基于MATLAB的HVDC仿真

一、 引言

高压直流输电（HVDC）近年来在世界各地迅速发展，在我国也因“西电东送、南北互供、全国联网”而成为电力建设的热点。目前除葛上、天广两个500 kV 直流工程已投运外，还有三峡—广东、贵州—广东、三峡—常州等多个直流工程已开工。作为电力系统研究、规划、设计和运行分析的重要手段，本文利用MATLAB PSB（以Simuiink 为运行环境）对HVDC 系统的暂态过程进行建模和仿真。PSB 涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，它由以下6 个子模块库组成：①电源模块库：包括交、直流电压源，交流电流源，可控电压、电流源等。②基本元件模块库：包括串（并）联RLC 负载/ 支路、线性变压器、饱和变压器/ 互感器、断路器、N 相分布参数线路、单相π形集中参数传输线路和浪涌放电器等。③电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO、MOSFET 和理想开关等。④电机模块库：包括励磁装置、水轮发电机及其调节器、异、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。⑤连接模块库：包括地、中性点和母线（公共点）。⑥测量模块库：包括电流与电压测量。在6 个子库的基础上，可根据需要组合封装出更为复杂的常用模块比如附加模块库（Poweriib EXtras）中的三相电气系统。附加库中还包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅里叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。

二、 HVDC模型介绍

（一）HVDC系统的基本结构与工作原理

HVDC 系统由换流站（ 亦可用作整流站、逆变站）和HVDC 线路组成，它有多种接线方式。单极（双桥）大地回流换流站（见图1）的主要设备有：

图 1单级（双桥）大地回流换流站

（1）换流变压器，变交流电压为桥阀所需电压。

（2）换流器，由晶闸管组成，用作整流和逆变。换流器一般采用三相桥式（ 有单、双桥两类）线路，每桥有6 个桥臂（即6 脉冲换流器），如天生桥—广州1 500 kV HVDC 系统晶闸管块的额定电压为8kV，用78 个块串联组成阀体。

（3）滤波器，交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。对单桥用单调谐滤波器吸收5、7、11 次（6\次）谐波，用高通滤波器吸收高次谐波；对双桥用11、13 次（12n±1 次）谐波滤波器及高通滤波器。直流侧滤波器一般装在直流线路两端，用有源滤波器广频谱消除谐波，单桥时吸收6n次谐波，双桥时吸收12n 次谐波。

（4）无功补偿，通常由静电电容器（包括滤波器电容器）、静止无功补偿器供给。

（5）直流平波电抗器，减小直流电压、电流的波动，受扰时抑制直流电流的上升速度。

HVDC 系统中可通过控制整流器的触发延迟角α和逆变器的逆变角β 来控制电压、电流和输送功率。整流侧常用定电流Ids控制（Ids为其给定值），其约束方程为直流电流Id = Ids，通过比较Id和Ids的偏差来调节α，使二者偏差趋于零，达到控制目的。

（二）HVDC系统的仿真模型

本文用MATLAB PSB对一典型12脉冲HVDC系统（见图2）进行建模和

图 2 12脉冲HVDC系统

仿真。1000兆瓦（500千伏，2千安）直流互联用于将电力从500千伏，5000

兆赫，60赫兹系统传输到345千伏，10000兆赫，50赫兹系统。交流系统由在基频（60 Hz或50 Hz）和三次谐波下具有80度角的阻尼L-R等效物表示。

整流器和逆变器是使用两个串联的通用桥接模块的12脉冲转换器。这些转换器通过300公里线路和0.5 H平滑电抗器相互连接。转换器变压器（星形接地/星形/三角形）采用三相变压器（三绕组）模块。变压器分接头不是模拟的。分接位置处于固定的位置，该位置由应用于转换器变压器的主要额定电压的倍增因子（整流器侧为0.90;逆变器侧为0.96）确定。

从AC角度来看，HVDC转换器可以充当谐波电流的来源。从直流电的角度来看，它是谐波电压的来源。这些特征谐波的阶数n与转换器配置的脉冲数p相关：对于交流电流，n = kp±1，对于直流电压，n = kp，k可以是任何整数。在这个例子中，p = 12，因此交流侧的注入谐波为11,13,23,25，直流侧的注入谐波为12,24。

交流滤波器用于防止奇数谐波电流在交流系统上扩散。过滤器分为两个子系统。这些滤波器在基频处也表现为大电容，因此由于触发角度α，为整流器消耗提供无功功率补偿。对于α= 30度，转换器无功功率需求大约是满载时传输功率的60％。交流滤波器子系统包含11和13次谐波的高Q（100）调谐滤波器和低Q（3）滤波器，用于消除高次谐波，例如24次及以上。电容器组也提供额外的无功功率。两个断路器模块在整流器直流侧和逆变器交流侧应用故障来检查系统性能。电源系统和控制和保护系统都采用相同的采样时间Ts = 50μs进行离散化处理。一些保护系统的采样时间为1或2 ms。

三、 控制系统分析

整流器磁极控制（电流）和逆变器磁极控制（电流/电压/伽马）子系统为两个转换器产生参考电流，并启动直流输电的启动和停止。在逆变器中，伽马测量子系统测量6脉冲晶闸管转换器的消光角度Gamma。

保护系统可以打开和关闭。在整流器处，直流故障保护检测到线路故障并采取必要的措施清除故障。整流器和逆变器的低交流电压检测子系统用于区分交流故障和直流故障。在逆变器中，换相失败预防控制子系统[2]减轻了交流电压骤降导致的换相失败。

（一）同步和射击系统

12脉冲发射控制系统执行12个发射脉冲的同步和产生。该系统使用一次电压来根据由转换器控制器计算的α触发角度来同步并生成脉冲。因为波形失真较小，所以在变流器变压器的一次侧测量同步电压。锁相环（PLL）用于产生三个同步于正序电压基波分量的电压。触发脉冲发生器与PLL产生的三个电