電力系統(tǒng)的MATLABSIMULINK仿真與應(yīng)用

第7章高壓電力系統(tǒng)的電力裝置仿真7.1輸電線路串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置仿真

7.2基于晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置仿真

7.3基于GTO的靜止同步補(bǔ)償裝置仿真

7.4基于晶閘管的HVDC系統(tǒng)仿真

7.5基于VSC的HVDC系統(tǒng)仿真

7.1輸電線路串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置仿真

串聯(lián)電容補(bǔ)償就是在線路上串聯(lián)電容器以補(bǔ)償線路的電抗。采用串聯(lián)電容補(bǔ)償是提高交流輸電線路輸送能力、控制并行線路之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，超高壓輸電線路加裝串聯(lián)補(bǔ)償后會引發(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)問題，而且在故障和重合閘動作時可能會在系統(tǒng)中引起很大的過電壓。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。圖7-1系統(tǒng)單相電路圖7.1.1系統(tǒng)描述

圖7-1中，6臺350MVA的發(fā)電機(jī)通過一條單回路600km的輸電線路與短路容量為30000MVA的系統(tǒng)相連。輸電線路電壓等級為735kV，由兩段300km的線路串聯(lián)組成，工頻為60Hz。為了提高線路輸送能力，對兩段300km的線路L1和L2進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償，補(bǔ)償度為40%，兩段線路上均裝設(shè)330Mvar的并聯(lián)電抗器，用于限制高壓線路的工頻過電壓和操作過電壓。補(bǔ)償設(shè)備接到母線B2的線路側(cè)，B2通過一個300MVA、735kV/230kV/25kV的變壓器向230kV側(cè)的250MW負(fù)荷供電，變壓器接線方式為Y0-Y0-D。

圖7-2串聯(lián)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)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。圖7-3仿真系統(tǒng)模型打開SimPowerSystems庫demo子庫中的模型文件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。圖7-3中，發(fā)電機(jī)選用簡化的同步電機(jī)模塊，兩個變壓器是通用的雙繞組和三繞組變壓器模塊，其中和母線B2相連的三相三繞組變壓器為飽和變壓器。母線B1、B2和B3為三相電壓電流測量模塊，通過設(shè)置黑色背景可以使這些模塊具有母線的形式。三相電壓電流測量模塊輸出的三相相電壓和線電流用標(biāo)幺值表示。故障發(fā)生在線路1的串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置左側(cè)，在第1個周期末發(fā)生a相接地故障，線路1兩側(cè)的斷路器CB1、CB2在第5個周期后三相斷開以切除故障線路，第6個周期后a相接地故障消失。雙擊圖7-3中的“串聯(lián)電容補(bǔ)償”(SeriesComp.1)子系統(tǒng)，打開子系統(tǒng)如圖7-4所示。圖7-4由三個完全相同的子系統(tǒng)構(gòu)成，一個子系統(tǒng)代表一相線路。打開“串聯(lián)電容補(bǔ)償a相”(SeriesComp.1/PhaseA)子系統(tǒng)，如圖7-5所示。

圖7-5中的電容器Cs的容抗值為輸電線路感抗的40%，具體計算如下。

首先打開分布參數(shù)線路參數(shù)對話框，求出300km輸電線路正序感抗XL為

(7-1)

需補(bǔ)償?shù)娜菘怪礨C為0.4XL，即

(7-2)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)圖7-5“串聯(lián)電容補(bǔ)償a相”子系統(tǒng)

圖7-5中的MOV元件由SimPowerSystems/Elements中的“避雷器”(SurgeArrester)模塊等效。MOV用于防止電容器過電壓。當(dāng)電容電壓超過額定電壓2.5倍后，MOV將電壓鉗位到最大允許電壓Vprot：

其中，In為線電流有效值，取值為2kA。(7-4)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上承受的能量超過閾值時，間隙放電。與放電間隙串聯(lián)的RL支路是用來限制電容電流上升率的阻尼電路。“能量和放電間隙觸發(fā)”(Energy&Gapfiring)子系統(tǒng)完成對放電間隙Gap的控制，仿真系統(tǒng)模型如圖7-6。該系統(tǒng)對MOV中的能量進(jìn)行積分計算，當(dāng)能量值大于30MJ時發(fā)送合閘信號到斷路器模塊Gap中，斷路器合閘，實現(xiàn)間隙放電。

