電力系統(tǒng)matlab simulink仿真及應(yīng)用第7章

1、第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.1 輸電線(xiàn)路串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置仿真輸電線(xiàn)路串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置仿真 7.2 基于晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真基于晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真 7.3 基于基于GTO的靜止同步補(bǔ)償裝置仿真的靜止同步補(bǔ)償裝置仿真 7.4 基于晶閘管的基于晶閘管的HVDC系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 7.5 基于基于VSC的的HVDC系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.1 輸電線(xiàn)路串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置仿真輸電線(xiàn)路串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置仿真串聯(lián)電容補(bǔ)償就是在線(xiàn)路上串聯(lián)電容器以補(bǔ)償線(xiàn)路的電抗。采用串聯(lián)電容補(bǔ)償是提高交流輸電線(xiàn)路輸送能力、控制并行線(xiàn)路之

2、間的功率分配和增強(qiáng)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一種十分經(jīng)濟(jì)的方法。但是，超高壓輸電線(xiàn)路加裝串聯(lián)補(bǔ)償后會(huì)引發(fā)潛供電流、斷路器暫態(tài)恢復(fù)電壓(TRV)及次同步諧振(SSR)等一系列系統(tǒng)問(wèn)題，而且在故障和重合閘動(dòng)作時(shí)可能會(huì)在系統(tǒng)中引起很大的過(guò)電壓。本節(jié)主要討論串聯(lián)電容器的建模和次同步振蕩等有關(guān)現(xiàn)象。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-1 系統(tǒng)單相電路圖7.1.1 系統(tǒng)描述系統(tǒng)描述圖7-1中，6臺(tái)350 MVA的發(fā)電機(jī)通過(guò)一條單回路600 km的輸電線(xiàn)路與短路容量為30000 MVA的系統(tǒng)相連。輸電線(xiàn)路電壓等級(jí)為735 kV，由兩段300 km的線(xiàn)路串聯(lián)組成，工頻為60 Hz。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝

3、置仿真 為了提高線(xiàn)路輸送能力，對(duì)兩段300 km的線(xiàn)路L1和L2進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償，補(bǔ)償度為40%，兩段線(xiàn)路上均裝設(shè)330 Mvar的并聯(lián)電抗器，用于限制高壓線(xiàn)路的工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓。補(bǔ)償設(shè)備接到母線(xiàn)B2的線(xiàn)路側(cè)，B2通過(guò)一個(gè)300 MVA、735kV/230kV/25 kV的變壓器向230 kV側(cè)的250 MW負(fù)荷供電，變壓器接線(xiàn)方式為Y0-Y0-D。串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置由串聯(lián)電容器組、金屬氧化物變阻器(MOV)、放電間隙和阻尼阻抗組成，如圖7-2所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-2 串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-3 仿真系統(tǒng)模型打開(kāi)SimPowerSys

4、tems庫(kù)demo子庫(kù)中的模型文件power_ 3phseriescomp，可以直接得到圖7-1的仿真系統(tǒng)如圖7-3所示，以文件名circuit_seriescomp另存，以便于修改。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-3中，發(fā)電機(jī)選用簡(jiǎn)化的同步電機(jī)模塊，兩個(gè)變壓器是通用的雙繞組和三繞組變壓器模塊，其中和母線(xiàn)B2相連的三相三繞組變壓器為飽和變壓器。母線(xiàn)B1、B2和B3為三相電壓電流測(cè)量模塊，通過(guò)設(shè)置黑色背景可以使這些模塊具有母線(xiàn)的形式。三相電壓電流測(cè)量模塊輸出的三相相電壓和線(xiàn)電流用標(biāo)幺值表示。故障發(fā)生在線(xiàn)路1的串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置左側(cè)，在第1個(gè)周期末發(fā)生a相接地故障，線(xiàn)路1兩側(cè)的斷路器CB1

5、、CB2在第5個(gè)周期后三相斷開(kāi)以切除故障線(xiàn)路，第6個(gè)周期后a相接地故障消失。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 雙擊圖7-3中的“串聯(lián)電容補(bǔ)償”(Series Comp.1)子系統(tǒng)，打開(kāi)子系統(tǒng)如圖7-4所示。圖7-4由三個(gè)完全相同的子系統(tǒng)構(gòu)成，一個(gè)子系統(tǒng)代表一相線(xiàn)路。打開(kāi)“串聯(lián)電容補(bǔ)償a相” (Series Comp.1/Phase A)子系統(tǒng)，如圖7-5所示。圖7-5中的電容器Cs的容抗值為輸電線(xiàn)路感抗的40%，具體計(jì)算如下。首先打開(kāi)分布參數(shù)線(xiàn)路參數(shù)對(duì)話(huà)框，求出300 km輸電線(xiàn)路正序感抗XL為 (7-1)需補(bǔ)償?shù)娜菘怪礨C為0.4XL，即 (7-2)6 .105300109337. 060

6、 23LX24.426 .1054 . 0CX第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-4 “串聯(lián)電容補(bǔ)償”子系統(tǒng)所以補(bǔ)償電容的電容值Cs為(7-3) F108 .6260 216CsXC第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-5 “串聯(lián)電容補(bǔ)償a相”子系統(tǒng)第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-5中的MOV元件由SimPowerSystems/Elements中的“避雷器”(Surge Arrester)模塊等效。MOV用于防止電容器過(guò)電壓。當(dāng)電容電壓超過(guò)額定電壓2.5倍后，MOV將電壓鉗位到最大允許電壓Vprot：其中，In為線(xiàn)電流有效值，取值為2 kA。kV7 .29824.4222

7、5 . 225 . 2CnprotXIV(7-4) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 為了保護(hù)MOV，在MOV上并聯(lián)了由斷路器模塊等效的放電間隙Gap，當(dāng)MOV上承受的能量超過(guò)閾值時(shí)，間隙放電。與放電間隙串聯(lián)的RL支路是用來(lái)限制電容電流上升率的阻尼電路?！澳芰亢头烹婇g隙觸發(fā)”(Energy & Gap firing)子系統(tǒng)完成對(duì)放電間隙Gap的控制，仿真系統(tǒng)模型如圖7-6。該系統(tǒng)對(duì)MOV中的能量進(jìn)行積分計(jì)算，當(dāng)能量值大于30 MJ時(shí)發(fā)送合閘信號(hào)到斷路器模塊Gap中，斷路器合閘，實(shí)現(xiàn)間隙放電。打開(kāi)圖7-3中300 MVA、735/230/25 kV的三相三繞組變壓器模塊的參數(shù)對(duì)話(huà)框，注意電流磁

