基于MATLAB的高壓直流系統直流線路故障仿真分析

中國海洋大學 劉 萌

1 引言

高壓直流輸電具有很多優點，首先可以應用在電能傳輸距離較遠的地方，還能夠對有功功率進行調節以適應負荷的需求，因此能夠在世界各國地區迅速流行起來，在功率較高相距較遠的領域以及海底下電纜輸送電能等運用十分常見，其主要優點表現在以下幾個方面[1]：

（1）由于直流線路上電壓處處相等，所以電容在直流線路上可以忽略其作用，而對于交流相同時，由于電容的作用，線路上電壓值變得不盡相同，所以在交流輸電系統中需要裝設的電抗器在直流系統中則不再需要，大大降低了成本。

（2）由于交流和直流輸電的不同，它會因為工作機組之間的功角之間的不平衡問題而對同步機間的電抗值的大小有所影響，進而會對整個系統網絡的正常運行有所影響，而直流輸電沒有上述功角兩者之間存在的平衡問題，它可以在系統允許的范圍內達到輸電路線的物理極限，從而使系統的穩定性得到了較大程度的維持與保證。

（3）直流系統與交流系統可以進行互相聯網，這樣做對于當兩者短路故障發生時，容量值大小不會受到影響，兩者進行聯網，也可以對故障發生時波及的范圍有一定的縮小作用。如果當兩個交流系統聯網時，則情況截然相反，發生系統短路時的容量會迅速變大，且會對斷路器的重新選擇上造成一定的困難。由此可見，對于已經存在的巨大的交流網絡而言，可以通過采用直流輸電來進行互相聯網，將巨大的系統分割成相對獨立的小的系統，不但可以有效減少短路是系統的容量值，還可使得整個電力系統的運行穩定性得到了大幅度提升[2]。

（4）對于直流輸電而言，能夠對系統潮流進行有效而迅速的控制是它的另外一個優點，這能夠幫助提高系統的穩定性能。由于變換電路是以開關元件為主要組成部分的，所以能夠準確而且快速的對潮流進行調控，這樣不僅有助于改善提高系統的穩定性，還能對負荷出現間歇變化或者可能出現故障情況下，而引起系統頻率變化狀況作出反應。

2 HVDC系統的基本結構和工作原理

HVDC系統的基本結構如圖1所示，主要包括換流站、直流輸電線路、電抗器、交流濾波器、變壓器以及無功補償裝置等部分。

圖1 HVDC系統的結構原理圖

如圖1所示，變壓器起到了變換電能的作用，將交流側電壓變換為要求的電壓值以供給換流站；換流站包括整流站和逆變站兩部分；電抗器的作用包括連接相同兩端和對高次諧波進行濾波兩個方面；而濾波器主要是對交流側的電壓所包含的諧波分量具有過濾的功能；直流輸電線則起到了輸送系統變換電能的作用。

簡單來說，HVDC系統的作用是將交流電經過整流站、直流線路、逆變站之后的得到了變換交流電聯入交流系統。在圖1中，設直流輸電線路的等效電阻為R，則線路中流過的電流為[3]：

因此，兩端換流站輸出功率或者輸入功率是相同的，即：

根據以上兩式，直流輸電線路傳輸的電流值和功率的大小是由兩端的直流電壓起決定性作用的，與兩端交流系統的頻率和電壓相位等沒有關系。而對于直流電壓值大小的的控制，是通過對整流器觸發延遲角 和逆變器逆變角 的控制來實現調控的，故不受交流系統電壓幅值大小的影響。

3 HVDC系統的調節特性

HVDC系統的調節特性如圖2所示。

圖2 直流系統調節特性

圖3 高壓直流系統直流線路故障仿真波形圖

整流部分包括定電流和定amin特性兩部分，在圖2中分別為BC段和AB段， 表示交流電壓值減小或者發生故障情況時的定amin特性。逆變部分的調節特性主要包括三部分，分別為定電壓de段、定電壓fh段和VDCOL決定的ef段。兩端換流站采用的的都是PI調節器進行控制，主要的作用是可以消除穩態誤差。當系統處在正常工作的狀態時，整流站根據PI調節器的電流給定值Id-ref來決定運行電流的大小，逆變站則同樣根據PI調節器電壓給定值Ud-ref來控制逆變站電壓的恒定，即為圖2中的e點。當系統中交流側電壓突然降低或出現故障情況時，整流端工作在觸發角amin最小狀態，而逆變端一側控制線路的電流維持在Id-ref-Id，如上圖中的g點。逆變一側保持電流比整流側電流值小一個電流裕度 ，這個裕度的作用是為避免兩端電流的特性出現重疊情況而使得系統出現運行點不穩定的狀況。由于該模型可以使得給定電流值Id-ref根據直流電壓Ud大小的變化而變化，所以這個功能被稱為VDCOL，其作用就是防止系統電壓出現突降的情況而導致換相失敗，并有助于系統在電壓擾動情況后直流系統能快速恢復正常[4]。

4 HVDC系統直流線路故障仿真

根據圖1高壓直流輸電系統的基本結構圖以及運行原理，建立MATLAB仿真模型。仿真模型為通過容量為1000MW(500kV,2kA)的直流輸電線路從一個500kV、5000MVA的交流系統1向兩外一個345kV、10000MVA的交流系統2輸送電能。整流環節中整流器是用兩個通用橋模塊串聯而成的12脈沖變換器，變壓器為三相三繞組變壓器模塊，逆變部分與整流部分的結構相似。濾波器部分主要包含無功補償設備、高Q值的11次和13次單調諧波濾波器、低Q值的減幅高通濾波器等幾部分。利用斷路器來模擬系統直流線路一側發生故障的情況，設定故障發生時間為t=0.7s，0.8s時恢復正常，得到的仿真結果波形如圖3所示。

5 結果分析

當HVDC系統在t=0.7s發生故障情況時，直流側電流突增到2.2pu，直流電壓驟降為0，由于VDCOL子系統的調節作用，整流一側的電流參考值下降到0.3pu，說明故障時仍然有電流通過。逆變側直流電壓突減，故障點直流電流呈現尖峰增長，參考電流減小到0，當t=0.8s時，系統恢復正常。這說明系統由于在PI調節器的作用下，不論對故障發生還是恢復穩定狀態都能做出迅速響應，還能保證在電壓突降時防止換相失敗的發生。

[1]趙承勇.柔性直流輸電技術建模和仿真技術[M].北京:中國電力出版,2014.

[2]曾南超.高壓直流輸電在我國電網發展中的作用[J].高電壓技術,2004,30(11):11-12.

[3]韓民曉,文俊,徐永海.高壓直流輸電原理與運行[M].北京:機械工業出版社,2010.

[4]于群,曹娜.MATALB/Simulink電力系統建模與仿真[M].北京:機械工業出版社,2014.