基于Matlab的交直流混合输电系统的仿真研究

继电器　　　　　　　　　　　　Vol.34No.8第34卷第8期　　　　　　　　　　　　

2006年4月16日Apr.16,2006RELAY

基于Matlab的交直流混合输电系统的仿真研究

钟庆,张尧,杨金明,武志刚

(华南理工大学电力学院,广东广州510640)

摘要:利用SimPowerSystems工具箱建立了一个两交一直的交直流混合输电系统模型,并对交流故障、直流故障下的系统稳定性和动态响应进行了分析,并给出了仿真结果。通过与交流输电系统仿真结果进行了比较,可以看出,由于直流输电系统的调节速度快和短时过载能力强的特点,所以交直流输电系统具有更好的稳定性能和响应速度。

关键词:稳定;　交直流混合输电;　Matlab

中图分类号:TM721.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:100324897(2006)08200402050　引言

西电东送、区域联网是我国能源发展的重要战略,直流输电功率调节迅速灵活,输电距离不受同步运行的稳定性限制,是较理想的远距离大功率输电方式,其运行控制性能对电力系统的安全稳定运行影响深远。根据我国联网规划,南方电网将在2005年形成“五交三直”的西电东送输电通道,到2010年,我国将基本形成北、中、南6个跨区互联电网,预计2010～2020年期间,基本形成覆盖全国的统一交直流联合电网。我国将成为世界上直流输电线路最多、直流输送容量最大的国家。由此形成的大规模交直流电力系统,其运行的复杂性和难度在国际上是少见的。因此,研究大规模交直流电力系统的仿

[1]

真技术具有特别重要的现实意义。

关于电力系统机电暂态仿真程序,目前国际上比较著名的有美国PTI公司的PSS/E、西门子公司的NETOMAC、ABB公司的SIMPOW和加拿大Pow2ertech公司的DSAPOWERTOOLS等,以及一些大型的实时仿真软件,如RTDS和Hypersim等,国内应用比较普遍的程序有中国电力科学研究院的BPA和PSASP程序。文献[2]就NETOMAC在直流输电系统中的应用有详细的论述。

SimPowerSystems是Matlab中专门用于电力系统动态仿真的工具箱,它支持用户利用其内部的一些工具来建立自定义模型,具有强大的开发功能,并能准确地反映该系统的动态特性。具有使用灵活、

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50337010);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020561004);华南理工大学自然科学青年基金资助项目(5050390)

界面友好等特点,并有丰富的帮助系统和Demo系统,能够方便工程人员利用其对电力系统进行离线[3]

的分析和计算。文献[4]针对6脉动HVDC系统建立了Simulink模型,并对直流线路对地短路时的暂态过程进行了仿真。文献[5,6]对12脉动HVDC系统建立了模型,并对交流系统单相接地故障和直流系统对地短路故障的暂态过程进行了仿真。本文利用Simulink中的SimPowerSystems工具箱和Demo中的12PulseHVDC模型,建立了交直流混合输电系统的仿真模型,对交流系统三相短路故障和直流对地短路故障情况下系统的暂态响应进行了仿真,描述了交直流系统之间的相互作用关系,并与纯交流输电系统进行了比较,说明了直流输电系统能有效提高系统的稳定性,并具有响应快速的特点,同时该研究也为后面关于交直流输电系统的控制问题、稳定问题等研究提供了一个方便的仿真工具和模型。

1　SimPowerSystems简介

由于电力系统是一个包含有电路和机电装置(如电动机和发电机)的复杂非线性系统,而且工程研究人员还需要在电力系统中使用电力电子装置和控制装置以提高系统的性能,这一切都需要有一个良好的仿真工具来帮助工程通过仿真来了解系统的状态和特性。SimPowerSystems是Simulinkµ下专门用于电力、电子电路、控制仿真的工具箱。它能帮助研究人员在Simulink环境下通过拖放(Clickanddrag)简单快速地建立电力系统仿真模型。通过SimPowerSystems不但可以快速地建立系统的电路

[7]

拓扑,同时也能对电路的控制进行详细的分析。

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图1　仿真的交直流混合输电系统

Fig.1　SimulationofAC/DChybridtransmissionsystems

　　SimPowerSystems具有丰富的模型库和Demos,

模型库中包含有多种典型的电力设备模型,如变压器、线路、发电机、负载和电力电子装置等模型,还包括各种控制模块和测量模块,能够进行电量的测量、FFT、PI控制、dq变换等分析工作,只要能够熟练应用这些元件,就可以容易地进行建模。同时Demos内还提供有三相输电系统、暂态分析、同步发电机模型、直流输电等模型,为工程人员提供建模的参考。但是由于Matlab的计算量大,所以计算速度较慢,无法满足实时计算的要求,仅仅进行离线计算分析和仿真。为实现与其他系统的接口,Matlab提供RTW模块,能与下层的硬件进行连接,提高计算速度,满足实时计算的要求。如Hypersim软件就提供与Matlab的接口,能够在Simulink内建立控制模型,由RTW模块编译下载给Hypersim,由其实现实时的计算和仿真。

