基于MATLAB的超高压直流输电系统仿真研究

2004年7月1日July1,2004RELAY

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基于MATLAB的超高压直流输电系统仿真研究

于飞1,钟秋海1,张望2,刘喜梅3,张家奇3

(1.北京理工大学二系,北京100081;　2.许昌继电器研究所,河南许昌461000;　3.青岛科技大学,山东青岛266042)

摘要:利用MATLAB软件包下的Simulink对某高压直流输电系统进行建模,并在此模型基础上进行了动态仿真,分析了系统的稳态特性和动态特性,同时对系统中的几种常见故障进行了仿真。仿真结果与实际现象相同,为今后对HVDC系统进行辨识、控制和故障诊断提供了支持。关键词:超高压直流输电系统;　MATLAB软件包;　Simulink;　电气系统模块库;　仿真中图分类号:TM743　　　文献标识码:A　　　文章编号:100324897(2004)1320031204

0　引言

自从1954年世界上第一条工业性的高压直流

输电线路投运以来,随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展[1,2],超高压直流输电系统(HVDC)日趋完善。我国的葛洲坝—上海直流输电工程于1989年投入运行,此后又相继投运了天生桥—广州等HVDC工程。随着三峡工程的建设,国家在“十五”期间要建设并投运的HVDC工程有6项,“十五”后还将建设超过10条的超高压直流输电线路。在此背景下,研究HVDC结构、运行原理及控制方法,正确进行HVDC仿真,进行交、直流潮流计算,分析系统的稳态、动态特性等,已显得非常重要。

1　Simulink仿真环境

MATLAB软件包下的Simulink可以仿真线性

或者非线性系统,并能够构造连续时间或离散时间

的系统。它具有良好的用户界面,只需要从模块库中调用相应的模块进行搭建,然后修改其参数就可以完成系统的建模。

　　Simulink库浏览器中包括[3]:信号源模块组(Sources)、输出池模块组(Sinks)、连续模块组(Con2tinuous)、离散模块组(Discrete)、数学运算模块组(Math)、非线性模块组(Nonlinear)等。另外还有神经网络、模糊控制、电力系统等模块。

图1　HVDC系统模型

Fig.1　HVDCsystemmodel

32继电器

电力系统模块(PowerSystemBlockset)包括:①连接部分(Connectors),其中包括各种地及连接线型;②电源(ElectricalSources),其中包括交、直流电源;③元件(Elements),其中包括RC滤波线路、RLC负载和变压器等;④扩展库(ExtraLibrary),其中包括直流电机、控制模块、离散测量、离散控制模块、测量、三相库;⑤电机(Machines);⑥测量(Measurement),其中包括电流、电压互感器等;⑦电力电子(PowerElectronics),其中包括二极管、晶闸管、IGBT和通用桥等。只要能够熟练地运用各种元件,就可以很容易地进行系统建模了。图2　直流输电系统调节特性

Fig.2　HVDCregulationcharacteristic

图5　单相接地故障

Fig.5　Single2phase2to2groundfault

图3　整流侧仿真结果

Fig.3　Simulationresultinrectifier

图4　逆变侧仿真结果

Fig.4　Simulationresultininverter

图6　两相直接接地故障

Fig.6　Two2phase2to2groundfault

于飞,等　基于MATLAB的超高压直流输电系统仿真研究33

2　HVDC的建模

本文建立了一个单极12脉冲的HVDC模型,如

图1所示。通过1000MW(500kV,2kA)的直流输电线路(R=0.015Ohms/km,L=0.792mH/km,C=14.4nF/km),从一个500kV、5000MVA(R=26.07Ohms,L=48.86mH)、50Hz的电力系统向另一个345kV、10000MVA(R=6.205Ohms,L=13.96mH)、50Hz的电力系统输送电力。整流桥和逆变桥

均由两个通用6脉冲桥搭建而成。交流滤波器直接接在交流母线上,它包括11次、13次和更高次谐波等单调支路,总共提供600Mvar的容量。

直流系统调节特性如图2所示[4]。整流侧由定电流特性和定αmin特性两段组成,分别对应图中BC段和AB段,A′B′是交流电压降低或者故障时的定α定电流段fh和min特性。逆变侧由定电压de段、

