基于晶閘管的HVDC系統仿真研究

摘 要：高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）是一種應用于遠距離電力輸送的技術。其將交流電轉換為直流電，并利用高壓進行輸送，可以降低在交流輸電過程中產生的電阻、電感和電容等損耗，提高輸電效率和穩定性。隨著電力需求增長以及可再生能源的大規模開發利用，HVDC系統在電力行業中的應用越來越廣泛。本文對HVDC系統進行建模，利用仿真模擬HVDC系統在不同工況下的運行情況，評估其性能和穩定性，為系統改進和優化提供依據。

關鍵詞：建模；元件模型；晶閘管；仿真波形；交流輸電

中圖分類號：TM 723" " " 文獻標志碼：A

本文構建并模擬了高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）系統，以更直觀地理解在電力系統中HVDC系統的基本原理以及晶閘管等關鍵元件在其中的作用，利用MATLAB/Simulink等仿真工具對電力系統進行建模和仿真。仿真步驟包括選擇合適的元件、搭建復雜的電力系統模型、設置仿真參數以及分析仿真結果等。

本文對電氣系統工程相關問題的解決方案進行比較，并根據問題的特征和復雜程度，綜合考慮問題本質、研究目標、資源條件和技術水平等因素，制定合理的試驗方案。本文研究HVDC系統的性能和特性，運用專業知識對電氣系統工程的設計方案進行優化，并評價了電氣系統工程相關復雜問題的解決方案對社會、健康以及安全等方面的影響，為電力系統的優化和升級提供了有價值的建議。

1 設計要求

本文利用MATLAB/Simulink平臺構建基于晶閘管的HVDC系統仿真模型并完成試驗仿真。分析系統穩態特性，對穩態和直流線路故障進行建模并分別進行試驗仿真，得到相應的仿真波形，驗證模型的準確性。在系統中有2個斷路器模塊，一個模擬整流器在直流側發生的故障情況，另一個專門模擬逆變器在交流側可能遇到的故障情況。HVDC系統的核心部件包括換流器、整流器和逆變器，它們之間的協調配合與精確控制為電能的高效、可靠及遠距離傳輸提供了支持。系統的控制量以觸發角來表征，在實際操作中，無論是調控電壓、電流還是其他物理量，最終都需要利用點火脈沖來完成控制過程。HVDC系統的特性關系到整流器和逆變器的控制方式。因此，換流器是整個HVDC系統中最重要的部分。

2 設計方案

本文使用十二脈沖晶閘管變換器構建一個HVDC系統的模型，該模型包括換流站、連接兩站的直流輸電線路以及兩端的交流電力系統。具體來說，換流站一具有整流功能，將來自交流系統一的三相交流電力轉換為直流電力，再將 這股直流電力通過輸電線路輸入換流站二。換流站二具有逆變功能，將接收的直流電力再次轉換為三相交流電力。一個站完成“交流轉直流”，另一個站完成“直流轉交流”。根據該模型，完成直流輸電穩態響應特性分析、直流側線路故障分析或交流側線路故障分析。具體分析內容如下。

2.1 直流輸電穩態響應特性

分析穩態系統中直流側線路電壓、直流側線路電流和整流器的觸發延遲角的仿真波形。當系統出現0.05 s直流側接地短路的情況時，根據仿真波形分析以下內容：整流器直流側線路電壓、直流側線路電流、第一個觸發延遲角和整流器控制狀態；逆變器直流側線路電壓、直流側線路電流、第一個觸發延遲角、逆變器控制狀態和故障處的短路電流；以及逆變器交流側三相電壓和電流。經過分析，當發生故障時，以上參數和狀態均發生變化，符合理論研究結果。

2.2 直流輸電工作原理

直流輸電是利用整流器將發電廠的交流電轉換為直流電輸送至受電端交流電網，再利用逆變器將直流電轉換成交流電輸送至受電端交流電網的輸電形式。與交流輸電相比，高壓直流輸電的經濟效益較高。在功率相同的情況下，直流輸電線路所用的線材僅為交流輸電的1/2～2/3。在輸電線路導線截面、電流密度和電力傳輸電功率相同的條件下，如果不考慮趨膚效應，直流輸電采用的兩線制輸電線與絕緣材料的使用量可以節省約1/3。即使考慮趨膚效應以及其他損耗因素，輸送同樣功率的交流電所需的導線截面積也是直流輸電所需導線截面積的1.33倍或更多，因此直流輸電在使用材料方面的經濟效益更高。