打開圖7-3中300MVA、735/230/25kV的三相三繞組變壓器模塊的參數(shù)對話框，注意電流—磁通飽和特性用標(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。圖7-6仿真系統(tǒng)模型7.1.2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)。

點擊Powergui模塊的“潮流計算和電機(jī)初始化”按鍵，打開窗口如圖7-7所示。設(shè)置節(jié)點類型為PV節(jié)點，電機(jī)輸出的有功功率為15MW，初始電壓為13.8kV，即1p.u.。圖7-7初始狀態(tài)設(shè)置單擊“更新潮流”(UpdateLoadflow)按鍵，更新后的電機(jī)線電壓相量、線電流相量、電磁功率、無功功率、機(jī)械功率、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和勵磁電壓顯示在圖7-7的左側(cè)子窗口中。

退出Powergui模塊，打開電機(jī)參數(shù)對話框，可以觀測到“電機(jī)的初始狀態(tài)”(machineinitialconditions)已經(jīng)被系統(tǒng)自動更新了，同時，和電機(jī)輸入端口Pm、E相連的機(jī)械功率和勵磁電壓被更新為Pmec=1515.9MW(0.72184p.u.)、E?=?1.0075p.u.。

點擊Powergui模塊的“穩(wěn)態(tài)電壓電流分析”按鍵，打開窗口如圖7-8所示。通過該窗口可以得到各母線上的穩(wěn)態(tài)電壓電流，從而進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析。圖7-8穩(wěn)態(tài)電壓電流分析7.1.3暫態(tài)分析

打開“三相故障模塊”參數(shù)對話框，設(shè)置1/60s時發(fā)生a相接地故障，0.01s后故障消失。設(shè)置線路1兩側(cè)的斷路器CB1、CB2在5/60s時三相斷開并切除故障線路。

1.線路1發(fā)生a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)對話框中設(shè)置仿真結(jié)束時間為0.2s，算法為變步長ode23tb。開始仿真，得到母線B2上的三相電壓和電流波形如圖7-9所示。a相接地故障時的三相短路電流波形如圖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。圖7-9a相接地故障時母線B2的三相電壓電流波形(a)三相電壓；(b)三相電流圖7-10a相接地故障時的三相短路電流波形圖7-11a相接地故障時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

可見，仿真開始時，系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。t=0.0167s時，a相發(fā)生接地故障，最大故障電流為10kA(見圖7-10)，MOV每半個周期導(dǎo)通一次(見圖7-11(b))，使得MOV中存儲的能量階梯上升(見圖7-11(c))。當(dāng)t?=?0.0833s時，線路上的繼保裝置動作，斷路器CB1和CB2斷開(見圖7-9(b))，MOV中儲存的能量不再發(fā)生變化，維持為13MJ(見圖7-11(c))。由于MOV中存儲的能量未超過閾值30MJ，因此放電間隙不動作，Gap上的電壓緩慢減小(見圖7-11(a))。斷路器斷開后，故障電流降到一個非常小的數(shù)值并在第1個過零點時降為0(見圖7-10)；串聯(lián)電容器中的殘余電荷通過線路、短路點和并聯(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220kV附近波動(見圖7-11(a))。

在MATLAB命令窗口中輸入命令

tic;sim(gcs);toc

得到上述仿真的運行時間為5.4s，因此有必要提高仿真運行速度。

打開Powergui模塊，將系統(tǒng)離散化，步長取為50μs，在仿真參數(shù)對話框中選用定步長離散算法。再次仿真，運行時間縮短為2.37s。因此，接下來的分析均采用離散化仿真方法。

