基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真.docx
《基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真
论文题目
基于MATLAB的高压直流输电系统的建模与仿真
摘要：
高压直流输电系统（HVDC）是一种成本低，耗能少，稳定性高，并且利用长距离线路来进行大容量输电的技术。
这种技术一般运用在海底电缆等长距离大容量的输电线路中。
本篇论文对高压直流输电系统（HVDC）的结构和概况进行论述。
运用Matlab仿真软件中的Simulink对其进行建模和系统的仿真得到相应的仿真波形，验证其有效性。
关键字：
高压直流输电系统；Matlab仿真；Simulink模块库
中图分类号：
TP273.6
ModelingandSimulationofHVDCTransmissionSystemBasedonMATLAB
LuoJun（tutor:
HanTao）
（CollegeofMechatronicsandControlEngineering,HubeiNormalUniversity,Huangshi,China,435002）
Abstract:
HVDC（HVDC）isalowcost,lowenergyconsumption,highstability,andtheuseoflongdistancelinesforlargecapacitytransmissiontechnology.Thistechniqueiscommonlyusedinlong-distance,large-capacitytransmissionlinessuchassubmarinecables.ThispaperdiscussesthestructureandgeneralsituationofHVDC.SimulinkofMatlabsimulationsoftwareisusedtosimulatethesimulationofthesimulationandverifyitseffectiveness.
Keywords:
HVDCtransmissionsystem；TheMatlabsimulation；Simulinkmodulelibrary
基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真
罗俊（指导教师，韩涛）
（湖北师范大学机电与控制工程学院中国黄石435002）
1绪论
1.1高压直流输电系统的发展概况
在现如今这个时代，用电在日常的生活中不可或缺，那么输电系统就显得更加重要，传输系统可分为直流传输和交流传输与交流传输相比，高压直流传输具有低功耗，低成本和高传输容量的优点，直流传输更加稳定。
在现实生活中利用得更加普遍。
直流输电系统有3个阶段，
（1）1960年前后，那个时候交流高压输电是最常用的输电方式，由于当时的技术限制，DC转移并没有得到人们的赞赏。
（2）之后，东欧瑞典直到1972年才建成该行业的第一条高压直流输电线路，目前，技术已经逐渐成熟，高压直流输电系统正在大功率，长距离使用。
（3）20世纪70年代到现在，科学技术日新月异，高压直流输电系统在生活更加普遍，直流输电系统越来越被人们重视。
1.2高压直流输电系统的优势和不足
HVDC传输系统具有的优势：
第一：
从经济方面来看，首先，整个直流输电系统的成本相对较低，整个线路只需要两根导线，能够节约很多成本，所以电缆线的成本比较低，因此电缆费用低。
第二:
直流输电系统运行的时候需要的电能比较小，可以尽可能的节能，最后：
线路窄，土地需求量少，费用低。
例如，使用相同的500千伏电压，直流路线走廊只有40米宽。
对于数百公里或数千公里的输电线路，储存的土地数量巨大。
传输系统的优点还包括更快的调整和更可靠的运行。
