轻型高压直流输电系统的仿真与故障分析

张红涛，田媛，孙志勇

(华北水利水电大学电力学院，郑州市 450011)

0 引言

轻型高压直流输电 (high voltage direct current light，HVDC Light)技术是一种以电压源换流器(voltage sourced converters，VSC)为基础的高压直流输电技术，它的换流部分由绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar translator，IGBT)组成。电压源换流器采用脉宽调制控制技术，无需任何换相电压，可以向有源或者无源网络输电［1-3］。随着新能源和分布式发电的发展，特别是我国风力发电技术的发展，客观上需要将各种新能源发电通过一定的变换环节接入电网，HVDC Light无疑是一种合适的方式［4］。

我国对HVDC Light技术研究和工程应用起步比较晚，但是在大力发展可再生能源和节能减排的环境下，HVDC Light系统也具有广泛的应用前景［5］。本文在分析HVDC Light的基本原理和运行特性的基础上，采用常用的仿真软件MATLAB/SIMULINK对已有的HVDC Light模型进行仿真，同时设置多种故障类型，对系统的运行情况进行仿真以及结果分析。

1 HVDC Light系统的结构原理与模型搭建

1.1 结构原理

与传统直流输电技术不同的是，HVDC Light技术采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电压源型换流器，具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制(pulsewidth modulation，PWM)技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷送电的问题［6］。同时，这种HVDC Light系统由于采用 PWM，能够对换流站输出交流电压幅值和相角在一定范围内连续可调，而且这种调节能够迅速完成，从而也能对系统潮流方便进行调节［7］。HVDC Light系统中换流器采用电压源型，输出电压的控制方法不采用180°导通模式，而采用PWM调制方式，故HVDC Light是一种基于VSC和PWM的新型直流输电技术，也称 VSCHVDC［8-9］，同样称换流站为VSC换流站。其结构原理如图1所示。

图1 轻型直流输电的基本原理Fig.1 Basic principle of HVDC Light transmission

VSC换流站的工作原理为:VSC设有受端和送端2个换流站，分别进行整流和逆变操作，VSC的各桥臂由全控型半导体器件IGBT和一个反并联的续流二极管组成，直流侧并联电容器以保持一定的直流侧电压，VSC采用正弦脉宽(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)调制方式，通常有两电平结构和三电平结构［10］。

1.2 轻型直流输电仿真模型

图2为 HVDC Light的仿真模型。200 MVA、+/－100kV的强迫换流型VSC将2个交流系统相连，2个交流系统基本参数均为230 kV、2000 MVA、50 Hz，相角为80°，带有三次谐波。整流器和逆变器采用封闭IGBT/Diodes作为电子元件。整流器和逆变器通过2条75 km(2段的π型电路)的电缆和2个8 mH的平坡电抗器相连。正弦脉宽调制(SPWM)开关使用一个单相的27倍基波频率(1350 Hz)的三角载波。整流器交流侧的可编程电压源模块用来对电压跌落进行仿真。一个故障发生器用来在逆变器交流侧提供三相接地故障［11］。

2 系统正常运行时的仿真

为保证系统的正常运行，设置在时间为0.1 s时逆变器控制系统投入系统使用，而0.3 s时整流器控制系统投入使用。观察其电压、电流等的仿真结果，可得到部分仿真波形图如图3(a)、(b)所示。

由图3可知，系统经过大约1.3 s的时间进入稳定工作:三相电压Vabc基本稳定;三相电流Iabc在0.3 s整流器的控制系统以及逆变器控制系统均投入使用后逐渐增大，在1 s后稳定于1 pu;整流侧与逆变侧之间传输的有功功率Pmeas在开始仿真时几乎为0，之后也于0.3 s后逐渐增加，大约在1.2 s后稳定于1 pu，由于功率在传输中有消耗，很明显在逆变侧的有功功率略小于1 pu;对于无功功率Qmeas，在2个控制系统没有投入轻型直流输电系统中使用之前，系统消耗无功功率，当0.1 s时逆变侧投入使用后，逆变侧的无功功率接近为0，0.3 s后整流侧也投入使用，系统整体传输的无功功率均可视为0，当然系统中含有电抗器、电容器等，会消耗一部分的无功功率;Vdc为直流输电的电压值，可见其测量值在逆变与整流器控制器投入后也基本稳定于1 pu。

图2 HVDC Light仿真模型主拓扑Fig.2 Primary topology of HVDC Light simulation model

图3 系统正常运行时的部分仿真波形Fig.3 Part of simulation waveforms in normal operation

3 系统在不同情况下的仿真

3.1 功率和直流电压调节器的稳态阶跃响应

在HVDC Light系统中设置有多个阶跃信号，对其动作时间进行设置可控制参数的变化，除了0.1 s和0.3 s时分别对逆变器和整流器控制系统的投入进行控制外，对有功参考功率、无功参考功率以及直流参考电压的值也进行了改变，如表1所示。

表1 仿真系统稳态阶跃响应的控制Tab.1 Control of steady step response in simulation system

观察调节器的动态响应，仿真结果如图4(a)、(b)所示。

图4 稳态阶跃响应的部分仿真图Fig.4 Part of simulation diagrams for steady step response

从图4中可看出，有功、无功和直流电压参考值发生变化后，系统重新进入稳态需要0.3 s左右时间。有功功率和无功功率的控制从理论上讲是独立的，但是从波形分析可见，两者之间还是存在相互影响。

3.2 交流侧扰动

仿真中设置的交流侧扰动主要有2个，一个是在t=1.5 s时三相交流电源系统内的三相可编程电压源模块发生的电压暂降，设置电压降低0.1 pu，持续0.14 s之后恢复正常;第二个交流侧扰动设置为三相负载侧发生严重的三相短路接地，令三相短路接地故障在t=2.1 s时发生，持续0.12 s之后系统恢复正常运行。本节中交流侧扰动不考虑阶跃信号控制的投入，所得的是只考虑电压暂降及三相短路接地时的仿真波形。部分仿真结果如图5(a)、(b)所示。

图5 交流侧扰动时的部分仿真波形Fig.5 Part of simulation waveforms under AC-side disturbances

由图5可知，在时间t=1.5 s时，换流站l交流电压发生暂降后，整流侧有功和无功功率各自偏离当前扰动约0.1、0.2 pu，逆变侧有功和无功功率各自偏离当前扰动约0.1、0.03 pu，在小于0.3 s的恢复时间后再次达到稳态;在时间t=2.1 s时，在VSC2交流侧发生了严重的三相接地故障，直流功率的传输几乎为0，直流侧电容过充电使得直流电压增大到1.2 pu，经过有功功率控制环节的控制，直流电压被限制在可接受的范围内。此外，从图5中还可以清楚地看到无功功率发生了阻尼振动。

4 结论

本次建立的HVDC Light系统的仿真模型及其控制方法能较好地模拟HVDC Light系统在2个交流系统之间输电的情况，各控制环节的PI调节器及控制器灵活、简便、有效，能够很好地控制系统的潮流与稳定，满足各种控制方式的需要。仿真结果证明了HVDC Light系统的可行性和仿真模型的正确性，稳定、灵活、高效的特性使该技术能作为一种新型的输电方式应用于工程中。

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