基于Matlab-Simulink超高压直流输电数值模拟研究

焦建霖

摘要：随着经济社会发展和电力需求的增加，超高压直流输电在长距离和大容量传输中的优势日益凸显，高压直流输电在电力系统中的应用也越来越广泛。由于控制系统是整个直流输电系统的灵魂，直流输电的快速可控性是由控制系统实现的，因此本文对高压直流输电控制系统做7重点分析，基于Matlab/Simulink建立了超高压直流输电模型，结果显示，本文搭建的超高压直流输电模型的性能良好，能够安全可靠运行。

关键词：高压直流输电 稳态分析 控制策略

引言

随着直流输电的应用越来越广泛，对直流输电系统进行研究很有必要。其中，控制系统是整个直流输电系统的关键，它决定了直流输电系统是否可以安全可靠运行。我们都知道，HVDC系统具有快速调控潮流的优点。直流的频率为零，没有相角和功角，不存在稳定性问题因此高压直流输电在交流系统交流稳定性方面具有独特优势。值得一提的是高压直流输电的控制系统是整个直流输电系统的灵魂，是整个输电系统安全稳定运行，具有良好运行性能的关键。

本文基于Matlab/Simulink建立了超高压直流输电模型，由整流系统，逆变系统，交流滤波系统和控制系统组成，控制系统是整个模型的关键。整流侧采用恒流控制方式，逆变侧采用恒压控制方式，恒流控制方式和恒熄弧角控制方式的协调控制策略，且两侧都配备了低压限流控制方式。

1直流输电系统的基本控制原理及控制方式

通过调节输电线路两端换流器的触发角度，可以实现对直流输电系统精确快速的控制和调节。它不仅可以实现HVDC输电的各种输电方式，提高HVDC输电系统的运行性能，还可以改善两端交流系统的运行特性。因此，控制系统是整个直流输电系统的灵魂，保证了直流输电系统的安全和可靠运行。

1.1直流输电系统的控制原理

现通过一个单极联络线分析直流输电系统的控制原理来进行说明，其电压分布如图1所示：

显然，直流输电系统输送的功率为有功功率。由图1可知，只要Vdr大于Vdi，就能实现直流电流的流通。因此，可以通过调节直流电压的大小来调节传输功率的大小。需要指出的是，如果整流侧和逆变侧的直流电压极性不改变，即使Vdi大于Vdr，由于晶闸管的单相导电特性，也无法实现直流电流的倒转。因此，如果想要实现传输功率的倒转，必须通过控制换流器，使原来的整流器运行在逆变状态，原来的逆变器运行在整流状态。

1.2直流输电系统的控制方式

本文整流系统采用定电流控制的控制方式，逆变系统采用定电压控制，定电流控制和定熄弧角控制三者协调控制的控制策略。此外，整流系统和逆变系统的定电流控制都配备了低压限流特性（VDCOL）的控制方法，及其最小触发角控制。

定电流控制：定电流控制是系统中最基本的控制方式之一。定电流控制是指利用电流调节器或者说PI控制器，在电力线路中电流突然發生变化的情况下，短时间内使电流恢复到正常范围的参考值，保持直流输电稳定运行。它是将电流实际值与电流的参考值进行比较，以二者的差值作为一个闭环控制器的输入，来控制换流器的触发角使得两者的差值减小甚至消失，达到电流实际值稳定在电流参考值附近的目的。

定电压控制：定电压控制也是系统所有控制方法中最基本的控制方式之一。定电压控制和定电流控制的原理是相似的，唯一的区别在于定电流控制是保持电流值恒定而定电压控制是保持电压值恒定，从而使得交流侧的电压稳定。它是电压实际值与电压的设定值进行比较，以二者的差值作为一个PI控制器（闭环控制器）的输入，来控制换流器的滞后触发角α使得两者的差值减小甚至消失，达到电压实际值稳定在参考值附近的目的。

2基于Matlab-Simulink超高压直流输电控制系统研究

控制系统不仅能保证系统输送恒定功率，而且能提高直流输电系统的运行性能并保证系统设备的安全运行，是超高压直流输电系统的核心部分控制系统包括主控制系统整流控制系统和逆变控制系统，在此仅以主控系统为例进行介绍。

2.1超高压直流输电主控制系统

主控制系统提供仿真停止时间和参考电流。仿真停止时间Stop_R和Stop_l皆设置为1.6秒。整流侧参考电流Id_re_fR和逆变侧参考电流Id_ref_l相等，稳态运行时设置为lpu（基准值为2000A），参考电流由两部分相加得到。

当系统稳态运行时，将开关拨到下边，即常数O的位置;若系统进行阶跃仿真时，将开关拨到上边，即Id_ref Step的位置，它可以实现在0.7s至0.8秒参考电流减小0.2pu的功能。最小稳态参考电流设置为O.lpu。在0.02s时换流器导通，随后参考电流增长至最小参考电流O.lpu。0.4s时电流以5pu/s的速率增长，最终达到lpu。在1.4s时使电流以5pu/s的速率减小至最小参考电流0. lpu，1.6s时关断换流器，仿真时间设置为2s。

2.2超高压直流输电系统的阶跃仿真

进行超高压直流输电系统的阶跃仿真时，需要时参考电流出现一个上升或者下降的台阶，这可以在主控制中设置。在MasterControl中，将开关拨到Id_ref Step，Id_ref Step设置为在0.7s至0.8s期间输出为0.2pu，其余时间为零，这样可使参考电流在0.7s时减小0.2pu，在0.8s恢复正常。其它设置保持不变。图2依次为逆变器侧的直流电压、直流电流测量值与参考值、滞后触发角α、逆变器控制模式、熄弧角v的测量值与参考值的波形：

由上面的仿真图可以看到，参考电流在0.7s至0.8s之间减小0. 2pu。由于控制系统反应灵敏，迅速动作，自动的调整触发角α，从波形图中可以看到，整流器的触发角向上抬升了一个台阶，接着整流器侧和逆变器侧的直流电流下凹了一个台阶，即直流电流能够跟踪电流参考值的变化并使之在新的运行点稳定运行控制系统的动作迅速，整个超高压直流输电系统的性能良好，可以安全可靠运行。

参考文献

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