由于直流输电系统可通过快速调整有功功率轻松实现，并通过晶闸管换能器实现，因此也可实现“功率翻转”。
一旦出现了紧急情况，它能够从正常交流系统向出现问题一端紧急支援，大大提高了线路的可靠性。
当使用交流传输时，短路电流会因为容量的增加而增加。
它可能会超过原来的断路器闭锁能力。
使用直流输电时，这种效应会降低。
HVDC传输系统的不足之处：
在换流站方面，直流输电系统相比交流输电系统来说就有好多劣势，比如直流换流站的结构复杂，设备数量多，造价高，损耗大等等。
交流变电站通常仅需要变压器和断路器，但除上述设备外，直流变电站还需要变频器，平滑电抗器，直接交流滤波器和无功功率放大器。
晶闸管变换器在更换期间需要消耗大量的无功功率。
目前，换流站需要无功补偿设备，当交流滤波器提供的无功功率不能满足无功补偿时，也需要静电电容，当开关站接入弱交流系统时，为提高系统动态电压的稳定性和改善替换状态，同时还需要安装同步摄像机或静态无功补偿装置，这也增加了转换站的投资和运行成本，当使用新型旋转半导体装置或循环电容逆变器时，无功补偿问题将得到解决。
1.3高压直流输电的应用
根据分析，直流输电的应用有以下的方面：
1）距离很远功率很大的输电
2）直流电缆输电，能节约资源
3）电力系统的联网。
4）现有交流输电系统的增容改造
5）轻型直流输电
2高压直流输电系统的原理
2.1高压直流系统的元件与接线
2.1.1高压直流系统的接线方式
DC传输系统的接线一般分为三种类型：
单极，双极连接和背对背连接。
1单极系统（正极或负极）
单极直流输电系统可以使用正负极性。
正极和负极由转换器站的地电位定义，对地电位为负，对正极为正。
输电导线有正负级导线之分，和正极相连的为正极导线，那么与负极相连的即为负极导线。
单环和单极金属环是单极系统的两种接线方式。
（1）单极大地回线方式
作为高压直流输电系统的重要组成部分，地球和海水是该系统的返回线。
如图2.l（a）所示这种方式。
电流正常运行的条件是必须流过海水或是地面，因此极其重要的一点就是它电极材料的选用、受到地下通讯线路等一些方面的影响，往往使用的较多的方式为正极接地。
图2.1（a）单个最大环路连接图
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统
（2）正如这个名字所表明的那样，在直流侧使用两根金属线形成单极环路称为单极金属环路方法见图2.1（b）,单极大地回线里面的地回线是用一根低绝缘的导线来替代的。
这种单极环路方法可以防止电流流过地面或海水，并使导线的电位为零。
缺点是当电流通过导线时，会导致大的压降，因此具有足够的绝缘强度。
这个方式通常为过渡方式。
图2.l（b）单极金属环路布线图
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统
双导体并联接地回路是单极性操作中的双极直流输电系统。
接线图如图2.1（c）所示。
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统
2.双极系统
双极线路是由正负连接线组成的线路。
中性回路和大地回路是他的两个不同的分支，分述如下：
（1）图2.2（a）显示了双极性接地的中性点。
这种方法将整流和逆变站的中性点连接到地，+V和-V为双极对地电位。
在正常操作下，电流不流向两个接地点。
实际上，变压器两端的阻抗和变流器的控制角度并不平衡，因此总是有不平衡电流作为回路流过地。
一旦线路中的故障得到解决，可以使用全极和地面作为回路来保持单极操作模式。
图2.2（a）两端中性点零线接线方案
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统
（2）双极性中性点接地方式2.2（b）所示，在整流侧或中性侧的一侧接地，在正常运行时与上述相同。
但是，当前线遇到问题时，无法继续正常操作。
图2.2（b）双极一端中性点