圖7-12三相接地故障時母線B2上的三相電壓和電流波形(a)三相電壓；(b)三相電流

2.線路1發(fā)生三相接地故障

打開“三相故障模塊”參數(shù)對話框，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。圖7-13三相接地故障時的三相短路電流波形圖7-14三相接地故障時串聯(lián)補(bǔ)償裝置上的相關(guān)波形(a)?Gap電壓；(b)?MOV電流；(c)?MOV能量由圖可見，在MOV中能量存儲的速度明顯高于單相接地故障，能量在故障后3個周期時到達(dá)30MJ的門檻閾值(見圖7-14(c))，于是放電間隙Gap被觸發(fā)，串聯(lián)電容器通過氣隙放電，電容器上電壓在線路斷路器斷開前已快速降至0(見圖7-14(a))。由于此時斷路器尚未動作，因此母線B2上電壓降為0，第5個周期后，斷路器動作，將故障與母線B2隔離，母線B2上電壓逐步得到恢復(fù)(見圖7-12(a))。7.1.4頻率分析

當(dāng)輸電線路采用串聯(lián)電容補(bǔ)償時，會引入一個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)阻抗的零點附近時，就會出現(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。

首先修改系統(tǒng)圖，從本模型文件中刪除“簡化同步電機(jī)模塊”(SimplifiedSynchronousMachine)，用“三相電源模塊”(Three-PhaseSource)替代。打開“三相電源模塊”參數(shù)對話框，將“三相電源模塊”中的阻抗參數(shù)設(shè)置成與簡化同步電機(jī)的阻抗參數(shù)相同，如圖7-15所示。圖7-15等效三相電源參數(shù)設(shè)置從SimPowerSystems/Measurements子庫中復(fù)制“阻抗測量”模塊到本模型文件中，將該模塊連接到母線B2的a相和b相線路上，得到a相和b相的阻抗之和。將阻抗測量模塊參數(shù)對話框中的“增益參數(shù)”(Multiplicationfactor)改為0.5，即可得到一相阻抗。

打開Powergui模塊的“阻抗依頻特性測量”窗口，設(shè)置頻率范圍為0:500Hz，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)均為線性表示，單擊“更新”按鍵后得到阻抗的依頻特性如圖7-16所示。圖7-16阻抗依頻特性可見，系統(tǒng)有三種振蕩模式，分別在頻率9Hz、175Hz和370Hz處。其中9Hz為串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的并聯(lián)諧振頻率，175Hz和370Hz是由600km分布參數(shù)線路導(dǎo)致的諧振頻率。清除故障時，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B2的短路容量的計算。將圖7-16在60Hz處的阻抗依頻特性放大，可以得到60Hz處的阻抗值R為58Ω，因此三相短路容量P為(7-7)7.1.5母線B2故障時的暫態(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故障的能力。因此修改系統(tǒng)圖，并對母線B2上三相接地故障的暫態(tài)過程進(jìn)行分析。

將三相故障模塊接到母線B2上，打開參數(shù)對話框，按圖7-17進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這樣在t?=?2/60s時將發(fā)生三相接地故障。

打開斷路器模塊CB1和CB2，按圖7-18所示取消三相開關(guān)動作的復(fù)選框，表示三相開關(guān)不可操作。這樣，斷路器保持初始的合閘狀態(tài)不再動作，線路將不會從系統(tǒng)中被切除。圖7-17母線B2三相接地故障設(shè)置圖7-18母線B2三相接地故障時斷路器設(shè)置為了清楚觀察B2母線上的a相電壓，從Simulink/SignalsRouting子庫中復(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)”(DataAcquisitionsubsystem)中，按圖7-19(a)連接在B2母線電壓輸出端和示波器之間，并設(shè)置選擇器模塊參數(shù)對話框中“元素”(Elements)個數(shù)為1(見圖7-19(b))。

為了讀取飽和變壓器的磁通和磁化電流值，將“萬用表”模塊復(fù)制到本模型文件中。打開“三相三繞組變壓器”模塊參數(shù)對話框，在“測量參數(shù)”列表框中選擇測量“磁通和磁化電流”(見圖7-20(a))。打開“萬用表”模塊參數(shù)對話框，在“萬用表”模塊中選擇顯示a相的磁化電流和磁通(見圖7-20(b))。利用“信號分離”(Demux)模塊可將萬用表模塊的兩個輸出信號分離出來并通過示波器顯示。圖7-19添加選擇器模塊(a)接線；(b)參數(shù)設(shè)置(a)(b)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)對話框；(b)萬用表參數(shù)對話框打開菜單欄[Simulation>Simulationparameter]，將仿真結(jié)束時間設(shè)為0.5s以便更好地觀察9Hz的次同步振蕩。