8、通飽和特性用標(biāo)幺值表示為0，0 ；0.0012，1.2；1，1.45關(guān)于飽和變壓器的參數(shù)設(shè)置，可以參考4.2節(jié)相關(guān)內(nèi)容。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-6 仿真系統(tǒng)模型 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.1.2 初始狀態(tài)設(shè)置和穩(wěn)態(tài)分析初始狀態(tài)設(shè)置和穩(wěn)態(tài)分析在進(jìn)行暫態(tài)分析之前，首先要設(shè)置模型的初始狀態(tài)。點(diǎn)擊Powergui模塊的“潮流計(jì)算和電機(jī)初始化”按鍵，打開(kāi)窗口如圖7-7所示。設(shè)置節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為PV節(jié)點(diǎn)，電機(jī)輸出的有功功率為15 MW，初始電壓為13.8 kV，即1 p.u.。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-7 初始狀態(tài)設(shè)置 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 單擊“更

9、新潮流”(Update Load flow)按鍵，更新后的電機(jī)線(xiàn)電壓相量、線(xiàn)電流相量、電磁功率、無(wú)功功率、機(jī)械功率、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電壓顯示在圖7-7的左側(cè)子窗口中。退出Powergui模塊，打開(kāi)電機(jī)參數(shù)對(duì)話(huà)框，可以觀測(cè)到“電機(jī)的初始狀態(tài)”(machine initial conditions)已經(jīng)被系統(tǒng)自動(dòng)更新了，同時(shí)，和電機(jī)輸入端口Pm、E相連的機(jī)械功率和勵(lì)磁電壓被更新為Pmec=1515.9 MW(0.72184 p.u.)、E=1.0075 p.u.。點(diǎn)擊Powergui模塊的“穩(wěn)態(tài)電壓電流分析”按鍵，打開(kāi)窗口如圖7-8所示。通過(guò)該窗口可以得到各母線(xiàn)上的穩(wěn)態(tài)電壓電流，從而進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析

10、。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-8 穩(wěn)態(tài)電壓電流分析 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 (7-5) (7-6) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.1.3 暫態(tài)分析暫態(tài)分析打開(kāi)“三相故障模塊”參數(shù)對(duì)話(huà)框，設(shè)置1/60 s時(shí)發(fā)生a相接地故障，0.01 s后故障消失。設(shè)置線(xiàn)路1兩側(cè)的斷路器CB1、CB2在5/60 s時(shí)三相斷開(kāi)并切除故障線(xiàn)路。1. 線(xiàn)路線(xiàn)路1發(fā)生發(fā)生a相接地故障相接地故障在Powergui模塊中選擇連續(xù)系統(tǒng)仿真，仿真參數(shù)對(duì)話(huà)框中設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間為0.2 s，算法為變步長(zhǎng)ode23tb。開(kāi)始仿真，得到母線(xiàn)B2上的三相電壓和電流波形如圖7-9所示。a相接地故障時(shí)的三相

11、短路電流波形如圖7-10所示。a相串聯(lián)補(bǔ)償裝置上放電間隙Gap上的電壓、MOV上的電流和MOV的能量波形如圖7-11所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-9 a相接地故障時(shí)母線(xiàn)B2的三相電壓電流波形(a) 三相電壓；(b) 三相電流 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-10 a相接地故障時(shí)的三相短路電流波形 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-11 a相接地故障時(shí)a相串聯(lián)補(bǔ)償裝置上的相關(guān)波形(a) Gap電壓；(b) MOV電流；(c) MOV能量 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 可見(jiàn)，仿真開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。t=0.0167 s時(shí)，a相發(fā)生接地故障，最大故

12、障電流為10 kA(見(jiàn)圖7-10)，MOV每半個(gè)周期導(dǎo)通一次(見(jiàn)圖7-11(b)，使得MOV中存儲(chǔ)的能量階梯上升(見(jiàn)圖7-11(c)。當(dāng)t=0.0833 s時(shí)，線(xiàn)路上的繼保裝置動(dòng)作，斷路器CB1和CB2斷開(kāi)(見(jiàn)圖7-9(b)，MOV中儲(chǔ)存的能量不再發(fā)生變化，維持為13 MJ(見(jiàn)圖7-11(c)。由于MOV中存儲(chǔ)的能量未超過(guò)閾值30 MJ，因此放電間隙不動(dòng)作，Gap上的電壓緩慢減小(見(jiàn)圖7-11(a)。斷路器斷開(kāi)后，故障電流降到一個(gè)非常小的數(shù)值并在第1個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)降為0(見(jiàn)圖7-10)；串聯(lián)電容器中的殘余電荷通過(guò)線(xiàn)路、短路點(diǎn)和并聯(lián)電抗組成的回路放電，直到故障電流降為0，串聯(lián)電容放電結(jié)束，電壓在22

13、0 kV附近波動(dòng)(見(jiàn)圖7-11(a)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 在MATLAB命令窗口中輸入命令tic;sim(gcs);toc得到上述仿真的運(yùn)行時(shí)間為5.4 s，因此有必要提高仿真運(yùn)行速度。打開(kāi)Powergui模塊，將系統(tǒng)離散化，步長(zhǎng)取為50 s，在仿真參數(shù)對(duì)話(huà)框中選用定步長(zhǎng)離散算法。再次仿真，運(yùn)行時(shí)間縮短為2.37 s。因此，接下來(lái)的分析均采用離散化仿真方法。2. 線(xiàn)路線(xiàn)路1發(fā)生三相接地故障發(fā)生三相接地故障打開(kāi)“三相故障模塊”參數(shù)對(duì)話(huà)框，設(shè)置三相接地故障。再次仿真，仿真結(jié)果如圖7-12圖7-14所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-12 三相接地故障時(shí)母線(xiàn)B2上的三相電

14、壓和電流波形(a) 三相電壓；(b) 三相電流 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-13 三相接地故障時(shí)的三相短路電流波形第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-14 三相接地故障時(shí)串聯(lián)補(bǔ)償裝置上的相關(guān)波形(a) Gap電壓；(b) MOV電流；(c) MOV能量第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 由圖可見(jiàn)，在MOV中能量存儲(chǔ)的速度明顯高于單相接地故障，能量在故障后3個(gè)周期時(shí)到達(dá)30 MJ的門(mén)檻閾值(見(jiàn)圖7-14(c)，于是放電間隙Gap被觸發(fā)，串聯(lián)電容器通過(guò)氣隙放電，電容器上電壓在線(xiàn)路斷路器斷開(kāi)前已快速降至0(見(jiàn)圖7-14(a)。由于此時(shí)斷路器尚未動(dòng)作，因此母線(xiàn)B2上電壓降為0，第5