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-双向交流系统地线图
（3）如图2.2（c）所示，双极性金属中性点系统通过将双极中性点连接到导线形成双极中性点模式。
在换向侧或换向侧连接到地面将允许您继续在健康的电杆上传输电力，同时避免在一侧出现问题时使用地面或海水作为回路的缺点。
这种方法通过增加电线来增加经济投资。
图2.2（c）双极金属中性模式连接图
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统
3.背靠背（back-to-back）”换流方式
如图2.3所示，没有直流输电线路，将整流器和逆变器站相结合的直流系统称为“背对背”换流站。
背靠背换向方式的主要特点是直流侧可以选择低电压大电流，可以更好地利用大截面晶闸管的流通能力，同时直流侧设备由于直流电压较低，也可以节省成本。
背靠背换向系统由于所有整流器和逆变器都安装在灯泡孔中，直流侧的谐波不会引起通信干扰，降低了直流侧滤波器的要求，节省了滤波器，大大降低了平波电抗可以减少电感值。
这样可以降低直流系统的绝缘成本，最大限度地保持成本，这种替代方法在很多地方都得到了认可。
它的主要优点是受益于系统增加容量时限制短路容量，因此它不会取代大量的电气设备。
背靠背高压直流输电系统可以根据互连的目的和要求的可靠性设计为单极或双极运行。
大多数使用线路的点对点（两端）高压直流输电系统都是双极性的，并且仅在意外事故期间单极运行。
图2.3背靠背站接线图原理
1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-两端交流系统
2.1.2高压直流输电系统的元件
HVDC系统主要由变流站（整流站和逆变站）和HVDC电路组成，主要包括变流器，直流滤波电抗器，交直流滤波器，无功补偿器，直流输电线路和电极。
下图是一个双极接触线系统的基本组件的示意图。
其他组件基本上与本图中所示的组件基本相同。
下面分别介绍如下：
图2.4高压直流输电系统两端主要设备
图2.4中主要设备如下：
（1）换流变压器。
由于变压器阀侧的接地，直流系统可以建立自己的对地参考点，通常将接地的正或负端接地阀门转换器。
（2）换流器（阀桥）。
它们完成交-直流和直一交流转换。
变频器由一个6脉冲或12脉冲高压阀组成。
（3）直流平波电抗器。
这些大电抗具有高电感值，减小直流线路的谐波电压和电流，防止逆变器换相，防止轻负载电流不连续，并且当直流电流短路时，整流器的峰值电流限制。
（4）谐波滤波器。
转换器在运行期间在交流和直流两侧产生谐波和谐波电流。
这些谐波会导致冷凝器和附近电机过热并干扰遥控通信系统。
因此，滤波器装置安装在交流侧和直流侧。
AC滤波器一般安装在变流器变压器的交流侧母线上。
在单桥交流滤波器的情况下吸收6n±1次谐波，在双桥吸收的情况下吸收12n±1次谐波。
直流线路两端通常安装直流滤波器，以减少输入直流线路和地线的谐波含量。
单桥吸收6n次谐波，双桥吸收12n次谐波。
（5）无功补偿装置。
直流逆变器在运行过程中会使用大量的无功功率。
在静止状态下，换能器消耗的无功功率约占发射功率的4成至6成，而瞬态状态下的无功功率消耗较大。
因此，需要在换流器附近提供无功功率。
在强大的交流系统中，通常使用并联容量补偿。
根据直流环节和交流系统的要求，可以通过同步调相机，无功补偿电容，交流并联电抗器和静止无功补偿器提供一些无功电源。
用于AC滤波的电容器也可以提供部分无功功率。
（6）电极。
大多数直流链路设计至少在短时间内将地线用作中性线。
连接到地面的导体需要较大的表面积以最小化电流密度和表面电压梯度。
这个导体被称为电极。
如果在流过地面时必须进行限制，则可以将金属电路导线用作直流线路的一部分。
（7）直流输电线路。
这些可以是架空线路或电缆。
背靠背直流输电项目可以在没有直流输电线的情况下完成。
除了导线的数量和所需的空间之外，在其他方面，直流线路与交流线路非常相似。
（8）交流断路器。