開始仿真，仿真結(jié)果如圖7-21所示。

圖7-21從上到下依次為母線B2上的a相電壓、母線B2上的a相短路電流、母線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9Hz的次同步振蕩現(xiàn)象。

故障發(fā)生時，變壓器a相電壓降為0(見圖7-21(a))，磁通在－1630Vs處保持不變(見圖7-21(e))。故障清除后，電壓恢復(fù)，此時由60Hz及9Hz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—電流特性曲線的拐點時，變壓器的磁化電流曲線將出現(xiàn)涌流，該電流中包含被9Hz信號調(diào)制過的60Hz無功分量(見圖7-21(d))。圖7-21母線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

7.2基于晶閘管的靜止無功補(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)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)荷對電網(wǎng)的不利影響(如不對稱性、諧波等)。并聯(lián)補(bǔ)償裝置按照使用的開關(guān)器件及其主電路結(jié)構(gòu)的不同分為四類，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。本節(jié)討論的靜止無功補(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式開關(guān)而發(fā)展起來的。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)合起來構(gòu)成組合式SVC。

SimPowerSystems/PhasorElements子庫中已有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)合對電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行分析。但是對于大系統(tǒng)的低頻振蕩(通常是0.02～2Hz)，這種分析需要占用30～40s甚至更長的仿真時間。因此，本節(jié)對典型結(jié)構(gòu)的SVC建立了一個詳細(xì)模塊，該模塊采用定步長(50ms)離散算法，運行時間可縮短到幾秒鐘。

7.2.1系統(tǒng)描述

打開SimPowerSystems/demo子庫中的模型文件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6000MVA的RL電壓源和200MW的負(fù)荷串聯(lián)組成，負(fù)荷側(cè)并聯(lián)了一個300Mvar的SVC設(shè)備。以文件名circuit_svc另存該文件，以方便修改。圖7-22SVC仿真系統(tǒng)圖

1.?SVC的結(jié)構(gòu)

SVC的結(jié)構(gòu)包括一個735kV/16kV、333MVA的耦合變壓器，一個109Mvar的TCR，三個94Mvar的TSC。通過導(dǎo)通或阻斷TSC可以向變壓器二次繞組輸送四種容性無功功率，分別是0、94、188、282Mvar；通過控制TCR可以得到從0～109Mvar連續(xù)變化的感性無功功率。

因為變壓器的漏抗為0.15p.u.，變壓器的漏抗XT為(7-8)當(dāng)SVC吸收109Mvar感性無功功率時，對應(yīng)的感抗XL為

當(dāng)SVC發(fā)送282Mvar容性無功功率時，對應(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)(7-9)(7-10)從變壓器一次繞組側(cè)看入的最小感抗XLmin為

以100Mvar、16kV為基準(zhǔn)值，可以得到等效電納為(7-12)(7-13)(7-14)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－1.04p.u./100MVA到+3.23p.u./100Mvar變化。

圖7-22中的“SVC控制”子系統(tǒng)(SVCController)對變壓器一次繞組側(cè)電壓進(jìn)行監(jiān)測，并產(chǎn)生觸發(fā)脈沖以觸發(fā)TCR和TSC中的24個晶閘管，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“LookunderMask”功能，打開TCR和TSC子系統(tǒng)，分別如圖7-23和圖7-24所示。圖7-23TCR子系統(tǒng)圖7-24TSC子系統(tǒng)

由圖7-23和圖7-24可見，TCR和TSC為△連接，這種接線方式在正常穩(wěn)態(tài)運行時可以阻止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)

打開“SVC控制”子系統(tǒng)

