基于PSCAD的高压直流输电系统建模和仿真

基于PSCAD的高压直流输电系统建模与仿真

摘要：

为了配合高压直流输电系统在我国的发展，介绍了高压直流输电系统的基本结构和工作原理，运用PSCAD仿真软件分别建立、分析了HVDC系统的简化模型和CIGRE的HVDC 标准测试系统模型，对四种故障下的暂态响应进行仿真计算，仿真结果表明交直流系统中的任何故障都会使直流输电控制系统的控制模式发生快速切换，且其响应速度很快，即使在交流系统故障未切除的很短时间内，直流控制系统也已能达到一种稳定的控制模式。

关键词：高压直流输电(HVDC)；电流源型换流器；PSCAD；PWM；标准测试系统

0 引言

高压直流输电今年来发展很快，是我国重要的区域联网方式。文献[1]指出，我国已建成了世界上第一个±800kV的最高直流电压等级的特高压直流输电工程，且计划在2020年前投运的直流输电工程将超过30个，学习和掌握直流输电技术成为电力电子技术领域及电力工程领域工作人员不可缺少的知识构成。

本文利用PSCAD仿真软件对HVDC系统进行了由简单到复杂的建模和仿真，对其运行特性进行观测和研究，是在高压直流输电课程的学习之后的总结与提升，为以后的深入学习奠定基础。

在简化模型中，直流输电系统简化为以不可控整流器、平波电抗器和逆变器相连接的交流电源，逆变器的触发脉冲由PWM调制生成，观测整流输出电流和逆变输出电压。

在较复杂的CIGRE的直流输电标准测试系统模型中，采用可控的双桥12脉动换流器作为整流器和逆变器，观测交直流侧电压、电流。

1 HVDC系统简介

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图1 长距离式HVDC系统主接线

1—交流系统 2—换流变压器 3—脉动换流器 4—平波电抗器 5—交流滤波器 6—直流滤波器

高压直流输电由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路和将直流电变换为交流电的逆变器三部分构成，因此从结构上看，高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路。到目前为止，工程上绝大部分直流输电的换流器(又称换流阀，包含整流器和逆变器)由半控型晶闸管器件组成，称采用这种换流器的直流输电为常规高压直流输电。如图1为长距离高压直流输电的典型接线，主要用来实现从电源中心到负荷中心的电能输送。

2 简化模型仿真分析

如图1为简化的HVDC系统仿真电路。系统省去了变压器、交流滤波器、直流滤波器，发电机以左侧的三相110kV电压源表示，电网以右侧的110kV电压源表示。整流器采用三相桥式不可控整流电路，在平波电抗器作用下，其输出电流波动极小；逆变器采用电流源三相桥式逆变电路，其触发脉冲由PWM调制获得调制电路如图2。两平波电抗器均为1000H，以10Ω电阻表示直流输电线路电阻。

图3 PWM控制电路 图4 PWM调制波形及逆变输出波形

图2所示PWM控制电路中，载波频率为1000Hz，参考波为110kV、50Hz三相电压。所得调制波形如图3。

图5 直流线路电流仿真波形

由图4可看出，在平波电抗器作用下，直流线路电流基本保持不变。且所用电抗器电抗值越大，电流波动越小。

3 CIGRE HVDC 标准测试系统模型分析

3.1 模型简介

CIGRE 直流输电标准测试系统的原型是一个海底电缆直流输电系统，它的主要目的是测试各种直流控制器在弱交流系统下的行为，其控制策略具有普遍适用性，同时也用以考核各种仿真工具对直流输电系统模拟的精确度。该直流系统的额定电压为 500kV，额定容量为 1000MW，换流器为 12 脉动，直流系统单极运行。交流侧由固定电容器和阻尼型滤波器进行无功补偿和滤波，交流系统很弱，其短路比 SCR 在 2.5 左右。该测试系统的模型如图6所示，整流侧结构如图7所示。

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图6 CIGRE HVDC 标准测试系统结构

图7 CIGRE HVDC 标准测试系统整流侧结构

CIGRE直流输电标准测试系统所采用的控制器属于直流输电控制系统分层结构中的极控制层，主控制层没有模拟。该测试系统的基本控制方式是，整流侧由定电流控制和minα限制两部分组成；逆变侧配有定电流控制和定关断角(γ0)控制，但无定电压控制。此外，整流侧和逆变侧都配有低压限流(Voltage Dependent Current OrderLimit，简写为VDCOL)控制，逆变侧还配有电流偏差控制(Current Error Controller，简写为CEC)。CIGRE直流输电标准测试系统控制器的总体框图如图8所示。该测试系统的控制器详细框图如图9所示。

图8 CIGRE HVDC标准测试系统控制器总体框图

图9 CIGRE HVDC标准测试系统的控制器详细框图

3.2 暂态响应特性分析 3.2.1 整流侧交流系统故障

整流侧交流系统故障时的暂态响应特性当整流侧交流系统发生三相短路故障(0.1～0.2s)，使换流站交流母线电压下降约 30％时，测试系统响应特性如图10所示。从图10可以看出，在发生故障和故障切除的很短时间内，控制器的控制模式发生了多次切换，但即使在故障过程中，控制器也基本处于一种稳定的控制模式，说明直流输电控制器的响应速度很快，能够在系统状态改变时快速切换到一种稳定的控制模式。故障切除后约200ms 直流系统基本恢复到初始运行点。

a) 整流站母线电压和直流侧电压 b)直流整定值及直流电 …… 此处隐藏：1956字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……