15、個(gè)周期后，斷路器動(dòng)作，將故障與母線(xiàn)B2隔離，母線(xiàn)B2上電壓逐步得到恢復(fù)(見(jiàn)圖7-12(a)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.1.4 頻率分析頻率分析當(dāng)輸電線(xiàn)路采用串聯(lián)電容補(bǔ)償時(shí)，會(huì)引入一個(gè)次同步頻率的電氣諧振，在一定的條件下，它將與機(jī)組扭振相互作用而導(dǎo)致電氣振蕩與機(jī)械振蕩相互促進(jìn)增強(qiáng)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為次同步諧振現(xiàn)象。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)在系統(tǒng)阻抗的零點(diǎn)附近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種頻率低于系統(tǒng)基頻的諧振。由系統(tǒng)阻抗的極點(diǎn)產(chǎn)生的高次同步諧振電壓使得變壓器飽和。因此，本節(jié)的頻率分析將圍繞系統(tǒng)阻抗的依頻特性展開(kāi)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 首先修改系統(tǒng)圖，從本模型文件中刪除“簡(jiǎn)化同步電機(jī)模塊

16、”(Simplified Synchronous Machine)，用“三相電源模塊”(Three-Phase Source)替代。打開(kāi)“三相電源模塊”參數(shù)對(duì)話(huà)框，將“三相電源模塊”中的阻抗參數(shù)設(shè)置成與簡(jiǎn)化同步電機(jī)的阻抗參數(shù)相同，如圖7-15所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-15 等效三相電源參數(shù)設(shè)置第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 從SimPowerSystems/Measurements子庫(kù)中復(fù)制“阻抗測(cè)量”模塊到本模型文件中，將該模塊連接到母線(xiàn)B2的a相和b相線(xiàn)路上，得到a相和b相的阻抗之和。將阻抗測(cè)量模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框中的“增益參數(shù)”(Multiplication fact

17、or)改為0.5，即可得到一相阻抗。打開(kāi)Powergui模塊的“阻抗依頻特性測(cè)量”窗口，設(shè)置頻率范圍為0:500 Hz，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)均為線(xiàn)性表示，單擊“更新”按鍵后得到阻抗的依頻特性如圖7-16所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-16 阻抗依頻特性第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 可見(jiàn)，系統(tǒng)有三種振蕩模式，分別在頻率9 Hz、175 Hz和370 Hz處。其中9 Hz為串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的并聯(lián)諧振頻率，175 Hz和370 Hz是由600 km分布參數(shù)線(xiàn)路導(dǎo)致的諧振頻率。清除故障時(shí)，這三種振蕩模式均可能被激發(fā)。利用圖7-16顯示的參數(shù)特性可以進(jìn)行母線(xiàn)B2的短路容量的計(jì)算。將圖7

18、-16在60 Hz處的阻抗依頻特性放大，可以得到60 Hz處的阻抗值R為58 ，因此三相短路容量P為(7-7) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.1.5 母線(xiàn)母線(xiàn)B2故障時(shí)的暫態(tài)分析故障時(shí)的暫態(tài)分析通常變電站中的斷路器均具有在不切除電路或變壓器的情況下清除母線(xiàn)故障的能力。因此修改系統(tǒng)圖，并對(duì)母線(xiàn)B2上三相接地故障的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。將三相故障模塊接到母線(xiàn)B2上，打開(kāi)參數(shù)對(duì)話(huà)框，按圖7-17進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這樣在t=2/60 s時(shí)將發(fā)生三相接地故障。打開(kāi)斷路器模塊CB1和CB2，按圖7-18所示取消三相開(kāi)關(guān)動(dòng)作的復(fù)選框，表示三相開(kāi)關(guān)不可操作。這樣，斷路器保持初始的合閘狀態(tài)不再動(dòng)作，線(xiàn)路將不會(huì)

19、從系統(tǒng)中被切除。 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-17 母線(xiàn)B2三相接地故障設(shè)置 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-18 母線(xiàn)B2三相接地故障時(shí)斷路器設(shè)置 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 為了清楚觀察B2母線(xiàn)上的a相電壓，從Simulink/Signals Routing子庫(kù)中復(fù)制“選擇器”(Selector)模塊到本模型文件中的“數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)”(Data Acquisition subsystem)中，按圖7-19(a)連接在B2母線(xiàn)電壓輸出端和示波器之間，并設(shè)置選擇器模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框中“元素”(Elements)個(gè)數(shù)為1(見(jiàn)圖7-19(b)。為了讀取飽和變壓器的磁通和

20、磁化電流值，將“萬(wàn)用表”模塊復(fù)制到本模型文件中。打開(kāi)“三相三繞組變壓器”模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框，在“測(cè)量參數(shù)”列表框中選擇測(cè)量“磁通和磁化電流”(見(jiàn)圖7-20(a)。打開(kāi)“萬(wàn)用表”模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框，在“萬(wàn)用表”模塊中選擇顯示a相的磁化電流和磁通(見(jiàn)圖7-20(b)。利用“信號(hào)分離”(Demux)模塊可將萬(wàn)用表模塊的兩個(gè)輸出信號(hào)分離出來(lái)并通過(guò)示波器顯示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-19 添加選擇器模塊(a) 接線(xiàn)；(b) 參數(shù)設(shè)置 (a) (b) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-20 變壓器磁通和磁化電流讀取方法設(shè)置(a) 變壓器參數(shù)對(duì)話(huà)框；(b) 萬(wàn)用表參數(shù)對(duì)話(huà)框 第7章 高壓電

21、力系統(tǒng)的電力裝置仿真 打開(kāi)菜單欄SimulationSimulation parameter，將仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)為0.5 s以便更好地觀察9 Hz的次同步振蕩。開(kāi)始仿真，仿真結(jié)果如圖7-21所示。圖7-21從上到下依次為母線(xiàn)B2上的a相電壓、母線(xiàn)B2上的a相短路電流、母線(xiàn)B2處串補(bǔ)電容的a相電壓、飽和變壓器的磁化電流和飽和變壓器的磁通。從圖7-21(a)的母線(xiàn)a相電壓和圖7-21(c)的電容電壓可以清楚地看到由于清除故障而激發(fā)的9 Hz的次同步振蕩現(xiàn)象。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 故障發(fā)生時(shí)，變壓器a相電壓降為0(見(jiàn)圖7-21(a)，磁通在1630 Vs處保持不變(見(jiàn)圖7-21(e)。故