VDCOL决定的ef3段组成。整流侧和逆变侧都使

用PI调节器进行控制。正常时,整流侧根据PI调

图7　三相直接接地故障

Fig.7　Three2phase2to2groundfault

节器电流给定Id-ref决定运行电流。逆变侧根据

ref控制逆变侧电压恒定

PI

调节器的电压给定Vd-

,也

就是工作在图中的e点。当交流侧电压下降或者发生故障时,整流侧工作在最小触发角αmin特性,而逆变侧控制线路电流恒定在Id-ref

-IΔ,如图2中的g

点。逆变侧控制电流时比整流侧小IΔ,设置这个电流裕度是为了避免两侧定电流特性重叠而引起运行点不稳定。该模型能够实现电流给定值Id-ref随直

流电压Vd的大小而变化的功能,该功能被称为VDCOL。依赖于此功能,能够防止电压降低时的换

相失败,并有利于电压扰动后直流系统的迅速恢复。

3　HVDC系统的起停仿真

直流输电系统的起动、停运采用逐渐升压、降压的方式,以避免产生过电压。整流侧、逆变侧起动、停运的仿真结果如图3、图4所示[5,6]。从图中可知,直流电流Id在0.4s时达到给定值2000A,在0.6s时开始下降,在0.8s时降为0。

4　HVDC系统的故障仿真

在这里,本文将对HVDC系统中经常出现的5

图8　两相直接短路故障

Fig.8　Two2phaseshortcircuit

种故障类型进行仿真,它们是:单相接地故障、两相直接接地故障、两相直接短路故障、三相直接接地故障和直流线路短路故障。分别如图5～图7所示,

34继电器

5　结论

通过上面的工作,可以看到:利用MATLAB对HVDC系统进行仿真,其结果是比较理想的。主要问题在于如何建立系统模型,即如何构建一个理想的HVDC系统。只要建模正确,仿真就变得容易了。本文建立的系统控制效果良好。如图10所示,当直流参考电流产生一个阶跃下降时,电流实际值跟随效果好,直流电压只是在上升沿和下降沿产生微小的波动,在PI调节下,触发角α增大。综上所述,在MATLAB环境下可以很好地进行HVDC系统的建模与仿真等工作。参考文献:

[1]　MaharsiY,DoVQ,SoodVK,etal.HVDCControl

SystemBasedonParallelDigitalSignalProcessors[J].IEEETransonPowerSystems,1995,10(2).

[2]　Etemadi,SoodVK,KhorasaniK,etal.NeuralNet2

workBasedFaultDiagnosisinanHVDCSystem[J].IEEE.

[3]　简清华,杨高波(JIANQing2hua,YANGGao2bo).基于

MatlabSimulink的仿真方法研究(SimulationResearch

BasedonMatlabSimulink)[J].工业仪表与自动化装置(IndustrialInstrumentation&Automation),2001,(4):41243.

[4]　浙江大学发电教研组直流输电科研组(HVDC&

FACTSGroupofZhejiangUniversityPowerGeneratingDepartment).直流输电(DCTransmission)[M].北京:

图9　直流线路短路故障

Fig.9　DClineshortcircuit

图10　直流输电系统控制响应

Fig.10　HVDCsystemcontrollingresponse

电力工业出版社(Beijing:ElectricPowerIndustry

Press),1982.

[5]程卫国,冯峰,王雪梅,等(CHENGWei2guo,FENG

Feng,WANGXue2mei,etal).Matlab5.3精要编程及高级应用(ExtractiveProgrammingandAdvancedAppli2cationsofMatlab5.3)[M].北京:机械工业出版社(Bei2jing:ChinaMachinePress),2000.[6]　李兴源(LIXing2yuan).高压直流输电系统的运行和控

制(OperationandControlofHVDCSystem)[M].北京:科学出版社(Beijing:SciencePress),1998.收稿日期:　2003210222;　　修回日期:　2003212203作者简介:　

于　飞(1961-),男,副教授,博士,研究领域为计算机控制、工业自动化、故障诊断;E2mail:yyffqd@163.com

钟秋海(1944-),男,教授,博士生导师,研究领域为自动控制理论、系统建模与仿真、智能控制;