(SVCController)，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。圖7-25“SVC控制”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)“測量”(MeasurementSystem)子系統(tǒng)：對一次繞組側(cè)的電壓正序分量進(jìn)行測量。該系統(tǒng)利用離散FFT技術(shù)求取一個周期內(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)”(VoltageRegulator)子系統(tǒng)：通過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1.0p.u.)。該電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)上并聯(lián)了一個電壓下調(diào)環(huán)節(jié)以獲得v-i特性(本例中斜率為0.01p.u./100MVA)。因此，當(dāng)SVC的運行點由全電容(300Mvar)向全電感(－100Mvar)變化時，SVC的電壓在1－0.03?=?0.97p.u.?到1?+?0.01?=?1.01p.u.?之間變化。

(3)“分配單元”(DistributionUnit)子系統(tǒng)：利用電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)計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(109Mvar)下的標(biāo)幺值。

(4)“觸發(fā)單元”(FiringUnit)子系統(tǒng)：由三個獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)均相同，由一個PLL模塊和一個脈沖發(fā)生模塊構(gòu)成。其中，PLL模塊用于和變壓器二次側(cè)線電壓同步；脈沖發(fā)生器模塊利用分配單元子系統(tǒng)計算得到的觸發(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TSC。在該子系統(tǒng)參數(shù)對話框中選擇“同步方式”(Synchronized)發(fā)送脈沖，可以更快地降低諧波。(7-15)7.2.2SVC的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性

打開可編程電壓源模塊參數(shù)對話框，設(shè)置在t?=?0.1s時，電壓幅值由1.004p.u.?變化到1.029p.u.；在t?=?0.4s時，電壓幅值由1.029p.u.?變化到0.934p.u.；在t?=?0.7s時，電壓幅值由0.934p.u.?恢復(fù)到1.004p.u.。打開SVC控制系統(tǒng)參數(shù)對話框，將SVC的控制方式選為“電壓調(diào)節(jié)”(Voltageregulation)方式，并設(shè)置參考電壓為1.0p.u.。

開始仿真，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個數(shù)。仿真開始時，SVC未投入使用，系統(tǒng)單相的等效電路如圖7-27所示。其中電源內(nèi)部電壓為1.004p.u.，由該等效圖很容易求得SVC的端口電壓，即A點電壓VA為(7-16)

由于SVC的參考電壓為1.0p.u.，因此SVC為懸置狀態(tài)，端口電流為0(見圖7-26(b))，在這種運行方式下，TSC1導(dǎo)通(QC=－94Mvar，見圖7-26(f))，TCR基本全通(α=96°，見圖7-26(e))。0.1s時，電源電壓忽然增大到1.029p.u.，SVC端口電壓也增大到1.025p.u.，SVC開始吸收無功功率(QL=95Mvar)，使得電壓回落到1.01p.u.，電壓從1.025p.u.?回落到1.025－0.95

(1.025－1.01)p.u.?所用的時間大約為0.135s(見圖7-26(d))。在這種運行方式下，TSC全部關(guān)斷(見圖7-26(f))，TCR基本全通(α=94°，見圖7-26(e))。0.4s時，電源電壓跌落到0.934p.u.，SVC開始向系統(tǒng)發(fā)送無功功率(QC=256Mvar，見圖7-26(c))，使得電壓增大到0.974p.u

.(見圖7-26(d))，3個TSC均導(dǎo)通(見圖7-26(f))，TCR吸收40%左右的額定感性無功功率(α=120°，見圖7-26(e))。從圖7-26(e)和圖7-26(f)的波形可見，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?=?0.7s時，電壓恢復(fù)到1.0p.u.(見圖7-26(d))，SVC輸送的無功功率減為0(見圖7-26(c))。圖7-26SVC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個數(shù)

本模型文件中的“信號和示波器”(Signal&Scopes)子系統(tǒng)中包含了各種電壓、電流觀測量。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、電流波形和對應(yīng)的晶閘管觸發(fā)脈沖。圖7-28TCR上電壓、電流和晶閘管觸發(fā)脈沖7.2.3TSC1換相失敗的仿真

TSC關(guān)斷時將在TSC的電容中留有殘壓。如果脈沖的觸發(fā)時刻出現(xiàn)錯誤，TSC的管子上將出現(xiàn)很大的過電流。打開SVC控制子系統(tǒng)中的Timer模塊參數(shù)對話框，將參數(shù)對話框中的參數(shù)100改為1，這樣，在t?=?0.121s時，SVC控制器將向TSC1發(fā)送觸發(fā)脈沖。