22、障清除后，電壓恢復(fù)，此時(shí)由60 Hz及9 Hz電壓分量共同作用產(chǎn)生的磁通偏移量使變壓器飽和。當(dāng)變壓器磁通大于磁通電流特性曲線(xiàn)的拐點(diǎn)時(shí)，變壓器的磁化電流曲線(xiàn)將出現(xiàn)涌流，該電流中包含被9 Hz信號(hào)調(diào)制過(guò)的60 Hz無(wú)功分量(見(jiàn)圖7-21(d)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-21 母線(xiàn)B2三相接地故障仿真波形圖(a) B2的a相電壓；(b) B2的a相電流；(c) 串補(bǔ)電容的a相電壓；(d) 飽和變壓器的磁化電流；(e) 飽和變壓器的磁通 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.2 基于晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真基于晶閘管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置仿真并聯(lián)補(bǔ)償裝置在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)中都有廣泛的應(yīng)

23、用。在輸電網(wǎng)中，其主要功能是改善潮流可控性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸能力；在配電網(wǎng)中，其主要功能是提高負(fù)荷電能質(zhì)量和減小負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的不利影響(如不對(duì)稱(chēng)性、諧波等)。并聯(lián)補(bǔ)償裝置按照使用的開(kāi)關(guān)器件及其主電路結(jié)構(gòu)的不同分為四類(lèi)，分別是機(jī)械投切阻抗型并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備、旋轉(zhuǎn)電機(jī)式并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備、晶閘管投切型并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備和基于變換器的可控型并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 本節(jié)討論的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)屬于晶閘管投切型并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，它是在機(jī)械投切式并聯(lián)電容和電感的基礎(chǔ)上，采用大容量晶閘管代替斷路器等觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)而發(fā)展起來(lái)的。分立式SVC包括可控飽和電抗器(SR)、晶閘管投切電容(TSC)和晶閘

24、管控制/投切電感(TCR/TSR)。它們之間或者它們與傳統(tǒng)的機(jī)械投切電容/電感結(jié)合起來(lái)構(gòu)成組合式SVC。SimPowerSystems/Phasor Elements子庫(kù)中已有SVC模塊，該模塊可仿真任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SVC，并可與Powergui模塊結(jié)合對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。但是對(duì)于大系統(tǒng)的低頻振蕩(通常是0.022 Hz)，這種分析需要占用3040 s甚至更長(zhǎng)的仿真時(shí)間。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 因此，本節(jié)對(duì)典型結(jié)構(gòu)的SVC建立了一個(gè)詳細(xì)模塊，該模塊采用定步長(zhǎng)(50 ms)離散算法，運(yùn)行時(shí)間可縮短到幾秒鐘。7.2.1 系統(tǒng)描述系統(tǒng)描述 打開(kāi)SimPowerSystems

25、/demo子庫(kù)中的模型文件power_ svc_1tcr3tsc，得到如圖7-22所示的SVC仿真系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)由短路功率為6000 MVA的RL電壓源和200 MW的負(fù)荷串聯(lián)組成，負(fù)荷側(cè)并聯(lián)了一個(gè)300 Mvar的SVC設(shè)備。以文件名circuit_svc另存該文件，以方便修改。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-22 SVC仿真系統(tǒng)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 1. SVC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)SVC的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)735 kV/16 kV、333 MVA的耦合變壓器，一個(gè)109 Mvar的TCR，三個(gè)94 Mvar的TSC。通過(guò)導(dǎo)通或阻斷TSC可以向變壓器二次繞組輸送四種容性無(wú)功功率，

26、分別是0、94、188、282 Mvar；通過(guò)控制TCR可以得到從0109 Mvar連續(xù)變化的感性無(wú)功功率。 因?yàn)樽儔浩鞯穆┛篂?.15 p.u.，變壓器的漏抗XT為 1153. 03331615. 02TX(7-8) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 當(dāng)SVC吸收109 Mvar感性無(wú)功功率時(shí)，對(duì)應(yīng)的感抗XL為當(dāng)SVC發(fā)送282 Mvar容性無(wú)功功率時(shí)，對(duì)應(yīng)的容抗XC為所以從變壓器一次繞組側(cè)看入的最大感抗XLmax為(7-11) 3486. 2109162LX 9078. 0 282162C2BCQVX 4639. 23486. 21153. 0LTmaxLXXX(7-9) (7-10)

27、第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 從變壓器一次繞組側(cè)看入的最小感抗XLmin為以100 Mvar、16 kV為基準(zhǔn)值，可以得到等效電納為(7-12) 7925. 0 9078. 01153. 0CTminLXXX.u.p 04. 11001612maxLmaxLXB.u.p 23. 31001612minLminLXB(7-13) (7-14) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 因此，從變壓器一次繞組側(cè)看入的等效電納可以連續(xù)地從1.04 p.u./100 MVA到+3.23 p.u./100 Mvar變化。圖7-22中的“SVC控制”子系統(tǒng) (SVC Controller)對(duì)變壓器一次繞組

28、側(cè)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并產(chǎn)生觸發(fā)脈沖以觸發(fā)TCR和TSC中的24個(gè)晶閘管，這些晶閘管的導(dǎo)通或阻斷決定了變壓器一次繞組側(cè)看入的電納值。利用“Look under Mask”功能，打開(kāi)TCR和TSC子系統(tǒng)，分別如圖7-23和圖7-24所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-23 TCR子系統(tǒng)第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-24 TSC子系統(tǒng)第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 由圖7-23和圖7-24可見(jiàn)，TCR和TSC為 連接，這種接線(xiàn)方式在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)可以阻止3的倍數(shù)次諧波流入系統(tǒng)，從而減小注入系統(tǒng)的諧波含量。2. SVC控制子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)打開(kāi)“SVC控制”子系統(tǒng) (SVC Co

29、ntroller)，如圖7-25所示?！癝VC控制”子系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)主要有以下四種。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-25 “SVC控制”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 (1) “測(cè)量”(Measurement System)子系統(tǒng)：對(duì)一次繞組側(cè)的電壓正序分量進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)利用離散FFT技術(shù)求取一個(gè)周期內(nèi)的基頻電壓?？紤]到系統(tǒng)頻率的變化，該系統(tǒng)輸入端口與PLL模塊相連。(2) “電壓調(diào)節(jié)”(Voltage Regulator)子系統(tǒng)：通過(guò)PI調(diào)節(jié)將一次繞組電壓調(diào)節(jié)到指定參考值(本例中為1.0 p.u.)。該電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)上并聯(lián)了一個(gè)電壓下調(diào)環(huán)節(jié)以獲得v-i特性(本例

