基于MATLAB的高压直流系统直流线路故障仿真分析

中国海洋大学 刘 萌

1 引言

高压直流输电具有很多优点，首先可以应用在电能传输距离较远的地方，还能够对有功功率进行调节以适应负荷的需求，因此能够在世界各国地区迅速流行起来，在功率较高相距较远的领域以及海底下电缆输送电能等运用十分常见，其主要优点表现在以下几个方面[1]：

（1）由于直流线路上电压处处相等，所以电容在直流线路上可以忽略其作用，而对于交流相同时，由于电容的作用，线路上电压值变得不尽相同，所以在交流输电系统中需要装设的电抗器在直流系统中则不再需要，大大降低了成本。

（2）由于交流和直流输电的不同，它会因为工作机组之间的功角之间的不平衡问题而对同步机间的电抗值的大小有所影响，进而会对整个系统网络的正常运行有所影响，而直流输电没有上述功角两者之间存在的平衡问题，它可以在系统允许的范围内达到输电路线的物理极限，从而使系统的稳定性得到了较大程度的维持与保证。

（3）直流系统与交流系统可以进行互相联网，这样做对于当两者短路故障发生时，容量值大小不会受到影响，两者进行联网，也可以对故障发生时波及的范围有一定的缩小作用。如果当两个交流系统联网时，则情况截然相反，发生系统短路时的容量会迅速变大，且会对断路器的重新选择上造成一定的困难。由此可见，对于已经存在的巨大的交流网络而言，可以通过采用直流输电来进行互相联网，将巨大的系统分割成相对独立的小的系统，不但可以有效减少短路是系统的容量值，还可使得整个电力系统的运行稳定性得到了大幅度提升[2]。

（4）对于直流输电而言，能够对系统潮流进行有效而迅速的控制是它的另外一个优点，这能够帮助提高系统的稳定性能。由于变换电路是以开关元件为主要组成部分的，所以能够准确而且快速的对潮流进行调控，这样不仅有助于改善提高系统的稳定性，还能对负荷出现间歇变化或者可能出现故障情况下，而引起系统频率变化状况作出反应。

2 HVDC系统的基本结构和工作原理

HVDC系统的基本结构如图1所示，主要包括换流站、直流输电线路、电抗器、交流滤波器、变压器以及无功补偿装置等部分。

图1 HVDC系统的结构原理图

如图1所示，变压器起到了变换电能的作用，将交流侧电压变换为要求的电压值以供给换流站；换流站包括整流站和逆变站两部分；电抗器的作用包括连接相同两端和对高次谐波进行滤波两个方面；而滤波器主要是对交流侧的电压所包含的谐波分量具有过滤的功能；直流输电线则起到了输送系统变换电能的作用。

简单来说，HVDC系统的作用是将交流电经过整流站、直流线路、逆变站之后的得到了变换交流电联入交流系统。在图1中，设直流输电线路的等效电阻为R，则线路中流过的电流为[3]：

因此，两端换流站输出功率或者输入功率是相同的，即：

根据以上两式，直流输电线路传输的电流值和功率的大小是由两端的直流电压起决定性作用的，与两端交流系统的频率和电压相位等没有关系。而对于直流电压值大小的的控制，是通过对整流器触发延迟角 和逆变器逆变角 的控制来实现调控的，故不受交流系统电压幅值大小的影响。

3 HVDC系统的调节特性

HVDC系统的调节特性如图2所示。

图2 直流系统调节特性

图3 高压直流系统直流线路故障仿真波形图

整流部分包括定电流和定amin特性两部分，在图2中分别为BC段和AB段， 表示交流电压值减小或者发生故障情况时的定amin特性。逆变部分的调节特性主要包括三部分，分别为定电压de段、定电压fh段和VDCOL决定的ef段。两端换流站采用的的都是PI调节器进行控制，主要的作用是可以消除稳态误差。当系统处在正常工作的状态时，整流站根据PI调节器的电流给定值Id-ref来决定运行电流的大小，逆变站则同样根据PI调节器电压给定值Ud-ref来控制逆变站电压的恒定，即为图2中的e点。当系统中交流侧电压突然降低或出现故障情况时，整流端工作在触发角amin最小状态，而逆变端一侧控制线路的电流维持在Id-ref-Id，如上图中的g点。逆变一侧保持电流比整流侧电流值小一个电流裕度 ，这个裕度的作用是为避免两端电流的特性出现重叠情况而使得系统出现运行点不稳定的状况。由于该模型可以使得给定电流值Id-ref根据直流电压Ud大小的变化而变化，所以这个功能被称为VDCOL，其作用就是防止系统电压出现突降的情况而导致换相失败，并有助于系统在电压扰动情况后直流系统能快速恢复正常[4]。

4 HVDC系统直流线路故障仿真

根据图1高压直流输电系统的基本结构图以及运行原理，建立MATLAB仿真模型。仿真模型为通过容量为1000MW(500kV,2kA)的直流输电线路从一个500kV、5000MVA的交流系统1向两外一个345kV、10000MVA的交流系统2输送电能。整流环节中整流器是用两个通用桥模块串联而成的12脉冲变换器，变压器为三相三绕组变压器模块，逆变部分与整流部分的结构相似。滤波器部分主要包含无功补偿设备、高Q值的11次和13次单调谐波滤波器、低Q值的减幅高通滤波器等几部分。利用断路器来模拟系统直流线路一侧发生故障的情况，设定故障发生时间为t=0.7s，0.8s时恢复正常，得到的仿真结果波形如图3所示。

5 结果分析

当HVDC系统在t=0.7s发生故障情况时，直流侧电流突增到2.2pu，直流电压骤降为0，由于VDCOL子系统的调节作用，整流一侧的电流参考值下降到0.3pu，说明故障时仍然有电流通过。逆变侧直流电压突减，故障点直流电流呈现尖峰增长，参考电流减小到0，当t=0.8s时，系统恢复正常。这说明系统由于在PI调节器的作用下，不论对故障发生还是恢复稳定状态都能做出迅速响应，还能保证在电压突降时防止换相失败的发生。

[1]赵承勇.柔性直流输电技术建模和仿真技术[M].北京:中国电力出版,2014.

[2]曾南超.高压直流输电在我国电网发展中的作用[J].高电压技术,2004,30(11):11-12.

[3]韩民晓,文俊,徐永海.高压直流输电原理与运行[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4]于群,曹娜.MATALB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2014.