高压直流输电系统运行特性及故障影响的仿真研究

作者简介： 李瑞（1988-），男（汉），硕士研究生，

摘要： 直流输电系统的暂稳态仿真对于电力系统研究规划和设计运行等起着重要的作用.为了能较好地反映扰动下交直流系统间的相互作用，在MATLAB/Simulink软件环境下，针对高压直流输电（HVDC）系统及其变换器建立了详细的模型，进行了系统的稳态、电流参考值突变和直流联络线上的故障仿真，给出了相应的仿真波形，分析了直流输电系统中交直流系统间和直流系统间的复杂动态特性，为进一步研究HVDC系统运行稳定性提供了依据和基础.

关键词：

高压直流输电系统； 频率响应； 阶跃响应； 故障特性； 建模

中图分类号： TP 392； TM 723文献标志码： A

高压直流输电（HVDC） 特别适合大功率、远距离输电，在我国“西电东送”工程中起着重要的作用[1].换流站中整流器和逆变器良好的控制性能是HVDC系统安全稳定运行的保证，而HVDC系统本身是一个参数不确定的强非线性系统[2]，特别是大扰动时交直流系统的相互作用造成系统动态状态的突变，引起暂态过电压、谐波不稳和电压不稳等问题[3-4].实际运行情况表明[5]，HVDC交流系统的强度和直流控制器的特性对故障恢复特性有显著影响.本文利用MATLAB/Simulink软件仿真HVDC系统，分析研究系统运行的稳定性和直流线路接地故障下系统的特性.

1高压直流输电系统简述

两端高压直流输电系统[6-7]通常由整流站、逆变站和直流输电线路三部分组成.具有功率反送功能的两端直流系统换流站，既可作为整流站运行，又可作为逆变站运行.当功率反送时整流站变为逆变站运行，而逆变站变为整流站运行.换流站的主要设备有换流变压器、换流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、控制保护装置和接地极线路等.

直流输电所用的换流器通常采用由12个（或6个） 换流阀组成的12脉动换流器（或6脉动换流器） .早期直流输电工程曾采用汞弧阀，20世纪70年代后均采用晶阀管换流阀.目前，已经能制造最大容量为250 kV 4 000 A的换流阀，以满足特高压直流输电的需要.

换流器在运行时交流侧和直流侧均产生一系列谐波，使两侧波形畸变.为了满足两侧谐波要求，需要分别在两侧配置交流滤波器和直流滤波器.

控制保护装置[8]是实现直流输电正常启停、运行、自动调节、故障处理与保护等功能的设备，对直流输电的运行性能及可靠性起着重要的作用.

直流输电系统是一种高度可控的输电系统[9]，可通过控制换流站中整流器的触发延迟角α和逆变器的逆变角β控制电压、电流和输送功率.一般情况下，换流站的控制方式是整流侧采用定直流电流控制以保持直流线路电流恒定，直流电压则由逆变器控制维持.

本文HVDC系统的建模采用单极大地回线接线方式，在直流联络线上设置故障点[10].高压直流输电系统结构如图1所示.

2仿真系统描述

送端交流系统参数为500 kV、5 000 MVA、60 Hz，受端交流系统参数为345 kV、10 000 MVA、50 Hz.两个交流系统相角均为80°，经整流逆变后通过直流联络线相连接，直流线路长度设定300 km，两端变换器出线端设置0.5 H的直流平波电抗器.为抑制交流谐波分量，两端交流系统母线上并联接入交流滤波器为谐波电流提供低阻抗通路.系统建模仿真图如图2所示.

6结论

随着我国“西电东送”力度的加大和全国几个大区域电网之间的互联，将会有越来越多的直流输电工程投入使用.对于高压直流输电系统的研究、设计和运行，高压直流输电 （HVDC） 系统的暂稳态仿真发挥着重要作用.MATLAB/Simulink软件的应用使得 HVDC的建模及仿真简单易行.

本文基于HVDC系统的建模仿真，根据系统的频率响应、运行下的稳态状况和阶跃响应以及直流侧故障对系统的影响，分析了直流输电系统中交直流系统间和直流系统间的复杂动态特性，为今后模型的进一步完善及基于其它控制策略的控制系统提供了依据.

参考文献：

[1]刘振亚.特高压直流输电理论[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]李兴源.高压直流输电系统的运行和控制[M].北京：科学出版社，1998.

[3]黄道春，魏远航，钟连宏，等.我国发展特高压直流输电中一些问题的探讨[J].电网技术，2007，31（8）：6-12.

[4]张梅，刘天琪.交直流混合系统电压稳定问题综述[J].现代电力，2005，22（3）：15-19.

[5]杨秀，陈鸿煜，靳希.高压直流输电系统动态恢复特性的仿真研究[J].高电压技术，2006，32（9）：11-14.

[6]钟庆，张尧，杨金明，等.现代控制技术在高压直流输电系统中的应用及其发展[J].继电器，2006，34（9）：80-86.

[7]曾南超.高压直流输电在我国电网发展中的作用[J].高电压技术，2004，30（11）：11-12.

[8]荆勇，任震，杨晋柏，等.天广直流输电系统运行过电压的研究[ J].高电压技术，2002，28（4）：1-4.

[9]舒印彪.中国直流输电的现状及展望[J].高电压技术，2004，30（11）：1-2.

[10]GOLE A M.Simulation tools for system transients：an introduction[C].IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2000，2：761-762.

[11]KUNDUR P.Power System Stability and Control[M].Denmark：McGrawHill Companies，Inc，1994.