器通常说来,交流侧滤波器是安放在换流变压器的母线上,它的大部分功能是阻抑由换流器生成的谐波电流,此同时也会为换流器少量补给它运行工作所必须吸收的无功功率。通常来说,直流侧滤波器并联在极线上,它的大部分功能是阻抑由换流器生成的谐波电流。

(5)无功补偿一般是静电电容器还有无功补偿器提供,并且给直流线路输送它。

不管是逆向变电器或者整流变电器,假如合理地改变逆向变电器的触发越前角和整流变电器的触发延迟角,这样就可以获得建模所需要的所有电压及电流特点。在通常状况下,换流站通过整流变电侧操控定直流电流来进行运行,逆变电侧则通过定关断越前脚和定直流电压来操控运行。

 

3  HVDC系统仿真模型

    使用电力系统模块(power system block,PSB)中的仿真模型对该系统实行仿真研究[3]。对HVDC系统的仿真模型如图2所示[4-6]。在图2中,可以看到的是500kV、5000MVA、50Hz的交流系统由1000MW的直流联络线和345kV、10000MVA、50Hz的交流变电系统相互并联。交流变电系统的相位角全都是80,并且最低频次都为50Hz,而且伴随3次谐波。用300km的线路和0.6H的平波电抗器把这两个系统进行相连。

 

2  基于晶闸管的HVDC的仿真系统图

 

 

4  仿真结果分析

4.1  稳态电压电流分析

Powegui模块中选择“离散系统仿真”(Discretize electrical model)单算框,并且设置采样时间为50μs,然后进行稳态电压电流分析(Steady message during analysis),在稳态电压,电流分析窗口调整进行数据修改,如图3所示

 

3  稳态数据修改图

4.2  稳态电压和稳态电流波形

稳态电压和稳态电流波动图如图4所示。在图4中VdL表示直流电路那一部分线路的电压,Id表示直流电那一部分的线电流,Idref实际参考电流。在图4中可以看到,经过一段时间后系统能够自动稳定地运行。稳态运行之后,直流电压变为1.0p.u,直流电流为1.0p.u。

 

4  稳态系统直流侧波形

 

4.3  直流线路故障建模

0.12s时断开,接地时间为0.02s。图56分别为建模后整流变电侧和逆变电侧两个相关数据的电流电压波形图,从图中可以看到的是,当实验数据发生异常情况的时,直流侧电流将会瞬间涨到2.2p.u,而直流侧电压则会减为0值。经过VDCOL子系统的调控运行,参考电流减少到了0.3p.u,所以当异变发生后,直流侧还是会有电流流通,当t=0.14秒时,触发延迟角此时被强行定为166,整流变电器这时候处在逆变模式。而直流电路部分线路电压这时成了负值,线路上的能量则被送回入交流变电系统之中,这时将会造成异变电流在过零点时迅速消失。0.01秒之后额定电流与额定电压将会处于稳定运行状态。这时候,运行直流部分电路断路器模块,让其在t=0.15秒时导通。

 

5  直流侧线路故障时整流侧电压波形图

 

6 直流线路故障时逆变侧电流波形图

 

5  总结与展望

MATLAB软件对HVDC系统进行建模和仿真,对系统在稳态和故障状态下进行了仿真研究与分析分析仿真曲线知道,当系统发生故障时,直流侧和交流侧就经常出现过电流、过电压的故障,而且系统的故障将会使功率的传输大小发生变化,这给将来故障保护的研究提供了有效的实验基础。

HVDC系统发生故障时,仍然要深入探讨保护策略HVDC系统中,要保证安全、可靠、稳定的运行,当系统直流侧或交流侧发生故障时,不仅要保证系统元件不会由于过压、过流而受到伤害,并且还必须系统设计适当的保护。所以,合理设计和配置HVDC系统的故障调控以免系统受到损失,这是非常重要的。

 

参考文献:

[1]赵婉君. 高压直流输电工程技[M]. 北京: 中国电力出版社,2012: 8-24.

[2]谢小荣,姜齐荣. 柔性交流输电系统的原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社,2013: 15-49.

[3]王晶,张有兵. 电力系统MATLAB/SIMULINM仿真与应用[M]. 西安电子科技大学出版社,2017: 45-100.

[4]范彬,王奔,李新宇. 基于自抗扰控制技术的HVDC系统控制器设计[J]. 电力自动化设备,2013,22(5): 34-59.

[5]余涛,沈善德,李东海. 高压直流输电系统自抗扰控制方法[J]. 电力系统自动化,2002,33(5): 12-26.

[6]范帅军,凌颖,赵莉华. 基于内模控制的HVDC风电并网系统控制策略研究[J]. 四川电力技术,2012,35(2): 12-32.

 

作者简介:

涂建(1983-)男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术。

 
 
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