30、中斜率為0.01 p.u./100 MVA)。因此，當(dāng)SVC的運(yùn)行點(diǎn)由全電容(300 Mvar)向全電感(100 Mvar)變化時(shí)，SVC的電壓在10.03=0.97 p.u.到1+0.01=1.01 p.u.之間變化。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 (3) “分配單元”(Distribution Unit)子系統(tǒng)：利用電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)計(jì)算得到的一次繞組側(cè)的電納值確定TCR的觸發(fā)延遲角和3個(gè)TSC的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。觸發(fā)延遲角a和TCR的電納BTCR之間具有如下關(guān)系：其中，BTCR是在TCR額定功率(109 Mvar)下的標(biāo)幺值。)2sin()(2TCRaaB(7-15) 第7章 高壓電力系統(tǒng)

31、的電力裝置仿真 (4) “觸發(fā)單元”(Firing Unit)子系統(tǒng)：由三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)均相同，由一個(gè)PLL模塊和一個(gè)脈沖發(fā)生模塊構(gòu)成。其中，PLL模塊用于和變壓器二次側(cè)線(xiàn)電壓同步；脈沖發(fā)生器模塊利用分配單元子系統(tǒng)計(jì)算得到的觸發(fā)延遲角和TSC狀態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并分別觸發(fā)TCR和各個(gè)TSC。在該子系統(tǒng)參數(shù)對(duì)話(huà)框中選擇“同步方式” (Synchronized)發(fā)送脈沖，可以更快地降低諧波。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.2.2 SVC的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性打開(kāi)可編程電壓源模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框，設(shè)置在t=0.1 s時(shí)，電壓幅值由1.004 p.u.變化到1.029

32、p.u.；在t=0.4 s時(shí)，電壓幅值由1.029 p.u.變化到0.934 p.u.；在t=0.7 s時(shí)，電壓幅值由0.934 p.u.恢復(fù)到1.004 p.u.。打開(kāi)SVC控制系統(tǒng)參數(shù)對(duì)話(huà)框，將SVC的控制方式選為“電壓調(diào)節(jié)” (Voltage regulation)方式，并設(shè)置參考電壓為1.0 p.u.。開(kāi)始仿真，觀察SVC上的波形，如圖7-26所示。圖中波形依次為變壓器一次繞組側(cè)電壓、變壓器一次繞組側(cè)電流、流入變壓器一次側(cè)的無(wú)功功率、SVC端口電壓均值和參考值、TCR觸發(fā)角、導(dǎo)通的TSC個(gè)數(shù)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 仿真開(kāi)始時(shí)，SVC未投入使用，系統(tǒng)單相的等效電路如圖7-2

33、7所示。其中電源內(nèi)部電壓為1.004 p.u.，由該等效圖很容易求得SVC的端口電壓，即A點(diǎn)電壓VA為.u.p 000. 111 .3030004. 12AV(7-16) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 由于SVC的參考電壓為1.0 p.u.，因此SVC為懸置狀態(tài)，端口電流為0(見(jiàn)圖7-26(b)，在這種運(yùn)行方式下，TSC1導(dǎo)通(QC=94 Mvar，見(jiàn)圖7-26(f)，TCR基本全通(=96，見(jiàn)圖7-26(e)。0.1 s時(shí)，電源電壓忽然增大到1.029 p.u.，SVC端口電壓也增大到1.025 p.u.， SVC開(kāi)始吸收無(wú)功功率(QL= 95 Mvar)，使得電壓回落到1.01 p.

34、u.，電壓從1.025 p.u.回落到1.0250.95(1.0251.01) p.u.所用的時(shí)間大約為0.135 s (見(jiàn)圖7-26(d)。在這種運(yùn)行方式下，TSC全部關(guān)斷(見(jiàn)圖7-26(f)，TCR基本全通(=94，見(jiàn)圖7-26(e)。0.4 s時(shí)，電源電壓跌落到0.934 p.u.，SVC開(kāi)始向系統(tǒng)發(fā)送無(wú)功功率(QC= 256 Mvar，見(jiàn)圖7-26(c)，使得電壓增大到0.974 p.u第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 .(見(jiàn)圖7-26(d)，3個(gè)TSC均導(dǎo)通(見(jiàn)圖7-26(f)，TCR吸收40%左右的額定感性無(wú)功功率(=120，見(jiàn)圖7-26(e)。從圖7-26(e)和圖7-26(f

35、)的波形可見(jiàn)，TSC每導(dǎo)通一組，TCR均要由阻態(tài)到通態(tài)變化一次。最后，在t=0.7 s時(shí)，電壓恢復(fù)到1.0 p.u. (見(jiàn)圖7-26(d)，SVC輸送的無(wú)功功率減為0(見(jiàn)圖7-26(c)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-26 SVC仿真波形(a) 變壓器一次側(cè)電壓；(b) 變壓器一次側(cè)電流；(c) 變壓器一次側(cè)無(wú)功功率；(d) 電壓均值和參考值；(e) TCR觸發(fā)角；(f) 導(dǎo)通的TSC個(gè)數(shù) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-27 SVC未投入使用時(shí)的系統(tǒng)單相等效電路 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 本模型文件中的“信號(hào)和示波器”(Signal & Scopes)子系統(tǒng)中

36、包含了各種電壓、電流觀測(cè)量。例如，圖7-28所示為連接在變壓器二次側(cè)A相和B相上的TCR電壓、電流波形和對(duì)應(yīng)的晶閘管觸發(fā)脈沖。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-28 TCR上電壓、電流和晶閘管觸發(fā)脈沖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.2.3 TSC1換相失敗的仿真換相失敗的仿真TSC關(guān)斷時(shí)將在TSC的電容中留有殘壓。如果脈沖的觸發(fā)時(shí)刻出現(xiàn)錯(cuò)誤，TSC的管子上將出現(xiàn)很大的過(guò)電流。打開(kāi)SVC控制子系統(tǒng)中的Timer模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框，將參數(shù)對(duì)話(huà)框中的參數(shù)100改為1，這樣，在t=0.121 s時(shí)，SVC控制器將向TSC1發(fā)送觸發(fā)脈沖。開(kāi)始仿真，觀察TSC1中電壓和電流的變化如圖7-29所

37、示。圖中波形從上到下依次為變壓器二次繞組側(cè)ab相線(xiàn)電壓和TSC1中電容器Cab上的電壓、TSC1中晶閘管上的電壓、TSC1中電容器Cab的電流、TSC1晶閘管上的觸發(fā)脈沖。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 由圖可見(jiàn)，0.121 s時(shí)，TSC已經(jīng)被阻斷，且晶閘管上承受的正向電壓最大，這時(shí)誤發(fā)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管導(dǎo)通并產(chǎn)生一個(gè)巨大的過(guò)電流(18 kA)，該電流過(guò)零后熄滅，晶閘管開(kāi)始承受反向電壓，幅值達(dá)到85 kV。通常，為了避免晶閘管承受大的過(guò)電壓和過(guò)電流沖擊，需要在晶閘管上加裝金屬氧化物避雷裝置。但本節(jié)例子未考慮這種情況，讀者可以自己動(dòng)手改進(jìn)。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-29 換相失

