第8章 MATLAB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例

第8章MATLAB在高压直流输电及柔性输电中的仿真实例8.1高压直流输电系统的仿真实例8.2静止无功补偿器(SVC)的仿真实例8.3晶闸管控制串联电容器(TCSC)的仿真实例8.1高压直流输电系统的仿真实例8.1.1HVDC系统的基本结构与工作原理8.1.2HVDC系统的仿真模型描述8.1.3HVDC系统的调节特性8.1.4HVDC系统的起停和阶跃响应仿真8.1.5HVDC系统直流线路故障仿真8.1.6HVDC系统交流侧线路故障仿真8.1.1HVDC系统的基本结构与工作原理1)换流变压器，其一次绕组与交流电力系统相连，其作用是将交流电压变为桥阀所需电压。2)换流器C1、C2，由晶闸管组成，用做整流和逆变，实现交流电与直流电之间的转换。3)滤波器，交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。4)无功补偿装置，换流器在运行时需要从交流系统吸引大量无功功率，在稳态时吸收的无功功率约为直流线路输送有功功率的50%，因此，在换流器附近应有无功补偿装置为其提供无功电源。5)直流平波电抗器，减小直流电压、电流的波动，受扰时抑制直流电流的上升速度。图8-1单极大地回流直流输电系统的基本结构8.1.2HVDC系统的仿真模型描述1.线路的参数2.整流环节简介3.逆变环节简介4.滤波器子系统简介图8-2phi=80deg.3rdharm.HVDC12-pulseTransmissionSystem1000MW(500kV-2kA)50HzEM:500kV,50Hz5000MVAequivalentEN:345kV,50Hz,10,000MVAequivalentphi=80deg.3rdharm.ReadtheModelpropertiesforinitialisationdetailsDiscrete,Ts=5e-005s.RectifierControlandProtectionABC+-Rectifier?MoreinfoMasterControlMasterControlInverterControlandProtectionABC+-InverterABCACfilters50Hz600MvarABCACfilters50Hz600MvarOpenthisblocktovisualizerecordedsignalsDataAcquisitionDCline300kmDCFaultABCabcBrectABCabcBinvA-GFaultABCABCABCABC0.5H0.5HABCABC图8-3整流环节子系统结构图8-4整流器子系统结构表8-1整流器控制和保护子系统包含的模块及作用模块名称作用RectifierControllerVoltageRegulator电压调节，计算触发角GammaRegulator计算熄弧角CurrentRegulator电流调节，计算触发角VoltageDependentCurrentOrderLimiter根据直流电压值改变参考电流值RectifierProtectionsLowACVoltageDetection直流侧故障和交流侧故障检测DCFaultProtection判断直流侧是否发生故障，启动必要的动作清除故障12⁃PulseFiringControl产生同步的12个触发脉冲表8-2逆变器控制和保护子系统包含的模块及作用模块名称作用InverterCurrent/Voltage/GammaController逆变侧电压、电流、熄弧角调节，与整流侧系统相同InverterProtectionLowACVoltageDetection交流侧故障检测CommutationFailurePreventionControl减弱电压跌落导致的换相失败12⁃PulseFiringControl产生同步的12个触发脉冲GammaMeasurement熄弧角测量图8-5滤波器子系统结构图8-6直流系统调节特性8.1.4HVDC系统的起停和阶跃响应仿真1)晶闸管在0.02s时导通，电流开始增大，在0.3s时达到最小稳态参考值0.1p.u.，同时直流线路开始充电，使得直流电压为1.0p.u.，整流器和逆变器均为电流控制状态。2)在0.4s时，参考电流从0.1p.u.斜线上升到1.0p.u.(2kA),0.58s时直流电流到达稳定值，整流器为电流控制状态，逆变器为电压控制状态，直流侧电压维持在1p.u.(500kV)。3)在0.7s时，参考电流出现-0.2p.u.的变化，在0.8s时恢复到设定值。4)在1.0s时，参考电压出现-0.1p.u.的偏移，在1.1s时恢复到设定值。5)在1.4s时，触发信号关断，使得电流斜线下降到0.1p.u.。6)在1.6s时，整流器侧的触发延迟角被强制设置为166°，逆变器侧的触发延迟角被强制设置为92°，使得直流线路放电。7)在1.7s时两个变换器均关断，变换器控制状态为0。表8-3系统控制参数随时间变化表序号时刻/s动作10电压参考值为1p．u．20．02变换器导通，电流增大到最小稳态电流参考值30．4电流按指定的斜率增大到设定值40．7参考电流值下降0．2p．u．50．8参考电流值恢复到设定值61．0参考电压由1p．u．跌落到0．9p．u．71．1参考电压恢复到1p．u．81．4变换器关断表8-3系统控制参数随时间变化表91．6强迫设置触发延迟角到指定值101．