基于MATLAB／Simulink的高压直流输电系统仿真研究

簟３５毫簟６搠　２００２卑６月　中国电力　Ⅷ．３５．№．ｅ　ＪＩＪｎ一２００２　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕ¨ｎｋ的高压直流　输电系统仿真研究　赵中原　，方　志　，邱毓昌‘，王建生　，于永明　西安变遥大学电气工程学院．燕西西安７ＩＯＯ４．９；２西安高压电器　究所，陕西百安７１００７７）　摘要：讨论ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下电力系统元件模型建立原理和电网网络方程求解方法，介绍其内集　成电力系统工具的特点和功能。用这种方法对一十典型１２脉冲桥高压直流（１４￣Ｉ）Ｃ）输电系统交直流侧　发生故障及清除过程的仿真计算结果表明，该方法能较准确地考察暂态过程中高压直流输电系统的动态　特性　关键词：Ｍ＾｜ｒＩ＿ＡＢ；高压直流；电力系统工具箱　中国分类号：ＴＭ７４２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４－９６４９（２００２）０６－００５１－０４　仿真，分析了在直流线路对地故障和交流单相对地　０概述　高压直流输电（ＨＶＤＣ）系统的暂崽仿真对于电　力系统研究、规划、设计和运行等起着重要作用　为　能较好地反映系统动态过程中大扰动下交直流系统　间的相互作用，目前大多采用时域仿真的研究方法。　基于电磁暂态程序（ＥＭＴＰ）的系统仿真虽具有较好　的精度。但其仿真步长要比一般机电暂态过程计算　所用的仿真步长小２、３个数量级，从而需花费大量的　机时，这在大扰动下对大规模交直流电力系统进行纯　电磁暂态仿真是不现实的…；还有一种方法是，在进　行机电暂态仿真时用准稳态方程描述换流器．并将直　流线路简化为一个惯性环节　．这样对直流系统过　于简化，不能准确地描述故障后换流器的恢复过程．　甚至会导致错误的结论　。此外，当考虑直流线路的　故障情况下系统的性能。　１仿真原理　电力系统暂稳态仿真主要研究电力系统网络元　件模型的建立及数值方程的求解，目前已开发出的　主要仿真方法有状态变量法、节点分析法及修正节　点分析法等。这些方法已用于开发不同的仿真软件，　如适用于电磁暂态仿真的ＥＭＴＰ程序（基于固定时　间步长梯形积分的节点分析法）和用于电子线路、电　力电子仿真的ＳＰＩＣＥ（基于变步长积分的修正节点　分析法）等。每个仿真软件都具有自己的优缺点，即　有较其它软件更适台解决某一特定问题的特点，如　ＥＭＴＰ很适台没有换流器的大型电力网络；而ＳＰＩＣＥ　适用于有电力电子系统的小型网络　］。　故障及恢复性能时，也有必要在仿真模型中对直流　线路及直流输电控制系统进行有效而准确的描述。　本文在电力系统元件模型建立原理和网络求解　方法基础上，阐述了ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下包括　基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的电力系统用２部分　表示，郎线性电路的状态空间模型和非线性元件反　馈模型（见图１）。　电力网络、电力电子和控制系统的完全电力系统仿　真结构。利用相应的ＰＳＢ（Ｐｏｗｅｔｓｖｓｔｅｍ　Ｂｌｏｃｋｓｅｔ）工　——具，可在同一个框图下通过各种变步长积分用状态　变量法对交直流输电系统进行仿真：同时Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　图形界面为用户提供了良好的仿真环境，可实时地　显示结果；ＭＡＴＬｌＡＢ丰富的工具箱方便用户对目标　参数进行优化及对仿真结果进行后处理等　本文对　一】　状态空间模型　Ｌ　‘　＿Ｊ：　Ｌ圃：　黜　＿－ｊ　个典型ｌ２脉冲桥ＨＶＤＣ输电系统进行了暂稳态　图１　反馈式电力系统状态空间模型　收稿日期：２００１．１２－１７　作者简介：赵中原（，９７４－），男，山东潍坊人，博士研究生。从事高压直流输电过电压绝缘配台研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２Ｏ０２年第６期　中国电力　第３５卷　１．