38、敗時(shí)TSC1上的電壓和電流波形(a) 變壓器二次繞組側(cè)ab相線(xiàn)電壓和TSC1的Cab上的電壓；(b) TSC1中晶閘管上的電壓；(c) TSC1的Cab上的電流；(d) TSC1晶閘管上的觸發(fā)脈沖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.3 基于基于GTO的靜止同步補(bǔ)償裝置仿真的靜止同步補(bǔ)償裝置仿真靜止同步補(bǔ)償裝置(STATCOM)屬于基于變換器的可控型并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，它可以從感性到容性平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率。STATCOM容量不同，采用的結(jié)構(gòu)也不相同。大功率的STATCOM(幾百M(fèi)var)通常采用GTO、方波電源型變換器(VSC)結(jié)構(gòu)，小功率的STATCOM(幾十Mvar)采用IGBT、脈寬調(diào)制式V

39、SC結(jié)構(gòu)。SimPowerSystems/FACTS子庫(kù)中有相量形式的STATCOM模塊，該模塊是一個(gè)簡(jiǎn)化模塊，可仿真不同種類(lèi)的STATCOM，并可與Powergui模塊結(jié)合對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 但是對(duì)于大系統(tǒng)的低頻振蕩(通常是0.022 Hz)，這種分析需要占用3040 s甚至更長(zhǎng)的仿真時(shí)間。因此本節(jié)建立了一個(gè)詳細(xì)的STATCOM模塊，通過(guò)方波、48脈沖的VSC和多個(gè)變壓器互連的方法抑制諧波，并采用定步長(zhǎng)(25 s)離散算法，可以在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)STATCOM運(yùn)行特性的分析。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.3.1 系統(tǒng)描述系統(tǒng)描述打開(kāi)

40、SimPowerSystems庫(kù)的demo子庫(kù)中的模型文件power_statcom_gto48p，得到圖7-30所示的仿真系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)由三個(gè)500 kV的等效電壓源通過(guò)長(zhǎng)度為200 km、75 km和180 km的三條輸電線(xiàn)路連接構(gòu)成，其中，電壓源的短路功率分別為8500 MVA、6500 MVA和9000 MVA，短路功率為8500 MVA的等效電壓源為可編程電壓源，100 Mvar的STATCOM設(shè)備并聯(lián)在母線(xiàn)B1側(cè)。以文件名circuit_ statcom另存該文件，以方便修改。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-30 STATCOM仿真系統(tǒng)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真

41、 1. STATCOM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)STATCOM由一個(gè)三電平48脈沖的逆變器加兩個(gè)串聯(lián)的3000 F電容組成。電容器相當(dāng)于可調(diào)直流電壓源，該直流電壓源的幅值在19.3 kV附近變化，并通過(guò)逆變器輸出60 Hz交流電壓。雙擊STATCOM子系統(tǒng)，進(jìn)入STATCOM內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖7-31所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-31 STATCOM子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖中，4個(gè)三相三電平逆變器通過(guò)4個(gè)移相變壓器分別移相+7.5和7.5后連接在一起。移相變壓器一次側(cè)繞組串聯(lián)，這種接線(xiàn)方式可以抑制小于45次的所有奇次諧波(23次和25次諧波除外)。二次繞組接成Y型或型

42、可以消去5+12n次(5，17，29，41，)和7+12n次(7，19，31，43，)諧波。此外，兩組變壓器間相移15(Tr1Y和Tr1D超前7.5，Tr2Y和Tr2D滯后7.5)可以消去11+24n次(11，35，)和13+24n次(13，37，)諧波?？紤]到3的整數(shù)次諧波均無(wú)法流過(guò)變壓器(和Y型連接)，因此，無(wú)法濾除的最小4個(gè)諧波為23次、25次、47次和49次。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 通過(guò)對(duì)三電平逆變器選擇合適的導(dǎo)通角(172.5)，可以將23次和25次諧波含量縮減到最小。因此，由逆變器產(chǎn)生的輸入電網(wǎng)的最小諧波將是47次和49次。使用雙極性直流電壓源，STATCOM產(chǎn)生的電壓

43、基本上就是理想正弦波了。圖7-32所示為觀測(cè)到的變壓器一次側(cè)電壓和對(duì)應(yīng)的諧波分量，從圖中可以清楚地看到47次和49次諧波分量。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-32 48脈沖逆變器產(chǎn)生的電壓和頻譜第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 2. STATCOM控制子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)打開(kāi)“STATCOM控制”子系統(tǒng)，如圖7-33所示。該控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電容器的直流電壓來(lái)控制逆變器輸出的交流電壓的幅值。同時(shí)，該控制系統(tǒng)還要保持與系統(tǒng)電壓同步。該控制子系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)主要有以下五種。(1) “鎖相環(huán)”(PLL)子系統(tǒng)：使GTO觸發(fā)脈沖與系統(tǒng)電壓同步，并向測(cè)量子系統(tǒng)提供參考相角。(2) “測(cè)量”(Mea

44、surement System)子系統(tǒng)：使用abc-dq0變換模塊和移動(dòng)的窗口計(jì)算STATCOM的正序電壓和電流。(3) “電壓調(diào)節(jié)”(Voltage Regulation )子系統(tǒng)：通過(guò)將參考電壓和測(cè)量子系統(tǒng)輸出的電壓進(jìn)行比較，輸出參考感性電流。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 該子系統(tǒng)上并聯(lián)了一個(gè)電壓下調(diào)環(huán)節(jié)以獲得v-i特性(本例中斜率為0.03 p.u./100 MVA)。因此，當(dāng)STATCOM的運(yùn)行點(diǎn)由全電容(100 Mvar)向全電感(100 Mvar)變化時(shí)，STATCOM的電壓在10.03=0.97 p.u.到1+0.03=1.03 p.u.之間變化。(4) “電流調(diào)節(jié)”(Cu

45、rrent Regulation )子系統(tǒng)：利用“電壓調(diào)節(jié)”子系統(tǒng)輸出的參考感性電流來(lái)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓相對(duì)系統(tǒng)電壓的移相角a。(5) “觸發(fā)脈沖發(fā)生器”(Firing Pulses Generator)子系統(tǒng)：利用“PLL”子系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)子系統(tǒng)輸出的移相角，來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并觸發(fā)4個(gè)逆變器。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-33 “STATCOM控制”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.3.2 STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性打開(kāi)短路功率為8500 MVA的可編程電壓源模塊參數(shù)對(duì)話(huà)框，設(shè)置在t=0.1 s時(shí)，電壓幅值由1.0491 p.u.變化