张　望(1951-),男,高级工程师,研究领域为超高压直流输电系统的控制及保护。

与真实系统的现象相同。由图9可知,对于交流侧三相故障,由于整流器换相电压明显下降,直流系统在VDCOL控制下闭锁,直到故障消除。由图9可

知,直流线路短路故障时,由于调节器调节速度较快,定电流调节器能够限制稳态短路电流。因此,在直流线路故障时,能够把故障电流限制在额定电流的10%左右。

通过对这些故障的仿真,可以为下一步进行系统的故障诊断提供有效的数据。

(下转第77页　continuedonpage77)

林志超　惠州变电站500kV变压器保护配置与运行分析77

也改接到11RD、12RD上,其问题处理与主变第一

套差动保护相同。

4)在“主变差动保护CT切换电源”回路上,装设一个中间继电器,用于监视“主变差动保护CT切换电源”,在电源消失时发告警信号。

4　结语

本文对惠州变电站500kV变压器继电保护的配置、装置的原理及运行作了介绍与分析。主变保护既有国产设备又有进口设备。NEI公司主变保护所用继电器形式多样,从电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型到微机型都有,性能也较复杂。只有深入了解保护装置性能,熟悉保护原理,才能做好设备调试、维护工作。参考文献:

[1]　王维俭(WANGWei2jian).电力系统继电保护基本原理

(BasicPrincipleofProtectiveRelayinginElectricPowerSys2tems)[M].北京:清华大学出版社(Beijing:TsinghuaUni2versityPress).

[2]　贺家李,宋从矩(HEJia2li,SONGCong2ju).电力系统继电

图3　改造后的差动保护电流切换中间继电器回路

Fig.3　Rebuiltdifferentialprotectioncurrent

switchingrepeatrelaycircuits

返回,将差动保护中压侧电流回路瞬时短接,随后

3YQJ(A)、4YQJ(A)、(B)动作才将95C-1励磁使回路(B)、恢复正常。由于CT切换回路在失电复电操作过程中出现继电器YQJ与95C-1“触点竞赛”,有可能引起保护误动作。因此在11RD、12RD熔断后,装入保险前,应先人工断开CT回路切换直流空气开关MCB26,保证95C-1不能动作,然后才给上11RD、12RD保险,使3YQJ(A)、4YQJ(A)、(B)恢复正常状态,最后才给上(B)、MCB26开关。按此操作直流电源,才能确保差动保护

保护原理(第三版)(PrincipleofProtectiveRelayingin

ElectricPowerSystems,ThirdEdition)[M].北京:中国电力出版社(Beijing:ChinaElectricPowerPress),1994.收稿日期:　2004203208;　　修回日期:　2004204208作者简介:　

林志超(1972-),男,硕士,工程师,长期从事继电保护研究与运行维护工作。E2mail:lzchz@21cn.com

安全运行。主变第二套差动保护电源的“主Ⅱ差动保护

(95C-2A、CT切换回路”95C-2B、95C-2C、95C-2D)

Allocationandoperationanalysisof500kVtransformerprotectioninHuizhousubstation

LINZhi2chao

(HuizhouPowerSupplyBranch,SVA,Huizhou516001,China)

Abstract:　Thecharacteristic,demandandallocationof500kVtransformerprotectioninHuizhousubstationareintroduced.Perfor2

mancesofeachimportedprotectiondeviceoftransformerareanalyzed.Operationproblemsofthetransformerdifferentialprotectioncurrentswitchingcircuitareproposed,andtheimprovedmeasuresarealsoputforward.Keywords:　transformerprotection;　operationperformance;　improvedmeasure

(上接第34页　continuedfrompage34)

SimulationofaHVDCsystembasedonMATLAB

YUFei1,ZHONGQiu2hai1,ZHANGWang3,LIUXi2mei3,ZHANGJia2qi3

(1.BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;　2.XuchangRelayResearchInstitute,Xuchang461000,China;

　3.QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266042,China)

Abstract:　AsimulationmodelofHVDCsystemintheSimulinkenvironmentisproposed.Onthisbasis,thepaperperformsthesys2temdynamicsimulationandanalyzesseveralkindsoffaults.Theresultsofsimulationarethesameasthatoftherealsystem.Allthisworkhasdonegreatcontributiontothefurtheridentification,controllingandfaultdiagnosisforHVDCsystem.Keywords:　HVDC;　MATLABsoftwarepackage;　Simulink;　powersystemblockset;　simulation