１　线性电路状态空问模型　线性电路通常包括电阻器、电抗器、电容器和巨　耦电感，其状态方程可表示为　＝蛐氟螨蝻蘸鞴　～　Ａｘ＋Ｂｕ（１）　ｙ＝Ｃｘ＋Ｄｕ（２）　其中　，　是状态变量及其导数；ｕ是输人向量；　是　输出向量：Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ是状态矩阵　线性电路中，状态变量是电容电压和电感电流：　田园困囵圈图　圈　～”暑孕勰鬟昔　三　输Ａ是电压、电流源；输出是被测电压和电流　１．２非线性元件仿真　『｝：线性元件，如变压器饱和支路、压敏电　嚣、　非线性电感、开关、电机等，用非线性　一，曲线来建　模　每个非线性模型用元件两端的电压作为输Ａ，并　将返回的电流ｉ丰人线性电路状态空间模型，从而在　线性电路状态空间模型输八、输出间形成反馈回路　渡彤。　图２　ＰＳＢ－ｒ具库　供的示波器模型，可显示观测点处的仿真结果及其　１．３状态初始化　在获得系统状态空间模型后，必须对所有状态　２＿２模型库　根据电力系统内各电气设备特性，可将ＰｓＢ库　内的模型分成电源、元件、电力电子器件、电机、连接　器和测量等几部分。元件集包括单相ＲＬＣ支路和负　载模块、变压器、互感器、　型传输线、避雷器　断路　器、ｎ相分布参数线路模型等。利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ＝次丁Ｆ　变量进行初始化，以便可从稳态开始仿真，忉始化向　量Ｘ　一可通过下面的处理来获得　系统状态方程可以表示成盘ｌｌ　ｒ所示输人变量的　函数：　Ｘ＝（ｓｌ—Ａ）　ＢＵ（３）　发功能，ｎＴ方便．Ｉｇ编辑出更复杂的元件模型和集成　参数对话框。电力电子集包括通用的半导体元件，每　个元件（除＝极管外）都有Ｓｉｍｕｌｉｎｋ门板ｌ捧制输人　端和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ输出端，可显示开关的电压和电流　由式（２）可得到传输函数矩阵　Ｖ　Ｈ＝｛　＝ｃ（Ｕ　　Ａ）。。Ｂ＋Ｄ（４）　其中　是拉普拉斯算子：　，Ｕ，Ｙ足状态变量、输人　向量、输出向量的拉氏变换；』是（ｎｘｎ）单位矩阵。　现设ｓ　∞，则用输人电压和电流向量可计算状　态向量的稳态值和ｔ＝０时的初始值；角频率为ｕ的　输出向量直接从式（４）中得到一如粜系统含有不同　频率分量的电压和电流源，对于每个频率分量重复　上述过　，Ｘ　向量是每个频率分量下求得的向量　总和。　值．电机集包括简化的和洋细的同步电机、异步电　帆、励磁机、永磁同步电机和涡轮机等，每…个模块　有一个Ｓｉｍｕｌｉｎｋ输出来显示内部变量状态值　２　３初始化和仿真　每『灾仿真开始时都要执行初始化过程，来计算　电路状态参数、椅验电路是否符合电气规则ＰＳＢ图　形　面利用对话桩来设置电容电压和电感电流初始　条件，这样可从初始条件仿真或从稳定状态下仿真，　同样可显　所有模块状态参数值。　１．４频率响应　获得系统状态空间向量摸　后，可用于时域和　频域研究。用户可利用各种ＭＡＴＬＡＢ函数和工具箱　对结果进行处理和绘图。　３计算实例　本文采用的典型ｌ２脉冲桥ＨＶＤＣ输电系统如　２图形用户界面和模型库　２．１　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下仿真工具　ＰＳＢ是一个图形编辑工具，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下　能建立电力系统原理图并进行仿真计算　ＰＳＢ库　（见囤２）提供了电力系统仿真通用的元件和装置，　包括ＲＬＣ支路和负载、变压器、传输线、避雷器、电　机、电力电子装置等　通过点击和拖拽可用ＰＳＢ库　＿刳３所示　整流器和逆变器均采用２个６脉冲桥串　联　成的１２脉冲桥结构，换流器间连接０　５Ｈ平波　电抗器和５００　ｋＶ直流架空线路（长３００　ｋｍ）　整流　侧交流源是短路　量为５０００ＭＶＡ的５００　ｋＶ电力　网络（频率为６０Ｈｚ）；逆变侧则连接１００００ＭＶＡ的　３４５　ｋＶ交流网络（频率为５０Ｈｚ）　换流器所需的无　功功率由一组滤波｛｝｛｛（电容器组，１１次、１３次及高通　滤波器）提供　整流侧和逆瘦侧容量各为６００Ｍｖａｒ＝　内的模型米建立电力系统仿真原理图，并利用模　元件的对话框来设置相关参数。