直流輸電系統由換流站（整流站和逆變站）、交流側直流線路、直流側的電力濾波器、直流電抗器、無功補償裝置、換流變壓器以及保護控制裝置等組成。換流站是整個系統的核心，完成交流和直流之間的變換。

在直流輸電系統中，換流器通常由6個或12個換流閥組成，分別形成六脈動換流器或十二脈動換流器。20世紀中期，直流輸電工程使用汞弧閥作為換流器件；20世紀70年代，晶閘管換流閥逐漸取代了汞弧閥，成為主流選擇；目前，新型半導體器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）得到廣泛應用[1]。

在電力系統中，換流變壓器的作用是使交流側與直流側電壓匹配以及進行電氣隔離，并且具有限制短路電流的功能。其閥側繞組承受的電壓是直流電壓與交流電壓的疊加，在兩側繞組中會存在多種諧波電流。由于工作環境特殊，與普通電力變壓器相比，換流變壓器在設計理念、制造工藝以及后續運行維護方面都具有明顯的差異性[2]。

平波電抗器與直流濾波器協同工作，共同完成直流側的濾波任務。此外，它們還發揮了多重保護作用：阻止線路的陡峭波形侵入換流站，預防直流電流突然中斷，以及降低逆變器在換相過程中發生失敗的概率。

2.2.1 基于模塊化思想的雙端LCC-HVDC系統改進小信號模型

在第2.2.1節中，本文根據模塊化理念對雙端LCC-HVDC系統進行劃分，將其拆解為“發送-傳輸-接收”3個核心子系統。發送端與接收端子系統進一步細分為交流系統、控制系統、鎖相環以及換流器這4個子模塊。針對每個子系統（或子模塊），分別構建其小信號模型，并仔細推導接口矩陣，將這3個子系統緊密地聯結為一個整體，構建一個更精細的雙端LCC-HVDC系統改進小信號模型。該模型充分考慮了換相過程、控制鏈路的時間延遲以及鎖相環輸出相位的波動。

本文以發送端交流系統為例進行具體說明。用“r”作為后綴來標記所有與發送端系統有統計學意義的變量。Usr和Isr分別代表交流電源電壓及其電流，而Lsr和Rsr則分別代表交流電源線路的等值電感與電阻。Rr1至Rr3、Lr1至Lr2以及Cr1至Cr4分別為交流濾波器的電阻、電感以及電容。upccr和icr分別為交流母線的電壓與電流。當構建模型時，交流濾波器等主要電路參數與CIGRE高壓直流標準模型應保持一致。當選擇狀態變量時，重點考慮交流濾波器電感電流的dq軸分量、電容電壓的dq軸分量以及交流母線與交流電源電流和電壓的dq軸分量。

2.2.2 LCC-HVDC系統小信號交互穩定性分析

第2.2.2節分析了整流側定電流控制器的比例增益kpr和控制鏈路延時Td對LCC-HVDC系統（即晶閘管換流器高壓直流輸電系統）送電端與受電端小信號交互穩定性的影響。分析其他可能影響系統諧振穩定性的因素的過程遵循類似的邏輯和步驟，具體分析步驟如下。

第一步，計算系統矩陣A的特征值，如公式（1）所示。

λ=σ±jω " " " " （1）

式中：λ為矩陣特征值；σ為特征方程根的實數部分；ω為特征方程根的虛數部分。

第二步，計算解阻尼比ξ和振蕩頻率f，如公式（2）、公式（3）所示。

（2）

（3）

第三步，為了評估每個狀態變量在特定振蕩模式中的影響程度，本文計算了參與因子這一量化指標。該指標是結合系統左、右特征向量的相關元素來確定的，特別是針對第k個狀態變量與第i個模態的關系。