開始仿真，觀察TSC1中電壓和電流的變化如圖7-29所示。圖中波形從上到下依次為變壓器二次繞組側(cè)ab相線電壓和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。

由圖可見，0.121s時，TSC已經(jīng)被阻斷，且晶閘管上承受的正向電壓最大，這時誤發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管導(dǎo)通并產(chǎn)生一個巨大的過電流(18kA)，該電流過零后熄滅，晶閘管開始承受反向電壓，幅值達(dá)到85kV。

通常，為了避免晶閘管承受大的過電壓和過電流沖擊，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，讀者可以自己動手改進(jìn)。圖7-29換相失敗時TSC1上的電壓和電流波形(a)變壓器二次繞組側(cè)ab相線電壓和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

7.3基于GTO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Mvar)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VSC結(jié)構(gòu)。SimPowerSystems/FACTS子庫中有相量形式的STATCOM模塊，該模塊是一個簡化模塊，可仿真不同種類的STATCOM，并可與Powergui模塊結(jié)合對電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行分析。但是對于大系統(tǒng)的低頻振蕩(通常是0.02～2Hz)，這種分析需要占用30～40s甚至更長的仿真時間。

因此本節(jié)建立了一個詳細(xì)的STATCOM模塊，通過方波、48脈沖的VSC和多個變壓器互連的方法抑制諧波，并采用定步長(25μs)離散算法，可以在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)對STATCOM運行特性的分析。7.3.1系統(tǒng)描述

打開SimPowerSystems庫的demo子庫中的模型文件power_statcom_gto48p，得到圖7-30所示的仿真系統(tǒng)圖。

該系統(tǒng)由三個500kV的等效電壓源通過長度為200km、75km和180km的三條輸電線路連接構(gòu)成，其中，電壓源的短路功率分別為8500MVA、6500MVA和9000MVA，短路功率為8500MVA的等效電壓源為可編程電壓源，100Mvar的STATCOM設(shè)備并聯(lián)在母線B1側(cè)。以文件名circuit_statcom另存該文件，以方便修改。圖7-30STATCOM仿真系統(tǒng)圖

1.?STATCOM的結(jié)構(gòu)

STATCOM由一個三電平48脈沖的逆變器加兩個串聯(lián)的3000μF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19.3kV附近變化，并通過逆變器輸出60Hz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。圖7-31STATCOM子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，4個三相三電平逆變器通過4個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)次諧波均無法流過變壓器(△和Y型連接)，因此，無法濾除的最小4個諧波為23次、25次、47次和49次。

通過對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)生的電壓基本上就是理想正弦波了。圖7-32所示為觀測到的變壓器一次側(cè)電壓和對應(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。圖7-3248脈沖逆變器產(chǎn)生的電壓和頻譜

2.?STATCOM控制子系統(tǒng)

打開“STATCOM控制”子系統(tǒng)，如圖7-33所示。該控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電容器的直流電壓來控制逆變器輸出的交流電壓的幅值。同時，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，并向測量子系統(tǒng)提供參考相角。

(2)“測量”(MeasurementSystem)子系統(tǒng)：使用abc-dq0變換模塊和移動的窗口計算STATCOM的正序電壓和電流。

(3)“電壓調(diào)節(jié)”(VoltageRegulation)子系統(tǒng)：通過將參考電壓和測量子系統(tǒng)輸出的電壓進(jìn)行比較，輸出參考感性電流。該子系統(tǒng)上并聯(lián)了一個電壓下調(diào)環(huán)節(jié)以獲得v-i特性(本例中斜率為0.03p.u./100MVA)。因此，當(dāng)STATCOM的運行點由全電容(100Mvar)向全電感(－100Mvar)變化時，STATCOM的電壓在1－0.03?=?0.97p.u.?到1?+?0.03?=?1.03p.u.?之間變化。

(4)“電流調(diào)節(jié)”(CurrentRegulation)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調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓相對系統(tǒng)電壓的移相角a。

