1、机电技术2010年第5期 机电研究及设计制造高压直流输电系统的建模与仿真周晓华12宋春宁1王保录1 宋云鹏1(1广西大学电气工程学院，广西南宁530004：2广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州545006)摘要：介绍了高压直流输电系统(HVDC)的基本原理，整流侧采用定电流控制方式，建屯了基于MATLAB的高压直流输电系统仿真模型。通过对交流系统以及直流线路短路故障的仿真分析，验证了所建市仿真模型的合理性。仿真结果表明，该方法能较准确地观测暂态过程中高压直流输电系统的动态性能。关键词：高压直流输电；MATLAB仿真；暂态分析中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1672-48
2、01(2010)05-080-04高压直流输电(HVDC)系统的暂态过程非常复杂，其主要原因在于：在工程实际中各换流阀的触发角为离散变量；换相电压和触发角在暂态过程中不断变化；长距离直流输电线路具有分布参数特性，需考虑其电压、电流变化的波过程。因此，要精确计算直流输电系统的暂态过程，需要求解包含连续变量和离散变量的常微分方程和偏微分方程。虽然从理论上来说并没有什么困难，而且现已开发出一些相应的计算程序，但是计算工作量却很大。MATLAB软件中的Simulink给用户提供了用方框图进行建模的模型接口，与传统的仿真软件包括用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便和灵活的优点。Simulink
3、中的电力系统模块库(SimPowerSystem)包含了各种交直流电源、大量电气元器件和电工测量仪表以及分析工具等。利用这些模块可以模拟电力系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析睇J。利用MATLAB软件的Simulink工具箱及SimPowerSystem模块库，能方便的对高压直流输电系统的稳态及暂态过程进行建模和仿真，可避免复杂的暂态计算和分析，便于直观的分析系统的性能。本文简要介绍了高压直流输电的基本原理，建立了基于MATLAB的HVDC仿真模型，整流侧采用定电流调节方式，并附加了最小触发角限制，针对整流器交流侧发生单相接地、两相接地、三相短路故障以及直流线路发生接地故障的情形，分别
4、进行了仿真和分析。1 HVDC的基本原理两端直流输电系统只有一个整流站(送端)和一个逆变站(受端)，其与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直流输电系统。图1所示为两端单极直流输电系统的原理接线，它包括两端换流站(整流站尺和逆变站，)和直流输电线路。换流站由换流变压器、换流桥、平波电抗器和交直流滤波器等元件组成。图l 两端单极直流输电系统原理图交流系统I送出交流功率给整流站的交流母线，经换流变压器送到整流器，把交流功率变换为直流功率，然后由直流输电线路将直流功率输送给逆变站内的逆变器，逆变器将直流功率变换为交流功率，再经换流变压器，把交流功率送入受端的交流电力系统II。在稳态工况下，高压直
5、流输电系统传输的有功功率存在以下关系：吃=兄+叱 (1)式中，吃为整流站输出的直流功率，且名=L，兄为逆变站输入的直流功率，且易=乞，蝎则是直流输电线路的功率损耗，叱=脚。由此可见，改变换流站极对地电压己0、【，。，即可改变直流电流L，并相应改变输送的功率。改变直流电流(或功率)可以通过调节整流器的触发延迟角口或逆变器的越前触发角口(熄弧角万)来实现，这也是直流输电系统的主要调节手段。整流侧常采用定电流的基本调节方式，将直流电流厶与电流给定值k进行比较，所得误差信号经PI调节后作用于移相控制电路来改变整流器的触发延迟角口，达到定电流调节作用。逆变器常用定熄弧角万和定电压的基本调节方式，定熄弧角
6、万万方数据机电研究及设计制造 机电技术2010年第5期调节是将测量所得熄弧角万与给定值疋，比较，其误差信号经放大后进行移相控制，从而改变逆变器的超前触发角。定电压调节方式与定电流调节方式相似，将电压测量值与给定值够M比较，所得误差信号经放大后进行移相控制，从而改变逆变器的超前触发角。此外，在基本调节方式下，常附加某些限制措施。整流侧采用定电流调节方式时，常附加最小触发角限制，使触发角不小于某一最小安全限值；逆变侧采用定电压调节方式时，常附加最小熄弧角限制。U积=4923kV。由于直流系统的线路电阻与平波电抗器电阻之和吃=45+2=65Q，故逆变站极对地直流电压为=一亿L=4793kV (3)为