为了消除变压器故障并停止直流母线，AC侧安装了断路器。
交流断路器通常不用于关闭直流系统故障，因为直流系统故障可以通过逆变器控制更快地关闭。
2.2换流器的工作原理
换流技术是指交流和直流电力交换技。
换流器是实现这种AC/DC转换的主要设备，并且是DC传输系统的重要组成部分。
转换器的主要组件是阀桥和变压器。
安装在变流站中的逆变器可以在整流状态下运行，将交流电转换为直流电或逆变器状态。
在前一状态下工作的逆变器被称为整流器，而在后者状态下工作的逆变器被称为逆变器。
2.2.1换流器的基本电路
换流回路有一系列可选择的结构，为保证阀门断电时阀门的反向峰值电压较低，变压器的使用更加充分，高压直流换流器采用三相全波桥路作为基本模块，6脉冲变流器电路。
尽管12脉冲转换电路也是共用的，但通过将两个6脉冲转换器串联连接来构成6脉冲转换器，以便可以使用6脉冲转换器进行原理分析，其原理接线图如图2.5所示。
其中，ea，eb，ec是等效值交换系统的基本正弦电动势，L是各相的等效相变电抗，Ld是平滑波电抗值。
除非另有说明，为了清楚起见，在下面的分析中使用以下假设：
（1）三相交流电源的电动势是一个恒定频率的对称正弦波。
（2）交流电网是对称的，变流器变压器可以忽略。
（3）直流侧整流电抗器具有较大的电感值，所以直流滤波器波形直，无纹波。
（4）阀门特性非常理想。
换句话说，正向压降和关断状态泄漏电流可以忽略不计。
（5）三相六阀阀以1/6周期（60°）的相同相位间隔交替打开和关闭。
图2.5六脉动整流原理接线图
广泛应用于高压直流输电工程的晶闸管换流阀的特点如下：
①换流阀的单向导电性。
当阳极到阴极是正电压时，转换器阀门只能在单一方向上导通。
没有反向电流可能。
即直流电流不可能有负值。
②转换器阀门的传导条件有两个条件：
阳极对阴极为正电压，正触发脉冲足以控制阴极加能量。
它必须在同一时间可用。
转换器阀门打开时，只有在关闭状态下才能关闭。
否则它始终打开。
③转换器阀门的控制阀没有断开能力。
只有当流过换流阀的电流为零时才能关闭（唯一的关闭条件），是靠外回路的能力来进行关断的。
一旦转换器阀门关闭，转换器只有在满足上述两个导通条件时才可以打开，否则转换器总是关闭。
因此，上述基本概念对于分析换流器正常运行条件和故障条件的人员非常有用
2.2.2六脉动整流器的工作原理
1.理想情况下的工作原理
所谓的理想情况是整流桥的上下半桥只有一个阀门导通，不考虑由于反向泄漏电抗引起的电弧，并且在阀门打开时不考虑触发延迟。
此时，导通阀的每个部分与整流电压的情况如表2.1所示。
由该表可见，6个阀的导通顺序为V1一V2一V3一V4一V5一V6。
表2.1单桥整流器等效电流阀的操作
时段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
共阴极组中导通的阀
V1
V1
V3
V3
V5
V5
共阳极组中导通的阀
V6
V2
V2
V4
V4
V6
整流输出电压Vd
ea-eb=eab
ea-ec=eac
eb-ec=ebc
eb-ea=eba
ec-ea=eca
ec-eb=ecb
整流器的I/O波形如图2.6所示。
图2.6理想情况下，校正输入和电压输出电压
（a）中性点直流端m和n的波形（b）直流输出电压波形
输入波形中的C1到C6是自然换相点，从图2.6可以看出，在理想条件下，整流电路的工作特性是：
（1）每个晶闸管需要同时同时导通两个晶闸管，并且需要形成一个给负载供电的回路，一个晶闸管是普通的阴极组，一个是共阳极组，它不是同相晶闸管。
（2）对触发脉冲的要求：
六个晶闸管的脉冲的顺序是V1-V2-V3-V4-V5-V6，相位相差60°，公共阴极组的脉冲与V1，V3，V5的脉冲相差120°，共阳极组是V2，V4，V6。