(5)“觸發(fā)脈沖發(fā)生器”(FiringPulsesGenerator)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，來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并觸發(fā)4個逆變器。圖7-33“STATCOM控制”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.3.2STATCOM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性

打開短路功率為8500MVA的可編程電壓源模塊參數(shù)對話框，設(shè)置在t=0.1s時，電壓幅值由1.0491p.u.?變化到1.002p.u.；t=0.2s時，電壓幅值由1.002p.u.?變化到1.096p.u.；t=0.3s時，電壓幅值恢復(fù)到1.0491p.u.。打開STATCOM控制子系統(tǒng)參數(shù)對話框，將SVC的控制方式選為“電壓調(diào)節(jié)”(Voltageregulation)方式，并設(shè)置參考電壓為1.0p.u.。

開始仿真，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)無功功率、母線B1正序電壓和參考值、STATCOM直流側(cè)電壓。圖7-34STATCOM仿真波形仿真開始時，設(shè)置電源電壓為1.0491p.u.，按7.2.2節(jié)方法，很容易得到STATCOM終端電壓為1.0p.u.。由于參考電壓為1.0p.u.，STATCOM初始狀態(tài)為懸置，因此線路電流為0，直流電壓為19.3kV。?t?=?0.1s時，STATCOM交流側(cè)電壓忽然跌落到0.955p.u.，STATCOM開始向系統(tǒng)輸出無功功率(Q?=?70Mvar)，使得電壓恢復(fù)到0.979p.u.。電壓從0.955p.u.?恢復(fù)到0.955?+?0.95?×?(0.979-0.955)p.u.?所用的時間大約為0.045s左右。這時，直流電壓增大到20.4kV。t=0.2s時，STATCOM交流側(cè)電壓增大到1.045p.u.，STATCOM從容性阻抗變?yōu)楦行宰杩?，并從系統(tǒng)吸收72Mvar無功功率以維持電壓為1.021p.u.，對應(yīng)的直流電壓減小到18.2kV。觀察STATCOM交流側(cè)的電壓電流可見，電流在一個周期內(nèi)就由容性電流變?yōu)楦行噪娏髁?。最后，在t=0.3s時，電壓恢復(fù)到1.0p.u.，STATCOM輸送的無功功率減為0。

圖7-35所示為STATCOM在感性和容性運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、STATCOM交流側(cè)電流Ia-Prim。圖7-35不同運行方式下STATCOM的電壓和電流波形(a)容性；(b)感性可見，當(dāng)STATCOM在容性狀態(tài)(Q?=?70Mvar)下運行時，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)出無功功率。當(dāng)STATCOM在感性狀態(tài)下運行時，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吸收無功功率。

本模型文件中的“信號和示波器”(Signal&Scopes)子系統(tǒng)中包含了各種電壓電流觀測量。例如，圖7-36所示為調(diào)節(jié)直流電壓時觸發(fā)延遲角a?的變化。穩(wěn)態(tài)時維持在0.5°左右的相移角度a?將產(chǎn)生一個很小的有功功率，以補(bǔ)償變壓器和變換器的損耗。圖7-36觸發(fā)延遲角a的變化

7.4基于晶閘管的HVDC系統(tǒng)仿真

本節(jié)將用12脈沖晶閘管變換器實現(xiàn)對高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)的建模。為了檢驗系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)中考慮了擾動的影響。

7.4.1系統(tǒng)描述

打開SimPowerSystems庫demo子庫中的模型文件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另存。圖7-37基于晶閘管的HVDC仿真系統(tǒng)圖

圖7-37中，500kV、5000MVA、60Hz的交流系統(tǒng)通過1000MW的直流聯(lián)絡(luò)線與345kV、10000MVA、50Hz的交流系統(tǒng)相連。兩個交流系統(tǒng)相角均為80°，基頻為60Hz和50Hz，并帶有3次諧波。兩個變換器通過300km的線路和0.5H的平波電抗器連接起來。

