輕型直流輸電系統的仿真研究

軒明利　范永奎　孔競

摘 要：直流輸電技術優勢非常明顯，涉及技術多且含量高，其次綜合性較強。直流輸電技術的它應用快速推動了電力電子行業的進步。在當下計算機技術快速發展背景下，新材料、新能源、可再生能源的開發與利用都需要借助電力工業技術。為了進一步提高性能，減少設備、換流站以及占地、減少工程預算與造價成本，推動輕型直流輸電系統的研究。

關鍵詞：輕型直流輸電;MATLAB/SIMULINK;PWM控制;VSC-HVDC系統

隨著科學技術的發展，到目前為止，電力傳輸經歷了三個階段：直流、交流和交直流混合輸電。從高壓直流輸電系統的早期輸電工程開始，但由于沒有采用直流升壓的傳輸方式，傳輸距離是有限的，不能滿足增長和增加傳輸容量的傳輸距離的要求。

通過多年理論豐富與實驗研究，直流輸電技術愈來愈完善，特別是其降損、控制與保護方面進步明顯。但是直流輸電目前還存在下列一些問題：第一受端網絡要求不能為一個無源系統，電力系統短路時容量不足換相無法進行;換流器自身為一個諧波源，需要配置專門的過濾裝置，提高設備投資和成本方面是比較高的;同時，在操作過程中更多的吸收無功功率。雖然傳統的高壓直流輸電技術不斷完善，但是到目前位置還沒有真正解決傳統直流輸電系統的缺陷。

1 輕型直流輸電的控制與數學模型

以往的直流輸電技術的優勢在于它可以進行多種快速調整，借助轉換器實現相位控制。不僅要提高直流輸電系統本身的各種規定的工作特性，而且可以擴展到通信系統作為調整對象，它充分利用了直流輸電系統的快速調整，提高空調系統的運行特性。所以輕型直流輸電以它壓倒性的優勢出現在了世人面前。

可以認為直流輸電系統的調節模式決定了其運行特點。對于HVDC輕型與有源網絡連接來講，VSC為一二輸入（相位調制與PWM（二），產生VSC無功功率與直流電流或電壓，非非線性，非解耦控制對象。兩個控制變量與控制量之間的匹配與控制器的構建需要構建數學模式，輕型直流輸電系統應用PWM技術可以確保有功功率與無功功率單獨控制。輕型直流輸電可借助控制PWM調制度m以及功率角來確保輕型直流輸電的有功功率與無功功率控制。本章構建的輕型直流輸電系統的數學模式，按照HVDC輕型VSC兩個控制變量與控制量之間的確定來有效設計與構建HVDC輕型系統的PID控制器。

如果有源網絡相連接，則采取定直流電流/電壓控制模式，也就是確定直流線路一端的電壓以及另外一端直流線路的電流。一個輕型直流輸電系統，務必有直流端電壓控制，另一端的恒定直流電流與交流電壓控制的選擇主要由系統為主動或被動網絡通信。其次，如果連接有源網絡，VSC輸出的基波電壓頻率需要與電網電壓頻率相同，如果連接無源網絡，VSC輸出基波電壓頻率與負載有關。

2 輕型直流輸電系統仿真分析

2.1 仿真工具MATLAB

MATLAB為本文仿真所使用的工具，MATLAB可視化性能良好，于1982年的數學作品推出。在應用過程中其計算效率、圖形功能、編程效率、擴充能力、實用性等均非常突出。它結合了數值分析，矩陣操作，信號處理和圖形顯示。它具有強大的擴展功能，為各個領域的應用提供了依據。隨著不同行業專家與學者對MATLAM的開發與使用，MATLAM工具箱的研制使其在工程計算軟件自動化控制以及仿真應用越來越頻繁。

MATLAB中包含Simulink，主要是模塊化的相關仿真，包括多個庫，以及各種工具箱。Simulink可以進行線性、非線性、連續和離散系統、電力系統、通信系統等等系統的仿真研究。它不要求類似的M函數文件，寫一個復雜的程序，但只能根據相應的規則，可以連接相應的模塊，簡單直觀，不像代碼，它看起來眼花繚亂，可讀性差。Simulink允許用戶從復雜的編程中解放出來，也不需要了解編程邏輯，甚至不需要考慮結構算法太多，可以讓用戶更加重視系統的功能，省時省力，應用非常方便。

2.2 VSC-HVDC系統仿真

在Simulink環境下借助Matlab軟件進行仿真，模式相關數據如下：交流系統參數為230kV，2000MVA，50Hz;整流器逆變器全部都使用IGBT的三電平NPC電壓源換流器，電壓源換流器參數為200MVA，+/-100kVDC;調制方式是正弦脈寬調制SPWM，載波頻率是基波頻率的27倍，1350Hz;直流線路長75km。

2.3 VSC-HVDC系統的仿真結果分析

（1）所使用的換流器雙閉環解耦控制方法不僅結構簡單而且具有非常優異的性能，通過控制內回路的指令電流，有功功率和無功功率的解耦控制是可以實現的，和VSC-HVDC系統的控制可以實現非常方便。

（2）構建的控制器模型分別實現了VSC-HVDC系統的不同控制模式，并且最終的仿真結果也說明了，這種控制方法適用于多個不同的VSC-HVDC系統，并且控制系統的穩定性與時效性加強，并且系統振動小，屬于瞬態性。

（3）仿真證實了VSC-HVDV系統以往高壓直流輸電的優勢，像有功率與無功功率可以單獨運行，并且可以保持交流母線電壓的穩定。

3 結論

本文首先論述了高壓直流輸電系統的研究背景以及國內外研究情況，對相關結構與因素進行了總結，通過對輕型直流輸電技術及其控制方式的研究，建立了系統相關模型。文章最后通過MATLAB/SIMULINK仿真軟件來模擬高壓直流輸電系統，并對仿真結果進行了分析。結果表明，本文所采用的模型與控制方式對于直流輸電效果良好，與傳統輸電方式相比具有明顯的優勢。

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