7、简化仿真模型，逆变侧用电动势为4793kV的直流电源等效4】，为模拟逆变器起动时的暂态过程，此直流等效电源在00275 s时投入。整流侧交流母线上接一组交流滤波器，包括电容器组、11次、13次及高通滤波器，容量为600Mvar，并为整流器提供所需的无功功率。2 HVDc系统仿真模型的建立3 仿真结果与分析根据高压直流输电系统基本原理建立的MATLAB仿真模型如图2所示。整流器采用2个6脉冲桥串联而成的12脉冲桥结构，换流器间连接05 H的平波电抗器和长度为300 km的直流架空线路。整流侧交流源是短路容量为5000 MVA的500kV电力网络，频率为60Hz。已知整流器稳态方程【3】为厶，厅
8、气=竺【，RCOScZ一二心厶 (2)7“ 万式中，为整流站极对地直流电压，以=200kV，为换流变压器二次侧空载线电压有效值；X。=4f2，为换流变压器的等值电抗；a=2010，为整流器的触发延迟角；整流侧采用定电流调节方式，直流线路电流L=2kA，代入(2)式可得采用MATLAB中的simulink模块进行仿真，换流变压器采用三绕组变压器，容量为1200MVA，变比500200200 kV，整流侧绕组一个为星形接线，另一个为三角形接线，从而使两个6脉动换流器的交流侧得到相位相差300的换相电压。同步12脉冲发生器的同步频率为60 Hz，脉宽为10150。直流架空线路单位长度电阻为o015
9、Dkm，输电距离300 km。采用ode23tb算法求解，仿真时间为14 S。图3为HVDC的稳态响应及整流器交流侧发生A相接地故障时，整流器的触发延迟角口、直流线路电流L和直流线路对地电压波形。首先，系统进入稳态，之后对参考电流进行一系列动作，如表1所示，观察控制系统的动态响应特性。图2 12脉冲桥HVDC输电系统MATLAB仿真模型图8l万方数据机电技术2010年第5期 机电研究及设计制造表1系统控制参数的变化时间s 系统控制参数变化或动作0 参考电流值为lpU00275 投入逆变侧等效电动势0，04 参考电流值下降到08 pu06 参考电流值恢复到lpU08 整流器交流侧发生A相接地故障
10、O8l 整流器交流侧A相接地故障被切除羁E三三量i卜卜一图3 HVDC稳态响应及整流器交流侧单相接地故障时仿真波形由图3可知，002 s为系统启动过程，02s后系统进入稳态，经调节器的调节，直流电流，d跟随参考值的变化而变化，触发延迟角口在50350间变化。08 s整流器交流侧发生A相接地故障发生后，直流电流，。增加到28pU，09s左右系统进入稳定运行状态。图4、图5、图6分别是HVDC整流器交流侧发生三相短路故障、两相接地故障以及直流线路发生接地故障时的仿真波形。整流器交流侧三羁匡三三E量；E二二了二j量童E二二=壁一O O2 04 06 08 1 12 14图4 I-VDC整流器交流侧三
11、相短路故障时仿真波形相短路故障和两相接地故障均在O8s时发生，081 s时刻被切除。直流线路接地故障在08 s时发生，虽然定电流调节器可以将直流电流L调节到给定值，但由于故障电流没有过零点，因此故障电弧不会自动熄灭，此时需要将整流器封锁DJ。仿真在ls时，阻断了脉冲发生器，整流器退出运行状态，故障电流被熄灭，输出直流电压降为零。耋鼍E三覃罩84号200 02 04 06 08 1 12 14tsO o2 0,4 06 08 1 2 1-t图5 HVDC整流器交流侧两相接地故障时仿真波形妊00 0 02 O4 06 08 1 12 14柏O o2 o4 06 o8 1 12 14讹0 02 o4
12、 06 o8 1 12 14讹图6 HvDC直流线路接地故障时仿真波形4结语由仿真结果可知，利用MATLAB对高压直流输电系统进行仿真，能方便准确地反应HVDC系统的稳态特性和暂态过程的动态特性并可实时显示系统各参数的变化，且仿真时间短，仿真效果也比较理想，与采用求解微分方程与偏微分方程的方法对HVDC系统的暂态过程进行计算与分析相比，利用MATLAB进行仿真分析，计算和分析更加简单和省时。(下转第89页)321O21O，nd莹nd，pfl万方数据机电研究及设计制造 机电技术2010年第5期电容”。Cl则接在交流电源进线端，专门滤除电网线之间的差模干扰，被称作“X电容”。24高频变压器的设计高
13、频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其他技术指标和电磁兼容性(EMC)。为此，一个高效率的高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。由于该电源的输出功率较大，因此高频变压器的漏感应尽量小，由于工作频率为132 kHz，根据单片开关电源的变压器设计原则，这里选用磁芯材料为MXO一2000铁氧体，型号为ETD49磁芯。高频变压器的设计由于要考虑大量的相互关联的变量，因此计算较为复杂。由于设计的微波电源输出电压较高，因此不能使用美国功率公司为TOP Swi