46、到1.002 p.u.；t=0.2 s時(shí)，電壓幅值由1.002 p.u.變化到1.096 p.u.；t=0.3 s時(shí)，電壓幅值恢復(fù)到1.0491 p.u.。打開(kāi)STATCOM控制子系統(tǒng)參數(shù)對(duì)話(huà)框，將SVC的控制方式選為“電壓調(diào)節(jié)” (Voltage regulation)方式，并設(shè)置參考電壓為1.0 p.u.。開(kāi)始仿真，觀察STATCOM上的波形，如圖7-34所示。圖中波形依次為STATCOM變壓器二次側(cè)電壓、STATCOM交流側(cè)電壓、STATCOM交流側(cè)電流、STATCOM交流側(cè)無(wú)功功率、母線(xiàn)B1正序電壓和參考值、STATCOM直流側(cè)電壓。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-34 ST

47、ATCOM仿真波形第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 仿真開(kāi)始時(shí)，設(shè)置電源電壓為1.0491 p.u.，按7.2.2節(jié)方法，很容易得到STATCOM終端電壓為1.0 p.u.。由于參考電壓為1.0 p.u.，STATCOM初始狀態(tài)為懸置，因此線(xiàn)路電流為0，直流電壓為19.3 kV。t=0.1 s時(shí)，STATCOM交流側(cè)電壓忽然跌落到0.955 p.u.，STATCOM開(kāi)始向系統(tǒng)輸出無(wú)功功率(Q=70 Mvar)，使得電壓恢復(fù)到0.979 p.u.。電壓從0.955 p.u.恢復(fù)到0.955+0.95(0.979-0.955) p.u.所用的時(shí)間大約為0.045 s左右。這時(shí)，直流電壓增大到20

48、.4 kV。t=0.2 s時(shí)，STATCOM交流側(cè)電壓增大到1.045 p.u.，STATCOM從容性阻抗變?yōu)楦行宰杩?，并從系統(tǒng)吸收72 Mvar無(wú)功功率以維持電壓為1.021 p.u.，對(duì)應(yīng)的直流電壓減小到18.2 kV。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 觀察STATCOM交流側(cè)的電壓電流可見(jiàn)，電流在一個(gè)周期內(nèi)就由容性電流變?yōu)楦行噪娏髁?。最后，在t=0.3 s時(shí)，電壓恢復(fù)到1.0 p.u.，STATCOM輸送的無(wú)功功率減為0。圖7-35所示為STATCOM在感性和容性運(yùn)行方式下的電壓和電流波形。圖中波形包括STATCOM交流側(cè)電壓Va-Prim、STATCOM變壓器二次側(cè)電壓Va-Sec、

49、STATCOM交流側(cè)電流Ia-Prim。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-35 不同運(yùn)行方式下STATCOM的電壓和電流波形(a) 容性；(b) 感性 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 可見(jiàn)，當(dāng)STATCOM在容性狀態(tài)(Q=70 Mvar)下運(yùn)行時(shí)，逆變器產(chǎn)生的交流電壓比變壓器一次側(cè)電壓高，與系統(tǒng)電壓同相，電流超前電壓90，STATCOM發(fā)出無(wú)功功率。當(dāng)STATCOM在感性狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，逆變器產(chǎn)生的交流電壓比變壓器一次側(cè)電壓低，電流滯后電壓90，STATCOM吸收無(wú)功功率。本模型文件中的“信號(hào)和示波器”(Signal & Scopes)子系統(tǒng)中包含了各種電壓電流觀測(cè)量。例如，圖7-3

50、6所示為調(diào)節(jié)直流電壓時(shí)觸發(fā)延遲角a的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)維持在0.5左右的相移角度a將產(chǎn)生一個(gè)很小的有功功率，以補(bǔ)償變壓器和變換器的損耗。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-36 觸發(fā)延遲角a的變化第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.4 基于晶閘管的基于晶閘管的HVDC系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真本節(jié)將用12脈沖晶閘管變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)的建模。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)中考慮了擾動(dòng)的影響。7.4.1 系統(tǒng)描述系統(tǒng)描述打開(kāi)SimPowerSystems庫(kù)demo子庫(kù)中的模型文件power_ hvdc12pulse，可以直接得到圖7-37所示的仿真系統(tǒng)，以文件名circuit_hvdc

51、另存。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-37 基于晶閘管的HVDC仿真系統(tǒng)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-37中，500 kV、5000 MVA、60 Hz的交流系統(tǒng)通過(guò)1000 MW的直流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)與345 kV、10000 MVA、50 Hz的交流系統(tǒng)相連。兩個(gè)交流系統(tǒng)相角均為80，基頻為60 Hz和50 Hz，并帶有3次諧波。兩個(gè)變換器通過(guò)300 km的線(xiàn)路和0.5 H的平波電抗器連接起來(lái)。1. HVDC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)雙擊進(jìn)入圖7-37中的“整流環(huán)節(jié)”(Rectifier)子系統(tǒng)，如圖7-38所示。其中，變換器變壓器用三相三繞組變壓器模塊等效替代，接線(xiàn)方式為Y0-Y-接線(xiàn)，變換

52、器變壓器的抽頭用一次繞組電壓的倍數(shù)(整流器選0.90，逆變器選0.96)來(lái)表示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-38 “整流環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 雙擊進(jìn)入圖7-38中的“整流器”子系統(tǒng)，如圖7-39所示。圖中，整流器是用兩個(gè)通用橋模塊串聯(lián)而成的12脈沖變換器。“逆變環(huán)節(jié)”(Inverter)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和“整流環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似。從交流側(cè)看，HVDC變換器相當(dāng)于諧波電流源；從直流側(cè)看，HVDC變換器相當(dāng)于諧波電壓源。交流和直流側(cè)包含的諧波次數(shù)由變換器的脈沖路數(shù)p決定，分別為kp1(交流側(cè))和kp(直流側(cè))次諧波，其中k為任意整數(shù)。對(duì)于本例而言，脈沖為1

53、2路，因此交流側(cè)諧波分量為11次、13次、23次、25次，直流側(cè)諧波分量為12次、24次第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-39 “整流器”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 為了抑制交流側(cè)諧波分量，在交流側(cè)并聯(lián)了交流濾波器。交流濾波器為交流諧波電流提供低阻抗并聯(lián)通路，在基頻下，交流濾波器還向整流器提供無(wú)功。打開(kāi)圖7-37中的“濾波器”(AC filters)子系統(tǒng)，如圖7-40所示?？梢?jiàn)，交流濾波器電路由150 Mvar的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、高Q值(100)的11次和13次單調(diào)諧濾波器、低Q值(3)的減幅高通濾波器(24次諧波以上)組成。圖7-37中的兩個(gè)斷路器模塊分別用來(lái)模擬整