本文分析了LCC-HVDC系統，通過固定其他參數，僅調整定電流控制比例增益kpr的方法，研究小信號模型的穩定性。綜合分析特征值和參與因子，得到當 kpr 變化時系統穩定性分析結果，如圖1所示。由圖1（a）中的根軌跡可知，當kpr增至2.38時，系統的特征根取值會移動至復平面的右半部分，說明系統穩定性喪失。圖1（b）、圖1（c）分別描繪了系統的阻尼比分布和模態振蕩頻率。當系統處于臨界穩定狀態時，主導模態的振蕩頻率為70.3 Hz，如果考慮三相系統的特性，則對應頻率為120.3 Hz，頻率偏移50 Hz 。由圖1（d）可知在主導模態下各狀態變量的參與因子分布，得到kpr=2.38。當系統臨界穩定時，影響振蕩主導模態的狀態變量為Δucr3d、Δisrd、Δisrq、Δucd、Δidcr，說明該振蕩主導模態會受到交流側與直流側狀態變量的共同影響，對該模態的影響最顯著，該模態與實際直流電流有統計學意義，各狀態變量能夠影響系統穩定性[3]。

當kpr達到2.38并且系統處于臨界穩定狀態時，說明交流側和直流側的狀態變量都影響主導模態的振蕩。有一個與直流電流有統計學意義的狀態變量對主導模態的影響十分明顯。因此，為了保證系統穩定運行，須謹慎設置定直流電流控制器的參數，特別是須在其穩定運行范圍進行精細調整，防止系統發生振蕩。

2.2.3 LCC-HVDC直流短路電流的計算方法

直流系統等效電路如圖2所示。

當穩態時整流側和逆變側直流電壓都不為0，并且為額定值，可以忽略直流線路對地等效電容上流過的電流。直流電流的穩態計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Id為穩態直流電流；Udor為整流側等效電壓；α為脈沖觸發角；Udoi為逆變側等效電壓；γ為換相重疊角；Rcr為整流側等效換相電阻，Rcr=（3/π）ωLcr；RL為直流輸電線路等效電阻；Rci為逆變側等效換相電阻，Rci=（3/π）ωLci。

當逆變側發生故障導致換相失敗時，由于Udi迅速降至0，線路等效電容電壓不能突變并向逆變側電路進行放電，因此此時不能忽略流等效電容的電流，如公式（5）所示。

idr+idc=idi " " （5）

由公式（5）可知，受端交流側發生短路故障后，逆變側直流短路電流idi是由整流側短路電流idr和等效電容的放電電流idc2個部分構成的，因此需要分別計算這2個部分的近似解析式[4]。

3 仿真模型

高壓直流傳輸系統主要包括換流站、輸電線路和終端設備等組成部分。其中，換流站起到了關鍵作用，其完成了交流電至直流電的轉換以及反向轉換。常見的HVDC系統構架有全橋式、半橋式和兩電平VSC等。HVDC系統穩定性、可靠性和調節性能較高，能夠傳輸大容量電能。

本文設計使用LCC-HVDC模型分析直流接地故障和單相接地故障。

該模型組成部分如下。

3.1 直流輸電系統

直流輸電系統包括500 kV 50 Hz直流側和245 kV 50 Hz交流側，整流器模塊和逆變器模塊，2個諧波濾波器以及300 km的輸電線路。

3.2 控制模塊

控制模塊包括AC-DC和DC-AC 2個模塊，可以實現控制計算功能。

4 仿真結果與分析

4.1 直流輸電穩態響應特性分析

當t=0.1 s時，直流側電流發生變化，然后進入動態穩定狀態，在2 500 A處波動，放大波形圖后，波動幅度≥10 A。當t=0.15 s時，直流側電壓發生變化，然后進入穩態，在500 kV處波動。雖然波動較大，但是結合直流側電流變化幅度，其為正常現象。

4.2 交流輸電穩態響應特性分析

在直流電壓中12k（k=0，±1，±2，±3，…，±n）次諧波顯著，六脈動換流器6（2k+1）次諧波相位相反抵消。十二脈動換流器交流電流質量高，諧波少，僅有12k±1次諧波、6（2k-1）±1次諧波在換流變壓器之間環流，不注入電網。由于會在閥側相位相反抵消，因此三繞組換流變壓器網側繞組無6（2k-1）±1次諧波。