同样为120°，同组上下桥，即V1和V4，V3和V6，V5和V2，脉冲差180°（3）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路正常工作，须保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。
（4）校正后的输出电压Vd每周脉动6次。
每个脉冲的波形相同，所以电路是一个脉冲整流电路。
2.2.3逆变器的工作原理
逆变器和整流器更换装置相同，但各自的工作条件不同，逆变器的工作原理与后续工作原理有许多相似之处。
主要区别在于变频器在负半周期内使用施加在阀门上的交流电压使阀门打开，此时Vd>90，平均直流电压Vd为负值，Vd当前用作反电动势。
逆变器的等效电路如图2.7所示。
图2.7逆变器原理接线图
2.3十二脉动换流器
在实际应用中，需要两个或更多个换流桥串联以获得所需的较高直流电压.12脉冲变流器包括两个串联在直流侧的6极逆变器。
变流器的交流侧通过变流器变压器的绕组并联连接。
由于换流变压器的一个阀侧绕组是星形连接，另一个是三角形连接，因此两个6脉冲变流器的交流侧，得到相位相差为30º的换相电压。
12脉冲变流器可以使用两套双绕组换流变压器或一套三绕组换流变压器。
图2.8显示了使用两套双绕组变压器时12脉冲变流器的原理接线图。
图2.812脉冲转换器的接线图
12脉冲变流器由V1至V12的12个阀门转换器构成。
图2.13中所示的换向序列号是它打开的序列号。
在每个工频周期内依次有12个换流阀。
它需要12个与AC系统同步的顺序触发脉冲。
脉冲之间的间距为30º。
12脉冲转换器的优点之一是其良好的直流电压质量和低谐波含量。
直流电压是6脉冲转换器的直流电压之和，两个换向电压之间的差值为30，由于每个电源周期中有12个脉冲，所以称为12脉冲转换器。
直流电压只包含每个6脉冲转换器的直流电压的谐波和6kHz的谐波，由于它们相互抵消并相互抵消，所以它们不再出现在直流电压中，并且有效地改善了直流侧的谐波性能。
12脉冲转换器的另一个优点是卓越的交流电流质量，谐波分量很少。
交流电仅包含12k±1次谐波，每个6脉冲转换器交流电流的6（2k-1）±1次谐波不会在两个转换器变压器和人的交流电网之间循环，由于不包括12脉冲变流器的交流电流的谐波电流，所以交流侧的谐波性能也得到有效改善。
对于使用一组三个绕组换流变压器的12脉冲变流器，6（2k-1）±1匝不包括在变压器网络侧的绕组中，由于每个这样的谐波在其阀门侧的两个绕组中具有相反的相位，所以它抵消了变压器的主磁通并且不再出现在绕组线圈中。
因此，在大多数直流输电项目中，选择12脉冲变流器作为基本变流器单元，这简化了滤波器装置并节约了换流站的成本。
2.4直流输电系统的基本控制原理
HVDC传输系统的控制和调整是通过改变线路两端转换器的触发角来实现的，可以在高速和多模式下进行调节，不仅保证了HVDC传输的各种传输方式，而且保证了HVDC我们将完善传输系统本身。
虽然运行特性得到改善，但两端交流系统的运行性能也有所提高。
因此，直流输电的控制和调节结合了以往的分析，在整个交直流系统的安全和经济运行中发挥着重要作用，图2.4所示双极直流传输线或单极直流传输线的极点可以用图2.9所示的等效电路表示。
图2.9电路等效HVDC系统
2.5直流输电系统的基本控制
高压直流输电系统非常易于控制，其运行依赖于正确的应用来控制，以确保系统具有理想的性能。
高压直流输电系统采用分层控制方式。
其目标是使系统高效可持续地工作，并在保证设备安全的同时保持最大的功率控制灵活性。
系统的最低控制级别是路由器的本地控制（极点控制）。
基于上述分析和图2.9，可以得到一个简单的等效电路图和HVDC传输系统的电压分布图，如图2.10（a）和（b）所示。
（a）等值电路
（b）电压分布
图2.15HVDC输电联络线
HVDC系统通过控制整流器和逆变器的内部电位来控制线路上任意点的直流电压和线路电流（或功率）。
特别是，可以通过两种方式调整DC电流（或功率）变化：