54、流器直流側(cè)故障和逆變器交流側(cè)故障。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 2. HVDC控制子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)圖7-37所示系統(tǒng)中包括三個(gè)控制子系統(tǒng)，分別為“整流器控制和保護(hù)” (Rectifier Control and Protection)子系統(tǒng)、“逆變器控制和保護(hù)”(Inverter Control and Protection)子系統(tǒng)、“主控制”(Master Control)子系統(tǒng)。“整流器和逆變器的控制和保護(hù)”子系統(tǒng)可以通過(guò)直接復(fù)制SimPowerSystems /Extra Library/Discrete Control Blocks中的Discrete 12-Pulse HVDC

55、 Control模塊獲得，該模塊可以選擇為整流或者逆變控制工作狀態(tài)?！爸骺刂啤弊酉到y(tǒng)產(chǎn)生電流參考信號(hào)并對(duì)直流側(cè)功率輸送的起始和結(jié)束時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-40 “濾波器”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 這三個(gè)控制子系統(tǒng)中包含的模塊及作用如表7-1所示。表表7-1 HVDC控制子系統(tǒng)包含的模塊及作用控制子系統(tǒng)包含的模塊及作用第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 整個(gè)系統(tǒng)在仿真過(guò)程中均被離散化，除了少數(shù)幾個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的采樣時(shí)間為1 ms或者2 ms外，大部分模塊的采樣時(shí)間為50 ms。7.4.2 直流和交流系統(tǒng)的頻率響應(yīng)直流和交流系統(tǒng)的頻率響應(yīng)本節(jié)對(duì)直

56、流側(cè)和交流側(cè)的頻率響應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)。復(fù)制3個(gè)阻抗測(cè)量模塊到該模型文件中并分別命名為Zrec、Zinv和ZDC。將阻抗測(cè)量模塊Zrec和Zinv分別連接在整流側(cè)和逆變側(cè)交流系統(tǒng)的A相和B相線(xiàn)路上。將阻抗測(cè)量模塊ZDC的一端接在直流線(xiàn)路和平波電抗器之間，另一端接地。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 需要注意的是：由于阻抗測(cè)量模塊只對(duì)線(xiàn)性電路有效，因此在做阻抗分析時(shí)，系統(tǒng)中的所有非線(xiàn)性元件均被忽略，所以換流器的全部晶閘管都是斷開(kāi)的。此外，阻抗測(cè)量模塊Zrec和Zinv測(cè)出的是兩相的阻抗，需要打開(kāi)阻抗測(cè)量模塊Zrec和Zinv參數(shù)對(duì)話(huà)框，將增益參數(shù)修改為0.5。打開(kāi)Powergui模塊的阻抗依頻特性測(cè)量

57、功能窗口，設(shè)置頻率范圍為0:2:1500 Hz，坐標(biāo)為線(xiàn)性阻抗和線(xiàn)性頻率。單擊“更新”按鍵后可得到HVDC系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性如圖7-41所示。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 可見(jiàn)，在60 Hz交流系統(tǒng)上有兩個(gè)最小的阻抗值，分別對(duì)應(yīng)于660 Hz和780 Hz；在50 Hz交流系統(tǒng)上也有兩個(gè)最小的阻抗值，分別對(duì)應(yīng)于550 Hz和650 Hz，這是由11次諧波和13次諧波濾波器造成的串聯(lián)諧振。此外，600 Mvar的并聯(lián)電容也在整流側(cè)和逆變側(cè)分別產(chǎn)生180 Hz和220 Hz的諧振。將圖7-41(a)在60 Hz處放大，可以得到60 Hz處的阻抗為56.75 ，對(duì)應(yīng)的整流側(cè)三相短路容量P為MV

58、A 440575.565002P(7-17) 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-41 HVDC系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性(a) Zrec；(b) Zinv；(c) ZDC 第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 7.4.3 系統(tǒng)啟系統(tǒng)啟/停的穩(wěn)態(tài)和階躍響應(yīng)停的穩(wěn)態(tài)和階躍響應(yīng)仿真時(shí)，首先使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，之后對(duì)參考電流和參考電壓進(jìn)行一系列動(dòng)作，如表7-2所示，觀察控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。表表7-2 系統(tǒng)控制參數(shù)的變化系統(tǒng)控制參數(shù)的變化第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 開(kāi)始仿真。打開(kāi)整流器和逆變器示波器，得到電壓和電流波形如圖7-42所示。圖7-42(a)為整流側(cè)得到的相關(guān)波形，從上到下依次為以標(biāo)幺值

59、表示的直流側(cè)線(xiàn)路電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線(xiàn)路電流和實(shí)際參考電流、以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角、整流器控制狀態(tài)。圖7-42(b)為逆變側(cè)得到的相關(guān)波形，從上到下依次為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線(xiàn)路電壓和直流側(cè)參考電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線(xiàn)路電流和實(shí)際參考電流、以角度表示的第一個(gè)觸發(fā)延遲角、逆變器控制狀態(tài)、熄弧角參考值和最小熄弧角。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 圖7-42 HVDC系統(tǒng)啟/停時(shí)整流器和逆變器仿真波形(a) 整流側(cè)；(b) 逆變側(cè)第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 從圖7-42可見(jiàn)，晶閘管在0.02 s時(shí)導(dǎo)通，電流開(kāi)始增大，在0.3 s時(shí)達(dá)到最小穩(wěn)態(tài)參考值0.1 p.u.，同時(shí)直流線(xiàn)

60、路開(kāi)始充電使得直流電壓為1.0 p.u.，整流器和逆變器均為電流控制狀態(tài)；0.4 s時(shí)，參考電流從0.1 p.u.斜線(xiàn)上升到1.0 p.u.(2 kA)，0.58 s時(shí)直流電流到達(dá)穩(wěn)定值，整流器為電流控制狀態(tài)，逆變器為電壓控制狀態(tài)，直流側(cè)電壓維持為1 p.u.(500 kV)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，整流器的觸發(fā)延遲角在16.5附近，逆變器的觸發(fā)延遲角在143附近。逆變器子系統(tǒng)還對(duì)兩個(gè)6脈沖橋的各個(gè)晶閘管的熄弧角進(jìn)行測(cè)量，熄弧角參考值為12，穩(wěn)態(tài)時(shí)，最小熄弧角在22附近。第7章 高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真 0.7 s時(shí)，參考電流出現(xiàn)0.2 p.u.的變化。1.0 s時(shí)，參考電壓出現(xiàn)0.1 p.u.的偏移