使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ提　５２　整流侧采用电流控制，逆变侧采用电压控制方式７．　８　图４是逆变侧直流线路对地发生故障和恢复时整　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３５卷　基－Ｔ－ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉ＇ｍｕｌｉｎｋｌ￣高压直流输电系统仿真研究　２０Ｏ２年第６期　图３典型１２脉冲桥ＨＶＤＣ输电系统ＰＳＢ仿真原理图　流侧直流线路电压％、电流　和参考电流　、触发　延迟角　等各参数仿真结果。从图一　结果分析可　知，逆变侧直流线路对地故障时，直流线路电流迅速　流线路两端－没有装设直流滤波器，使故障期间直流　线路电压、电流有很大谐波分量。０．７　ｓ时ＶＤＣＯＬ开　始运作，把参考电流降为０．３　ｐｕ；故障清除后０．４　ｓ　内系统恢复正常。　增至２．３　ｐｕ；直流电压降为零。通过依赖于电压的电　流指令限制（ＶＤＣＯＬ）将整流侧电流参考值设为０　３　ｐｕ，故障情况下直流线路中还有电流流过。０．６５　ｓ时　强制整流侧　为ｌ６５。，使整流器处于逆变状态，此　时直流电压转换为负极性，并将储存在线路中的能　量返回到交流网络，在下一个过零点将故障电流迅　速熄灭　０．７　ｓ时释放　角，系统大约在０．３　ｓ内恢复　正常　４结论　利脂ＭＡＴｌｌＡＢ／ｓｉｍｕＪｊｎｋ环境下的ＰＳＢ模型库　及Ｓｉｍｕｌｉｎｋ强大的二次开发功能和丰富的］　具箱，　可对交直流混合输电系统进行仿真，能较准确地反　映暂志过程中直流输电系统的动态特性，与纯电磁　暂态仿真相比，可大大缩短仿真所需的时问。｛Ｉ－ｉｇ实　例结果分析表明，该方法还可对直流线路的故障和　恢复过程进行仿真；同时良好的图形用户界面可方　便地实时显示参数波形，可直观地分析系统性能。　当整流端变压器交流侧单相对地发生故障时，　整流器侧的直流线路电压　、、电流　和参考电流　一触发延迟角８等各参数仿真结果见图５由于直　篁　一０　ｊ　毒　０　一Ｉ　：　÷、　≈　３　２　ｊ　（）　＝　２　Ｉ　罢　０　ＩＰ，Ｏ　一　１００　０２　ｍ４　Ｏ　０　０　２　０４　０　６　ｎ８　圈４逆变侧直濂线路对地故障时仿真结果　图５整流端变压器交流倒单相对地故障时仿真结果　维普资讯 http://www.cqvip.com

２ｏ０２年第６期　中国电力　第３５卷　ｐｒｇｒａｍ　ｉｎｎ　ＭＡＴＬＡＢ：ＭａｔＥＭＴＰ［Ｊ］１ＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　０ｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖ—　参考文献　】ｊ绦政古多个直流换流站的电力系统中交直流相互作用特性　ｃｒｙ．１９９７．１２（１）：３８０－３８８．　６　Ｙ　Ｋａｎｇ．Ｊ　Ｄ［，ａｖｅｒｓ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ａｎａｌｓｉｙｓ　ｏｆｅｌｅｃｔｆｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ：ｒｅ—　ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ１ｈⅡ　１９９６．１　１（２）：７５４—７６０　ＰｏｗｅｒＳ？＇ｓｔｅｎ￣ｓ，　综述［Ｊ：电网拄术，１９９８，２２（２）：１６—１９　［２］Ｍ　Ｓ￣ｅｈｔｍａｎ，ｅｔ　Ｆｉｒｓｔ　ｂｅｎｃｈｍａｒｋ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ＨＶＤＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｌＪ］Ｅｌｅｃｔｒａ，１９９１．（１３５）：５４・６７　［３］ＩＥＥＥＰａｎｅｌＲｅｐｏｒｔ　ＨＶＤＣ　ｃｏｎｔｒｏｌｓｆｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　『】１．