HVDC系统的simulink仿真

目录

一、理论基础

二、核心程序

三、仿真结论

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一、理论基础

      高压直流输电（HVDC）技术在过去的几十年中取得了巨大的成就。直流输电技术具有技术面广、技术含量高、综合性很强的特点，它不仅促进了电力电子技术的发展，而且伴随着电力电子器件、计算机技术的发展，新材料的出现，新能源和可再生能源的开发利用，一定会为电力工业的发展发挥更大的作用。

     HVDC系统的总体结构如下图所示，其基本元件将在下面描述。

（1）换流器

　　它们完成交-直流和直-交流的转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成。阀桥包含6脉波或12脉波安排的高压阀。换流变压器向阀桥提供适当等级不接地三相电压源。因为变压器阀侧不接地，直流系统可以建立自己的对地参考点，一般情况下将换流阀的正端或负端接地。

（2）平波电抗器

    平波电抗器是指在直流回路中与换流器串接的电抗器。平波电抗器的设置和接线方式有多种。平波电抗器的主要功能包括：1）因为整流电路的脉波数总是优先的，在整流后输出的直流电压波形中一定存在脉动成分，需要由平波电抗器平抑直流电压中的谐波分量，从而减少对邻近高频通道的干扰，改善电磁环境。2）当直流电流很小的时候，能够保证电流不间断，防止直流低负荷的时候直流电流间断引起过电压现象的出现。3）当直流线路短路或者逆变器发生换相失败的时候，抑制故障电流上升率，降低故障电流幅值，减少连续换相失败引起的一极停运的几率。4）抑制线路电容和换流站直流端容性设备通过换流阀的放电电流，防止有直流线路或者直流开关站所产生的陡坡冲击进阀厅，使换流阀免于遭受过电压应力而损坏。5）调整直流侧电路串联谐振频率，使之避开基波和二次谐波频率。

 （3) 谐波滤波器

      换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。这些谐波可能导致电容器和附近的电机过热，并干扰远动通信系统。因此在交流侧和直流侧都装有滤波装置。

  (4)  无功功率补偿

       直流换流器内部要吸收无功功率。在稳态条件下，所消耗的无功功率是传输功率的50%左右。在暂态情况下，无功功率的消耗更大。因此，必须在换流器附近提供无功电源。对于强交流系统，通常采用并联电容补偿的形式。按照直流联络线和交流系统的要求，部分无功电源可以使用同步调相机或者静止无功补偿器（SVC)。作为交流滤波的电容也能够提供部分无功功率。

 （5） 电极

　　目前来说，大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，与大地相连接的导体需要有较大的表面积，以便是电流密度和表面电压梯度最小，这个导体被称为电极。所以，如果一定要限制流经大地的电流，可以使用金属性回路的导体作为直流线路的一部分。

 （6） 直流输电线

   它们可以是架空线，也可以是电缆。直流线路与交流线路十分相似，除了导体数和间距的要求有差异外。

 （7） 交流断路器

　　为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器。它们不是用来排除直流故障的，因为直流故障可以通过换流器的控制更快的清除。

      VSC-HVDC系统的基本结构如下路所示，其基本元件将在下面介绍。

       VSC-HVDC系统的主要设备有6脉动换流桥、直流电容器、交流侧滤波器以及换流器的控制保护设施等。换流阀由IGBT元件串联组成，每一个元件都有一个反并联二极管。为了让串联元件在导通和关断的时候能够得到均匀的动态电压分布，配有专门的触发设施，每个元件上海并联有均压回路。低电位的控制系统产生控制信号，通过光电转换，使用光导纤维传输到高电位的IBGT上去，完成对换流阀的控制。换流阀使用去离子水进行冷却。直流电容器提供了一个低电感路径给关断电路，与此同时为潮流控制存储了能量，亦可减少直流侧的谐波。换流电感器两端的电压大小确定换流器转换的功率大小，通过改变换流桥交流侧输出电压的相位幅值，可以对有功和无功进行控制。换流站还可以省去换流变压器很直流滤波器，在交流侧只需要安装小容量的高通滤波器就可以满足滤波的要求。

VSC-HVDC系统换流器的基本控制方式

（1）定直流电压控制方式，用以控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率；

（2）定直流功率（电流）控制方式，用来控制直流功率（电流）和输送到交流侧无功功率；

（3）定交流电压控制方式，只控制交流侧母线电压，适用于向无源网络供电；

（4）变频率控制方式，用来控制交流侧频率，适用于与风力发电厂连接或黑启动。

通常对于一个两端VSC–HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。

二、核心程序

三、仿真结论

在稳态情况下，也就是没有任何扰动的情况下，电压源换流器交流侧的电压电流都应该是标准的正弦曲线，同时直流侧电压应该类似呈一条直线。各波形图如下。

 

图2  直流侧电压

图3  VSC2的交流电压电流

在t=1.5秒的时候，交流系统1发生了-0.1p.u.的阶跃变化。在t=2.1秒的时后，换流站2的地方发生了三相接地故障。换流站2直流侧功率及电压变化和换流站1的有功无功变化如下图所示。

图4 有功无功功率变化

图5  直流侧电压以及直流线路有功传输变化

    图形显示在t=1.5秒发生阶跃变化的时候，换流站1的有功和无功分别同时发生了大致为0.09p.u.和0.2p.u.的下降，但是在小于0.3秒的时间内恢复到了稳态。在t=2.1秒的时候换流站2发生三相接地故障的时后，直流功率直接中断了，直流电压也增加到1.2p.u.，最后在0.5秒以内系统又恢复正常。