7关断变换器a)整流侧得到的相关波形b)逆变侧得到的相关波形图8-7HVDC系统的起停和阶跃响应仿真波形图00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5VdL(pu)00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5IdIdreflim(pu)00.20.40.60.811.21.41.61.820100200alphaord(deg)00.20.40.60.811.21.41.61.820246ControlModet/s00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5VdLVdref(pu)00.20.40.60.811.21.41.61.82-0.500.511.5IdIdreflim(pu)00.20.40.60.811.21.41.61.820100200alphaord(deg)00.20.40.60.811.21.41.61.820246ControlMode00.20.40.60.811.21.41.61.820100200gammat/s表8-4变换器控制状态及意义状态意义状态意义0关断4α最大值限制1电流控制5α的设定值或者常数2电压控制6γ控制3α最小值限制图8-8HVDC系统直流线路故障仿真波形图a)整流侧得到的相关波形图8-8HVDC系统直流线路故障仿真波形图(续)b)逆变侧得到的相关波形a)整流侧得到的相关波形b)逆变侧得到的相关波形图8-9HVDC系统交流侧线路故障仿真波形图0.60.70.80.911.11.21.31.4-0.500.511.5VdL(pu)0.60.70.80.911.11.21.31.40123IdIdreflim(pu)0.60.70.80.911.11.21.31.40100200alphaord(deg)0.60.70.80.911.11.21.31.40246ControlModet/s0.60.70.80.911.11.21.31.4-1012VdLVdref(pu)0.60.70.80.911.11.21.31.40123IdIdreflim(pu)0.60.70.80.911.11.21.31.4100150200alphaord(deg)0.60.70.80.911.11.21.31.4050100gammat/s图8-10逆变器交流侧线路故障时三相电压和电流波形图0.60.70.80.911.11.2-2-1012Va0.60.70.80.911.11.2-2-1012Vb0.60.70.80.911.11.2-2-1012Vct/s0.60.70.80.911.11.2-2002040Ia0.60.70.80.911.11.2-2002040Ib0.60.70.80.911.11.2-2002040Ict/s8.2静止无功补偿器(SVC)的仿真实例8.2.1SVC的基本结构与工作原理8.2.2Simulink中的SVC模块介绍8.2.3SVC系统的仿真模拟图8-11SVC原理图图8-12SVC的伏安特性曲线8.2.2Simulink中的SVC模块介绍1.SVC模块的基本功能2.SVC模块的控制系统图8-13SVC模块示意图表8-5SVC模块的输出信号信号序号信号组信号名称定义1~3PowerIabc(cmplx)Ia(pu)Ib(pu)Ic(pu)输入SVC的相电流Ia、Ib、Ic，单位p．u．4ControlVm(pu)测量到的正序电压（单位p．u．）5ControlB(pu)SVC的电纳输出（单位p．u．），正值为容性6ControlQ(pu)SVC的无功功率输出（单位p．u．），正值为感性图8-14SVC模块功率数据参数设置对话框图8-15SVC模块控制参数设置对话框图8-16SVC控制系统框图8.2.3SVC系统的仿真模拟1)0~0.2s时电压源幅值为1.0p.u.。2)0.2~0.5s时电压源幅值为0.94p.u.。3)0.5~0.8s时电压源幅值为1.06p.u.。4)0.5~1.0s时电压源幅值为1.0p.u。图8-17具有并联补偿设备的简单系统图8-18PhasorspowerguiABCabcUjABCabcUiSignalProcessingabcMagPhaSequenceAnalyzer(PhasorType)Scope1ScopemABCSVCSVC(Phasortype)ABCABCL=50km2V1B1Vabc_1FromBusSelectorNABC110kVABC10MWBactualBcontrol(pu/100MVA)VactualVm(pu)B(pu)Vm(pu)pu/100MVAQ(pu)图8-19仿真结果图图8-20未加SVC装置和加装SVC8.3晶闸管控制串联电容器(TCSC)的仿真实例8.3.1TCSC基本原理与数学模型简介8.3.2Simulink中的TCSC模块介绍8.3.3利用TCSC提高系统输电容量的仿真模拟8.3.4TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟图8-21TCSC模块结构图8-22TCSC标幺值电抗(=/)随β变化的特性图图8-23TCSC模块示意图图8-24FiringpulsesTCSC6C15B14A13C2B1Av+-v+-v+-gakThC-gakThC+gakThB-gakThB+gakThA-gakThA+VtcscItcr[Cm][Cp][Bm][Bp][Am][Ap][Cm][Cp][Bm][Bp][Am][Ap]Demuxi+-c12c12c122cb1P图8-25TCSC模块参数设置对话框图8-26500kV的电力系统仿真模型图8-27利用TCSC提高系统稳态传输功率的仿真结果8.3.4TCSC对系统暂态稳定性影响的仿真模拟(1)三相电源模型(2)三相变压器模型(3)三相输电线路模型(4)三相额定负载模型(5)电力系统故障模型1.三相短路故障仿真2.单相接地故障仿真图8-28简单电力系统图8-29PhasorSimulationofaStaticVarCompensatorContinuouspowerguiABCABCZgABCabcU1ABCABCThree-PhaseFaultABCNabcT2ABCabcnT1Scope1Scope1MultimeterLineIabc_1From1Vabc_1FromVabcIabcPQ3-phaseInstantaneousActive&ReactivePowerNABC10.5kVABC10MW图8-