１ＥＥＥＴｒａｎｓＯｔｔＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，１９９１，６（２）　７４３—７５２　ｌ４］ＡＧａｌｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｏｌｓ缸ｓｙｓｔｅｍｔｒａ￣ｉｅｎｔｓ：ａｎｌｎｔｒ．ｄｕｃｔｉｏｎ［Ａ　Ｊ　ＩＥＥＥ　ＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ＳｕｍｍｅｒＭｅｅｔｉｎｇ［Ｃ］，２０００，Ｖｏｌ　２：７６１－７６２．　［７］Ｂ　Ｍ　Ｂｕｃｈｈｏｌｚ．Ｘ　Ｌｅｉ　Ｄ　Ｗ　Ｒｅｔｚｍａｎｎ，Ａｄｖ￣ｃｅｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｏｗｅｒｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ｒｅ　—ｉｔｍｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ａ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎ［ｃ　，２０００，Ｖｏ１．２：６１３－６１８　：８：ＧＭｏｆｉｎ．ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｌｔｈｅＨｙｄｒｏ—Ｑｕｅｂｅｃ－ＮｅｗＥｎｇｌａｎｄＨＶＤＣ　ｋｍ　ａｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔ￣ｌｓｗｉｔｈＥＭＴＰ［Ｊ　．［ＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＰｏｗｅｒＤｅ—　ｌｉｖｅ￣＇．１９９３，８（２）：５５９－５６６．　［５］Ｊ　Ｍａｈｓｅ￣ｄｊｉａｎ．Ｆ　Ａｌｖａｒａｄｏ．Ｃｒｅａｔｉｎｇ　ａｎ　ｅ［ｅｅｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ　【责任蝙辑车新捷）　ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ・Ｂａｓｅｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＨＶＤＣ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＡＯ　Ｚｈｏｎｇ—ｙｕａｎ。．ＦＡＮＧ　Ｚｈｌ。．ＱＩＵ　Ｙｕ—ｃｈａｎｇ。，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎ・ａｓｈｅｎ￣．Ｊｉａｎ—ｑｉａｎ　（１－Ｘｉ＇ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ⅺ’ａ３１　７１００４９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ＇ａｎ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｈａｇｅ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ，Ｘｉ’ｎ　７１０ａ０７７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｏｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｓｏｌ￣ｄｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ＭＡＴＬＡＢ／ＳｉｍｕＩｉｎｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｌｏｃｋ—ｓｅｔ　