HVDC控制系统建模仿真分析

HVDC控制系统建模及仿真分析

【摘 要】 高压直流输电（hvdc）具有送电距离远、经济性好等优点，成为我国重要的区域联网方式。本文介绍了高压直流输电系统的基本结构和工作原理，重点探讨了高压直流输电极控制系统的主要功能，运用仿真软件pscad/emtdc对高压直流输电系统中极控系统的最主要功能进行了数学建模，并给出了仿真波形和结论分析。

【关键词】 高压直流输电 极控系统 pscad/emtdc 控制特性 仿真分析 1 绪论

直流输电 （hvdc）的发展历史到现在已有百余年了，其在输电技术发展初期曾发挥作用，但存在直流电机串接运行复杂，高电压大容量直流电机存在换相困难等技术问题，发展进展缓慢[1]。近年，随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，晶闸管逐渐淘汰汞弧阀，使高压直流输电技术日趋完善，建设费用不断下降，可靠性提高，直流输电越来越显示出它的重要性，目前在大功率远距离输电、交流系统间异步联接等方面都得到了广泛的应用[2，3]。

2 高压直流输电系统原理 2.1 换流器的基本原理

换流器的功能是实现交流-直流或者直流-交流的变换。交流发电机发出的交流电力，送到换流站，经过换流变压器变压和实现电

隔离之后，接到换流器，将交流转换成直流，通过直流平波电抗器和输电线路送到线路另一端的换流站，再变换成交流电供给受端系统中的负荷[4，5]。 2.2 换相失败的原理

在直流输电系统中，由于整流器阀在电流关断后的较长时间内处于反向电压下，所以仅当触发电路发生故障时，整流器才发生换相失败。直流输电系统中大部分换相失败都发生在逆变器，换相失败是逆变器最常见的故障[6]，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆[7]。 3 高压直流输电系统建模

由于本文在cigre模型的基础上加设定电压控制，所建直流系统为双桥12脉动单极大地返回式直流输电系统。两侧交流系统均用戴维南定理进行等值，整流侧交流系统额定线电压为345kv，额定直流电压为500kv，额定直流传输功率1000mw，短路比为2.5∠84°；逆变侧交流系统额定线电压为230kv，短路比为2.5∠75°，两侧阀通过直流母线串接平波电抗器相连。[8] 4 hvdc系统仿真分析 4.1 稳态运行分析

稳态运行特性即模拟高压直流输电系统正常状态下的工作状况。启动过程耗时数百毫秒，逐步升高直流电压和直流电流，也称

软起动。这种启动方式可有效防止直流输电线路的对地电容和直流功率突变对交流系统的大扰动。

启动时，整流侧、逆变侧均为定电流控制。启动成功后，减小逆变器的越前触发角β，触发角的变化速率缓和，使直流电压达到设定值。在t=0.35s时达到稳态，稳态时，整流测运行在定电流控制模式，逆变测运行在定电压控制模式，整流侧触发角α维持在21°，逆变侧触发角为141°。通过仿真运行，稳态时直流电压、电流和触发角与预计值相符。

4.2 直流线路短路故障及其再启动分析

直流短路的特征是：交流侧通过换流器形成交替发生的两相短路和三相短路；短路会瞬时的引起整流器电流增加，并使逆变器电流减小。

此时，整流器的电流控制的作用是降低直流电压，并使电流回到它的正常整定值id；在逆变器中，电流变得比电流控制器参考整定值i小。结果，逆变器的运行方式从定电压控制转变为定电流控制，这使逆变器电压减小到零。故障时，整流测初始会造成短路故障电流的过冲，这是由于线路电容放电引起的；而逆变侧直流电流减小，两侧直流电压均跌落。此外，在该故障方式下，整流侧控制器作用会使其α角增大，再启动回路起作用时，使得系统整流侧触发角快速升高至150°，整流侧直流电流发生过冲而超过整定值，两侧vdcol均动作，使电流指令值减小。而逆变侧在控制器的作用下会迅速使β、γ角增大，然后逐渐趋于稳定。

5 结论及展望

本文对所建立的pscad/emtdc直流模型进行了模拟仿真。通过仿真分析可以看出，高压直流输电控制系统的响应速度非常快，在发生故障时，为了降低故障影响并快速恢复，直流输电控制系统的控制模式会发生快速切换，相互配合。这种调节方式特别适用于受端交流系统等值阻抗较大的场合。[9]

hvdc在我国仍处于新兴发展阶段，我国地域辽阔，能源分布不平衡，远距离大容量输电势在必行。利用高压直流输电作异步联网在技术、经济和安全性等方面的优势已在世界范围内得到证明。因此高压直流输电技术必将以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网两方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。 参考文献：

[1]余涛，郑竞宏.hvdc及其控制系统动态稳定性的理论分析[j].电力系统自动化2002.06.

[2]m.o.faruque，yuyan zhang， venkata dinavahi. detailed modeling of cigr？ hvdc benchmark system using pscad/emtdc and psb/simulink [j].ieee.

[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[m].北京：中国电力工业出版社，2004.

[4]闰飞，韩来文.基于pscad/emtdc的hvdc背靠背系统控制策略仿真研究[j].吉林电力，2010.

[5]韩民晓，丁辉，林畅.高压直流输电系统电磁暂态建模[j].电力系统及其自动化报，2008，20（4）.

[6]任震，欧开健，荆勇.直流输电系统换相失败的研究[j].电力自动化设备，2003，23（5）.

[7]潘丽珠，韩民晓，文俊，李跃.基于emtdc的hvdc极控制的建模与仿真[j].高电压技术，2006.9.

[8]m szechtman，t wess， c v thio. a benchmark model for hvdc system studies[j].ac and dc power transmission，1991. [9]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[m].北京：水利电力出版社，1985.