4.3 直流側故障分析

在系統的直流側加入DC Fault模塊，設置直流接地故障，當t=1 s時，故障開關閉合，持續0.5 s。

將HVDC系統中的直流故障模塊（DC Fault）的乘法因子由100變為1，即當t=0.5 s時設置一個故障，將仿真時間設為2 s。根據波形可知，當直流線路發生故障時直流側的電流增至2.2 p.u.，直流側的電壓降至0，說明當參考電流降至額定值的0.3倍（p.u.）時，即發生故障后，直流側仍然保持電流流通。當時間t為0.58 s時，觸發延遲角α為166°，導致整流器轉變為逆變器模式。

該轉變使直流線路電壓變為負值，原先儲存在線路中的能量反向輸送至交流系統，當電流經過零點時，故障電流加速熄滅。當t=0.62 s時，解除了對α的強制設定，允許直流電流恢復到其額定值。0.4 s后電壓恢復為正常值。當t=1.4 s時，將電流降至0.1 p.u.以啟動停止序列。當t=1.6 s時，整流器的強制阿爾法（即為了保護設備或滿足特定運行條件，人為調整IGBT等開關元件的導通角度的操作）會熄滅電流，逆變器的強制阿爾法會降低直流電壓。當t=1.7 s時，2個轉換器中的脈沖都被阻斷。

4.4 交流側故障分析

在交流電源側加入三相故障（Three-Phase Fault）模塊，并設置A相接地故障，故障持續時間為2.2 s～2.3 s。交流側電壓在故障時間內變為0，電流突然變大，送電側電流出現明顯變化幅度。

此時，可以利用直流側有6個換流器的逆變側換流閥組和換流變壓器模型模型來說明變化原因，上方為閥二、閥四、閥六，下方為閥一、閥三、閥五。在發生故障后，逆變側定關斷角控制使觸發角變小，但是換相電壓降低，換流閥換相失敗，閥三向閥五的換相提前到來，此時閥三、閥四和閥五同時處于導通狀態。當閥三向閥五換相時發生換相失敗，即閥五導通后閥三關斷失敗，繼續導通，當閥四向閥六換相結束時，閥三、閥四、閥五和閥六同時導通，閥三和閥六處于同一個橋臂，導致直流側短路。直到閥六向閥二換相，此時閥三和閥二導通，直流側短路消失。在故障消除后，逆變側交流電壓逐漸恢復，當下一個周期閥二向閥四換相后，閥三和閥四同時導通，換流器閥組恢復正常換相[4]。

5 結論

經過試驗可知，HVDC系統有以下特點。1）能源輸送效率提高。HVDC系統能夠減少輸電線路的能量損耗，與傳統的交流輸電（HVAC）相比，當輸電距離更遠時能效更高。2）跨越大距離輸電。HVDC系統能夠跨越長距離傳輸電能，與HVAC系統相比，其可以更好地控制電流和電壓。3）克服地理障礙。由于HVDC系統能夠在海底和山區等復雜地形中傳輸電能，因此解決了交流輸電受到地理限制的問題。4）穩定性和可靠性。HVDC系統能夠提高電網的穩定性和可靠性，特別是在 營方面。5）環境影響。盡管HVDC系統可以減少輸電線路上的電磁輻射和損耗，但是其建設和運行可能會對環境產生一定影響，例如土地利用變化和破壞野生動植物的生存環境等。

參考文獻

[1]李興源.高壓直流輸電系統的運行與控制[M].北京：科學技術出版社，2004.

[2]周鳴中.基于Matlab的高壓直流輸電系統的建模與仿真[D].宜昌：三峽大學，2021.

[3]王順亮，劉海軍，謝洋，等.基于模塊化思想的LCC-HVDC改進小信號建模及交互穩定性分析[J].電力系統保護與控制，2024（10）：90-91.

[4]孫奕.LCC-HVDC受端故障全過程暫態特性分析與故障電流計算研究[D].北京：華北電力大學，2023.