轻型直流输电系统的仿真研究

轩明利　范永奎　孔竞

摘 要：直流输电技术优势非常明显，涉及技术多且含量高，其次综合性较强。直流输电技术的它应用快速推动了电力电子行业的进步。在当下计算机技术快速发展背景下，新材料、新能源、可再生能源的开发与利用都需要借助电力工业技术。为了进一步提高性能，减少设备、换流站以及占地、减少工程预算与造价成本，推动轻型直流输电系统的研究。

关键词：轻型直流输电;MATLAB/SIMULINK;PWM控制;VSC-HVDC系统

随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了三个阶段：直流、交流和交直流混合输电。从高压直流输电系统的早期输电工程开始，但由于没有采用直流升压的传输方式，传输距离是有限的，不能满足增长和增加传输容量的传输距离的要求。

通过多年理论丰富与实验研究，直流输电技术愈来愈完善，特别是其降损、控制与保护方面进步明显。但是直流输电目前还存在下列一些问题：第一受端网络要求不能为一个无源系统，电力系统短路时容量不足换相无法进行;换流器自身为一个谐波源，需要配置专门的过滤装置，提高设备投资和成本方面是比较高的;同时，在操作过程中更多的吸收无功功率。虽然传统的高压直流输电技术不断完善，但是到目前位置还没有真正解决传统直流输电系统的缺陷。

1 轻型直流输电的控制与数学模型

以往的直流输电技术的优势在于它可以进行多种快速调整，借助转换器实现相位控制。不仅要提高直流输电系统本身的各种规定的工作特性，而且可以扩展到通信系统作为调整对象，它充分利用了直流输电系统的快速调整，提高空调系统的运行特性。所以轻型直流输电以它压倒性的优势出现在了世人面前。

可以认为直流输电系统的调节模式决定了其运行特点。对于HVDC轻型与有源网络连接来讲，VSC为一二输入（相位调制与PWM（二），产生VSC无功功率与直流电流或电压，非非线性，非解耦控制对象。两个控制变量与控制量之间的匹配与控制器的构建需要构建数学模式，轻型直流输电系统应用PWM技术可以确保有功功率与无功功率单独控制。轻型直流输电可借助控制PWM调制度m以及功率角来确保轻型直流输电的有功功率与无功功率控制。本章构建的轻型直流输电系统的数学模式，按照HVDC轻型VSC两个控制变量与控制量之间的确定来有效设计与构建HVDC轻型系统的PID控制器。

如果有源网络相连接，则采取定直流电流/电压控制模式，也就是确定直流线路一端的电压以及另外一端直流线路的电流。一个轻型直流输电系统，务必有直流端电压控制，另一端的恒定直流电流与交流电压控制的选择主要由系统为主动或被动网络通信。其次，如果连接有源网络，VSC输出的基波电压频率需要与电网电压频率相同，如果连接无源网络，VSC输出基波电压频率与负载有关。

2 轻型直流输电系统仿真分析

2.1 仿真工具MATLAB

MATLAB为本文仿真所使用的工具，MATLAB可视化性能良好，于1982年的数学作品推出。在应用过程中其计算效率、图形功能、编程效率、扩充能力、实用性等均非常突出。它结合了数值分析，矩阵操作，信号处理和图形显示。它具有强大的扩展功能，为各个领域的应用提供了依据。随着不同行业专家与学者对MATLAM的开发与使用，MATLAM工具箱的研制使其在工程计算软件自动化控制以及仿真应用越来越频繁。

MATLAB中包含Simulink，主要是模块化的相关仿真，包括多个库，以及各种工具箱。Simulink可以进行线性、非线性、连续和离散系统、电力系统、通信系统等等系统的仿真研究。它不要求类似的M函数文件，写一个复杂的程序，但只能根据相应的规则，可以连接相应的模块，简单直观，不像代码，它看起来眼花缭乱，可读性差。Simulink允许用戶从复杂的编程中解放出来，也不需要了解编程逻辑，甚至不需要考虑结构算法太多，可以让用户更加重视系统的功能，省时省力，应用非常方便。

2.2 VSC-HVDC系统仿真

在Simulink环境下借助Matlab软件进行仿真，模式相关数据如下：交流系统参数为230kV，2000MVA，50Hz;整流器逆变器全部都使用IGBT的三电平NPC电压源换流器，电压源换流器参数为200MVA，+/-100kVDC;调制方式是正弦脉宽调制SPWM，载波频率是基波频率的27倍，1350Hz;直流线路长75km。

2.3 VSC-HVDC系统的仿真结果分析

（1）所使用的换流器双闭环解耦控制方法不仅结构简单而且具有非常优异的性能，通过控制内回路的指令电流，有功功率和无功功率的解耦控制是可以实现的，和VSC-HVDC系统的控制可以实现非常方便。

（2）构建的控制器模型分别实现了VSC-HVDC系统的不同控制模式，并且最终的仿真结果也说明了，这种控制方法适用于多个不同的VSC-HVDC系统，并且控制系统的稳定性与时效性加强，并且系统振动小，属于瞬态性。

（3）仿真证实了VSC-HVDV系统以往高压直流输电的优势，像有功率与无功功率可以单独运行，并且可以保持交流母线电压的稳定。

3 结论

本文首先论述了高压直流输电系统的研究背景以及国内外研究情况，对相关结构与因素进行了总结，通过对轻型直流输电技术及其控制方式的研究，建立了系统相关模型。文章最后通过MATLAB/SIMULINK仿真软件来模拟高压直流输电系统，并对仿真结果进行了分析。结果表明，本文所采用的模型与控制方式对于直流输电效果良好，与传统输电方式相比具有明显的优势。

参考文献：

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