ｂｅｉｎｇ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｓｌｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ａｎｄ　ｃｌｅａｎ—ｕｐ　ｐｍｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　１２一ｐｕｌｓｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ＨＶＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓ　ＡＣ／ＤＣ　ｓｉｄｅｓ，ｈｅ　ｆｔｅｚｕＩｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ａ　ＨＶＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓ）￣ｔｅｍ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｐｌｏｃｅｓｓ￣ｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｓｅｒｖｏｄ　ｑｕｉｔｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＡＴＬＡＢ；ＨＶＤＣ；ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｌｏｃｋ－ｓｅｔ　在美国亚拉巴马州．现正在建造一系　列新型的发电站。这些电站不用媒作　▲羹田出现疆台置电站美　燃料．也不用水力或棱动力发电．一　旦电力不足．或需要紧急用电时，打　开地下的大型储气站阀门，就可以靠　储藏的高压空气源发出电来。这就是　生态能源领域的新秀，称作“空气发　电站”．空气发电技术早　２（】世纪７（】　年代就有了。受　抽水蓄能”电站启　发，德国工程技术人员提出．用风力　发电能不能也像这种蓄能电站那样．　将空气存储起来．到需要时再使用　呢？他们找到了一种储存空气的好方　法．即在地下建一座大型储气站，用　空气压缩机将空气压缩，进行存储　需要时再打开阀门，由高压空气推动　涡轮机发电。如果能在空气排放前再　用燃气加热，效率会更高　那时，德国　下萨克森州建成的世界第１座空气　发电站，２十储气站就利用２十废弃　的盐矿矿井．分别在地下６５８ｍ和　８００ｍ．可以储存空气３Ｉ万　，晟大　ＭＷ的发电机组工作３　ｈ。而美国在亚　拉巴马州新建的“三垦”电站．是刺用　了废弃的碱矿矿井，它也深人地下　８００ｍ，储气量达９００万ｍ　。它建成井　冈发电后．将可发电２７００ＭＷ，相当　于２十大型核电站的峰值发电量，可　满足６８万户居民的２　ｄ用电。空气　发电技术除了能作为应急电站外．本　国第ｌ家由燃料堆和天然气系统驱　动的混合发电站开始运营。这十位于　美国加州加利福尼亚一欧文大学的一　个研究中心内的发电站发电能力为　１９０ＭＷ，可以为大约２００户人家提供　电力。该电站发电系统由燃料堆系统　身也是一种洁净能矩　与火力发电相　比．ＣＯ，的排放仅是煤燃料的１／２０；每　度电的ＣＯ，排放量为ｌ　１５ｇ。如果将　空气发电与风力发电机组合使用．将　开辟全新的提供能源的新途径。一十　风力发电机群加上压缩空气电站，　无论儿技术、还是从经济角度看，都　可与油、燃气、煤或棱能一比高低　我　国风力资源丰富．特别是内蒙古地　区，年平均风速为４　ｍ／ｓ以上，而浙　（即利用电化成分把燃料能量转变成　电能）和一十高效率的微型天然气轮　机组成。该气轮机是由燃料堆工作带　来的加压输送的天然气驱动的。初期　数据显示．这种混合组装可使发电效　率达到５３％．高于世界上任何其他单　纯燃料堆或天然气发电站的发电教　率。该发电裴置唯一释放的物质是含　氯氧化物，它会造成固体颗粒污染。　即使如此．其污染程度仅为目前纯粹　的天然气发电厂污染的１／２０。这项　新技术可能会改变未来能矩工业的　蓝图。　江的嵊泗、岱山地区，１０　ａ平均风速　达７ｍ／ｓ以上，建造风力发电机群，　加上空气电站，那真是取之不尽的清　洁能源。　▲羹●●赫量空气蓄■电站　承受压力为７Ｏ　Ｐａ．足够供功率２９０