（1）调整整流器的触发减速角度α或变频器的弧角，即调整添加到转换器阀门控制极的触发脉冲相位，这样调整不仅是一个较大的调整范围，也非常快。
这是直流输电系统最重要的适应方法。
（2）调整变频器的交流电位。
一般通过调整发电机的励磁或变换变压器的分接头，调整速度较慢，是直流输电系统的辅助调整方法。
出于以下目的，传输系统的发送和接收端的功率因数必须尽可能高:
1）给定变压器和阀门的电压和电流，转换器的功率更高
2）减轻阀上的压力；
3）减少连接到直交流系统的损耗；
4）随着负载的增加，最小化AC端子的电压降；
5）减少换流器损耗的无功功率。
为了获得高功率因数，整流器的触发延迟角α和逆变器的灭弧角必须尽可能小。
为了确保在触发之前阀上有足够的电压，整流器具有大约5°的最小角度极限。
还必须有一些余量来增加整流器电压以控制DC功率流。
在逆变器的情况下，为了避免换相失败，必须保持最小的熄灭角度。
确保足够的余量非常重要，以便换向非常完美，并保证在α=180时°。
或α=0°换相电压反向之前去游离。
根据最小角度限制，需要足够的换相余量，因为即使换向已经开始，直流电流和交流电压可能会改变，一般15°左右。
3高压直流输电系统仿真建模
3.1单个最大接地回路直流输电系统基本结构（正极）
高压直流输电工程可分为两类：
高压直流输电双向输电系统和高压直流输电多端输电系统，输电线路两端只有一端传输，一端为传输系统。
它只有两个带交流系统的端口扩展，是最简单的直流输电系统，两端的直流输电系统由三部分组成：
整流站，逆变站和直流输电线。
对于能够反向输电的两端直流输电工程，换流站可以同时用作整流站和逆变站。
整流站和变频站的主接线和主要设备基本相同，但控制系统和保护系统的功能不同。
发送端和接收端的交流系统与直流输电系统密切相关，直流输电系统为整流器和逆变器提供整流电压，为换相创造条件，同时发射端为直流输电提供电流，并提供传输功率：
接收端系统相当于从直流传输中加载和接收电流。
高压直流输电保护和控制系统是正常启动和关闭，高压直流输电正常运行，运行参数改变，自动调整，故障处理和安全的先决条件。
因此，一般而言，两个直流终端传输项目需要一个满足直流开关站和传输站以外的操作要求的控制保护系统。
此外，为了提高直流输电运行的可靠性和灵活性，还需要有基本的基础和进步。
根据工程中常用的主接线，RL，简单的RC元件，电源，输电线路，换流变压器，阀门库，AC/DC变换器等设计了高压单回地直流电源系统的正极模型。
直流滤波器模型应包含在系统仿真建模中。
正地回路直流输电系统的结构如图3.1所示。
图3.1单个最大回流直流输电系统的基本结构（正极）
3.2建模与仿真工具MATLAB/Simulink简介
Matlab是MathWorks于1982年发布的高性能数值计算和可视化数学软件。
Matlab又叫矩阵实验室。
它将数值分析，矩阵计算，信号处理和图形显示集成在一起，形成一个方便和用户友好的用户环境。
在这种环境下，用户只需简单列出问题的数学表达式待解决，结果以数字或图形显示。
Matlab的引入引起了各领域的专家和学者的关注。
强大的扩展功能为各种工程学科的分析和设计提供了基础。
Matlab包含用于各种应用问题的解决方案工具，称为工具箱。
随着Matlab版本的不断升级，其中包含的工具箱的功能变得越来越多，这就是为什么应用范围正在扩大并成为不同类型设计不可或缺的工具数值分析。
Matlab产品族由以下产品构成：
①Matlab：
②MatlabToolbox：
③MatlabCompiler；④Simulink；⑤Stateflow；⑥Real-timeworkshop；⑦SimulinkBlockset。
Simulink是基于Matlab的块式设计环境，可用于建模，分析和模拟各种动态系统。
它有各种建模，可以模拟任何可以用数学解释的系统，例子包括航空航天动力系统，卫星转向系统，通信系统，船舶和汽车，包括连续，离散，有条件执行，事件控制，单速率，多速率和混合动力系统。
在本文中，我们使用
升级会员 