14、tch开关电源的高频变压器设计制作的一套excel表格，而需要按照传统的单端反激式变压器的计算公式进行设计。3结论由于TOP249Y芯片内部集成有PWM控制器、功率开关MOSFET以及多种保护电路，所以采用该芯片设计出的微波电源具有成本低、外围电路简单、体积小、效率及可靠性高等特点，因此在微波技术方面有广阔的应用前景。本设计的开关电源体积小、电路简单、使用元器件数量少、保护功能完善、输出的纹波电压小、可靠性高、稳定性好，成本低，输出功率大。参考文献：【l】王凤岩，许俊峰，许建平开关电源控制方法综述J机车电传动，2006(1)：610【2】沙占友单片开关电源最新应用技术M】北京：机械工业出版社，
15、20033Abraham IPressman(美)开关电源设计【M】王志强译北京：电子工业出版社，20054】资新运，赵锐，郑贵省，等车用微波电源的设计J】汽车电器，1999(1)：55585】李文一种新型5V大功率开关稳压电源J】微电子学，2003，33(1)：74-776IT栋，张文学反激型开关电源变压器储能输出率研究叨电子测量与仪器学报，2004(z2)：756761作者简介：林锋(1979一)，男，助理实验师， 研究方向：计算机技术及其应用。HooCKoo叼，。o叼CcoCoCooC叼oo。OC目，。o叼oCoCKKOCXKoC吣oCHooCxKoC叼：X(上接第82页)参考文献：【l
16、】夏道止电力系统分析(下册)【M】北京：水利电力出版社，1995【2】王晶，翁国庆，张有兵电力系统的MATLABsIMuLINK仿真与应用M】西安：西安电子科技大学出版社，2008【3】赵畹君高压直流输电工程技术【M】北京：中国电力出版社，2004【4】黄绍平，彭晓，浣喜明基于MATLAB的高压直流输电系统的建模与仿真J】高电压技术，2004，30(3)：5359【5】戴熙杰直流输电基础M】北京：水利电力出版社，1990作者简介：周晓华(1976年一)，男，讲师，硕士研究生，主要从事供配电技术、智能优化控制及应用等方面的教学和科研工作。万方数据高压直流输电系统的建模与仿真作者： 周晓华， 宋春
17、宁， 王保录， 宋云鹏作者单位： 周晓华(广西大学电气工程学院,广西,南宁530004;广西工学院电子信息与控制工程系,广西,柳州545006)， 宋春宁,王保录,宋云鹏(广西大学电气工程学院,广西,南宁530004)刊名： 机电技术英文刊名： MECHANICAL 翁国庆;张有兵 电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用 20083.赵畹君 高压直流输电工程技术 20044.黄绍平,彭晓,浣喜明 基于MATLAB的高压直流输电系统的建模与仿真期刊论文-高电压技术 2004(3)5.戴熙杰 直流输电基础 1990本文读者也读过(10条)1. 赵晓娜.方玉.李天明 基于Matlab/S
18、imulink的直流输电系统的建模与仿真期刊论文-四川电力技术2010,33(1)2. 黄绍平.彭晓.浣喜明 基于MATLAB的高压直流输电系统的建模与仿真期刊论文-高电压技术2004,30(3)3. 杜欣慧.宫改花.戴云航.廉巍巍.DU Xin-hui.GONG Gai-hua.DAI Yun-hang.LIAN Wei-wei 基于MATLAB/Simulink的高压直流输电系统的建模及仿真研究期刊论文-科技情报开发与经济2007,17(1)4. 刘波.丁明.吴红斌.LIU Bo.DING Ming.WU Hong-bin 轻型高压直流输电系统的MATLAB仿真期刊论文-合肥工业大学学报（
19、自然科学版）2005,28(6)5. 张碧华.周云海.熊炜.黄力.龚海华.王裕喜.Zhang Bihua.Zhou Yunhai.Xiong Wei.Huang Li.Gong Haihua.Wang Yuxi 高压直流输电建模研究期刊论文-三峡大学学报（自然科学版）2005,27(5)6. 杨周悦.顾继.YANG Zhou-yue.GU Ji 基于MATLAB/SIMUUNK的直流输电系统仿真模型期刊论文-上海电机学院学报2007,10(4)7. 赵中原.方志.邱毓昌.王建生.于永明 基于MATLAB/Simulink的高压直流输电系统仿真研究期刊论文-中国电力2002,35(6)8. 孔慧
20、超.都洪基 基于MATLAB的高压直流输电系统仿真研究会议论文-20049. 于飞.钟秋海.张望.刘喜梅.张家奇 基于MATLAB的超高压直流输电系统仿真研究期刊论文-继电器2004,32(13)10. 屈鹏 基于MATLAB的轻型高压直流输电系统仿真期刊论文-中国西部科技2009,8(22)引证文献(3条)1.阿米那古丽艾尼,阿力木江卡德尔,吐尔逊伊布拉音,伊力亚尔艾尔肯 高压直流输电逆变器交流侧故障分析与仿真期刊论文-佳木斯大学学报（自然科学版） 2014(06)2.谢海良,王爱花,赵君亮 风电场向孤岛输电的VSC-HVDC Light的建模与仿真期刊论文-河南科学 2014(11)3.赵越,周飞,宗波,许建中,赵成勇,袁艺嘉,郭裕群 环网型混合五端直流输电系统的建模与仿真期刊论文-智能电网 2015(01)引用本文格式：周晓华.宋春宁.王保录.宋云鹏 高压直流输电系统的建模与仿真期刊论文-机电技术 2010(5)