2　AC/DC系统模型2.1　系统模型本文建立了一个交直流混合输电系统的模型,如图1所示。系统包括两个区域,发电机M1区域由两条交流输电线路和一条直流线路向发电机M2区域输电。发电机M1,M2包含有励磁控制和PSS控制,机端电压为13.8kV,通过升压变压器变成500kV,向系统供电。区域间的距离为700km,在M2区域包括一个5000MW的负载,由M1和M2供电,通过改变M1和M2的额定功率,可以改变区域间的传输功率。另外系统中还包含有三相断路器、三相故障和直流系统单相接地故障等,以模拟交流系统和直流系统的故障,采用Simulink建立该系统的模型,如图2所示。

图2　系统的Simulink模型

Fig.2　SimulinkmodelofAC/DCtransmissionsystems

2.2　直流系统模型HVDC的基础上进行修改而来,该系统包括整流模

文中直流模型是在Demos系统中的12pulse块、逆变模块、滤波电抗器、直流线路、交流滤波器、

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整流器控制模块、逆变器控制模块和主控制模块。直流系统的额定传输容量为1000MW,两侧额定电压为500kV,滤波电抗器为0.5H,直流线路长为700km。在换流站设置的无功补偿和滤波装置包括一个500Mvar的电容器和150Mvar的11次滤波器、13次滤波器和高通滤波器。直流系统的控制采用传统的分层控制结构,包括主控层、极控层和阀控层,其中极控层和阀控层包括在整流(逆变)控制模块内部。主控制器模块主要给定极控层的电流给定信号、系统启动和关断信号。整流侧控制器包括直流系统的保护模块、控制模块和触发模块,其工作模式可以为定电流控制、最小触发角控制、定电压控制和VDCOL控制等。逆变侧控制模块与整流侧模块类似,但其工作模式还包括定熄弧角控制。该直流模型详细地描述了HVDC系统各种工作模式和动态,能准确描述各种状态下的直流输电系统工作情况。

图4　交直流混合系统的功角

Fig.4　PowerangleofAC/DCtransmissionsystems

图5　发电机的角速度ωofthetwogeneratorsFig.5　3　仿真结果

仿真采用离散定步长算子,仿真步长Ts=50μs,分别对以下几种情况进行仿真和比较。

1)M1的额定功率为2000MW,M2的额定功率为4000MW,模拟3.9s时交流线路1发生三相短路故障,故障后交流线路1跳开,并隔离故障,故障切除时间为100ms。如果系统为三条交流线路从M1区域向M2区域送电时,系统将会失稳,M1和M2之间的功角曲线如图3所示。如果采用一条直流线路取代一条交流线路,成为如图1所示的系统时,并在交流故障后,通过直流系统的短时过载能力,在4s提高直流系统输送功率为1.2倍的额定功率,由于直流输电系统长距离大容量的输送功率的特点,可以保证系统不会失稳,其功角曲线如图4所示,两机的角速度变化如图5所示,直流系统在增加1.2倍额定传输功率后的响应情况如图6所示。

图6　直流系统的动态响应

Fig.6　DynamicsofHVDCsystems

图3　纯交流系统功角

Fig.3　PowerangleofACtransmissionsystems

2)改变M1的额定功率为1500MW,M2的额

定功率为4500MW,减小系统长距离传输的功率,

故障情况和直流系统控制情况与仿真1相同。此时

交流系统能够保持稳定,其功角曲线如图7所示。交直流输电系统的功角如图8所示。由仿真结果的比较可以看出,通过直流系统的快速调节能力和短时过载能力,能快速使系统恢复到稳定工作点,交流系统约在12s处恢复稳定,而交直流系统在8s处就可恢复稳定。

3)直流系统接地故障对整个系统的影响。设定直流系统在3.95s时直流系统发生单相接地故障,故障持续时间为50ms。观察其对整个系统的

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图7　纯交流系统功角

Fig.7　PowerangleofACtransmissionsystems

图8　交直流混合系统的功角

Fig.8　PowerangleofAC/DCtransmissionsystems

图9　系统功角

Fig.9　Powerangle

图11　直流系统的动态响应

Fig.11　DynamicsofHVDCsystems

图10　发电机的角速度

ωofthetwogeneratorsFig.10　

用。直流系统具有调节快速和可短时过载的优点,

所以当直流输电线路和交流混合输电线路混合使用将有利于维持系统的稳定,交流系统失稳时减小功角振荡的时间,响应快速,在系统故障后迅速恢复稳定。同时直流系统自身发生故障时,能够通过直流系统的保护和控制动作,迅速隔离故障,并在故障消失后快速恢复输电,而不会影响交流系统稳定性。参考文献:

[1]　徐政,蔡晔,刘国平.大规模交直流电力系统仿真计

影响及直流系统保护和控制装置的动态响应。故障

发生后,系统的功角如图9所示,两机的角速度如图10所示,系统维持稳定,说明通过直流系统的保护和控制单元的作用,直流系统接地故障没有对系统的稳定造成影响。故障发生后在保护和控制模块的作用下直流系统的动态响应如图11所示。

算的相关问题[J].电力系统自动化,2002,26(15):42

8.

XUZheng,CAIYe,LIUGuo2ping.SomeProblemsintheSimulationofLarge2scaleAC/DCPowerSystems[J].Au2tomationofElectricPowerSystems,2002,26(15):428.[2]　杨卫东,徐政,韩祯祥.NETOMAC在直流输电系统仿

4　结论

SimPowerSystem是Matlab中关于电力系统仿真

的有力工具,可以进行电力系统的离线分析和计算,

与其他仿真工具相比,具有使用方便灵活,用户界面友好,用户定制功能强等特点,尤其是其丰富的在线帮助和Demo系统更是有利于简单地建立电力系统仿真模型。通过其对交直流输电系统的仿真,能够进一步验证直流输电系统在电力系统中起到的作

真研究中的应用[J].电力自动化设备,2001,21(4):10214.

YANGWei2dong,XUZheng,HANZhen2xiang.Applica2tionofNETOMAConHVDCSystemSimulation[J].Elec2tricPowerAutomationEquipment,2001,21(4):10214.[3]　林凌雪,张尧,武志刚.交直流混合电力系统的数字仿

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继电器

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收稿日期:　2005209215

作者简介:　

钟　庆(1978-),男,博士,主要研究方向为电力系统及其自动化、电力电子技术在电力系统中的应用及其控制技术;E2mail:epqzhong@scut.edu.cn张　尧(1948-),男,教授,博士,博士研究生导师,主要研究方向为电力系统运行与稳定、电力市场、电网规划。

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TheresearchonthesimulationofhybridAC/DCpowertransmissionsystemsbasedonMatlab

ZHONGQing,ZHANGYao,YANGJin2ming,WUZhi2gang

(ElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Abstract:　TheresearchesonthesimulationofHVAC/DChybridtransmissionsystemsarethebasisoftheanalysisaboutthestabilityandcontrolofthesystems.SimPowerSystemsinMatlabisamoderndesigntoolthatallowsscientistsandengineerstorapidlyandeasilybuildmodelsthatsimulatepowersystems.Itcanbeoperatedeasilywithfriendlyinterface.ThispaperbuildsaAC/DChybridtrans2missionsystemsincludingtwoAClinesandoneDClineonSimPowerSystems.Thesimulationsaredoneunderthesuppositionsthattherewerethree2phasefaultinAClineandgroundingfaultinDCline.Thedynamicsandstabilityofthesystemsarepresentedbytheresultofthesimulations.ThespeedofregulationofHVDCsystemsisfasterandtheabilityofoverloadofHVDCsystemsisstrongerthanACsystems,sotheHVAC/DChybridtransmissionsystemsareofhigherstabilityandfasterreaction.

ThispaperissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50337010),ResearchFundfortheDoctoralPro2gramofHigherEducation(No.20020561004),andNationalNaturalScienceYouthFoundationofSouthChinaUniversityofTechnology(No.5050390).

Keywords:　stability;　AC/DChybridtransmissionsystems;　Matlab

(上接第23页　continuedfrompage23)

Studyanddesignoftravelingwavefaultlocationhardwaresystem

WUDa2li,YINXiang2gen,ZHANGZhe,ZHANGXiao2bo

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:　Accordingtoshortagesoftravelingwavefaultlocationrunninginfact,thispaperdeeplyanalysestheneedsoftravelingwavefaultlocationsystem.Thehardwaresystemschemeisputforward,whichcansatisfytheneedsoftravelingwavefaultlocationsuchashigh2speedacquisition,massdatastorageanddouble2endeddatasynchronization.

Keywords:　travelingwavefaultlocation;　high2speedacquisition;　massdatastorage;　globalpositioningsystem(GPS)