1.?HVDC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，接線方式為Y0-Y-△接線，變換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)來表示。圖7-38“整流環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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kp±1(交流側(cè))和kp(直流側(cè))次諧波，其中k為任意整數(shù)。對于本例而言，脈沖為12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……圖7-39“整流器”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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功。打開圖7-37中的“濾波器”(ACfilters)子系統(tǒng)，如圖7-40所示?？梢?，交流濾波器電路由150Mvar的無功補(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中的兩個斷路器模塊分別用來模擬整流器直流側(cè)故障和逆變器交流側(cè)故障。圖7-40“濾波器”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.?HVDC控制子系統(tǒng)

圖7-37所示系統(tǒng)中包括三個控制子系統(tǒng)，分別為“整流器控制和保護(hù)”(RectifierControlandProtection)子系統(tǒng)、“逆變器控制和保護(hù)”(InverterControlandProtection)子系統(tǒng)、“主控制”(MasterControl)子系統(tǒng)?！罢髌骱湍孀兤鞯目刂坪捅Ｗo(hù)”子系統(tǒng)可以通過直接復(fù)制SimPowerSystems/ExtraLibrary/DiscreteControlBlocks中的Discrete12-PulseHVDCControl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)。“主控制”子系統(tǒng)產(chǎn)生電流參考信號并對直流側(cè)功率輸送的起始和結(jié)束時間進(jìn)行設(shè)置。這三個控制子系統(tǒng)中包含的模塊及作用如表7-1所示。表7-1HVDC控制子系統(tǒng)包含的模塊及作用整個系統(tǒng)在仿真過程中均被離散化，除了少數(shù)幾個保護(hù)系統(tǒng)的采樣時間為1ms或者2ms外，大部分模塊的采樣時間為50ms。

7.4.2直流和交流系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

本節(jié)對直流側(cè)和交流側(cè)的頻率響應(yīng)進(jìn)行觀測。復(fù)制3個阻抗測量模塊到該模型文件中并分別命名為Zrec、Zinv和ZDC。將阻抗測量模塊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相線路上。將阻抗測量模塊ZDC的一端接在直流線路和平波電抗器之間，另一端接地。

需要注意的是：由于阻抗測量模塊只對線性電路有效，因此在做阻抗分析時，系統(tǒng)中的所有非線性元件均被忽略，所以換流器的全部晶閘管都是斷開的。此外，阻抗測量模塊Zrec和Zinv測出的是兩相的阻抗，需要打開阻抗測量模塊Zrec和Zinv參數(shù)對話框，將增益參數(shù)修改為0.5。

打開Powergui模塊的阻抗依頻特性測量功能窗口，設(shè)置頻率范圍為0:2:1500Hz，坐標(biāo)為線性阻抗和線性頻率。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。圖7-41HVDC系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性(a)?Zrec；(b)?Zinv；(c)?ZDC7.4.3系統(tǒng)啟/停的穩(wěn)態(tài)和階躍響應(yīng)

仿真時，首先使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，之后對參考電流和參考電壓進(jìn)行一系列動作，如表7-2所示，觀察控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。表7-2系統(tǒng)控制參數(shù)的變化開始仿真。打開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)幺值表示的直流側(cè)線路電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實際參考電流、以角度表示的第一個觸發(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)線路電壓和直流側(cè)參考電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實際參考電流、以角度表示的第一個觸發(fā)延遲角、逆變器控制狀態(tài)、熄弧角參考值和最小熄弧角。圖7-42HVDC系統(tǒng)啟/停時整流器和逆變器仿真波形(a)整流側(cè)；(b)逆變側(cè)從圖7-42可見，晶閘管在0.02s時導(dǎo)通，電流開始增大，在0.3s時達(dá)到最小穩(wěn)態(tài)參考值0.1p.u.，同時直流線路開始充電使得直流電壓為1.0p.u.，整流器和逆變器均為電流控制狀態(tài)；0.4s時，參考電流從0.1p.u.?斜線上升到1.0p.u.(2kA)，0.58s時直流電流到達(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1p.u.(500kV)。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)還對兩個6脈沖橋的各個晶閘管的熄弧角進(jìn)行測量，熄弧角參考值為12°，穩(wěn)態(tài)時，最小熄弧角在22°附近。0.7s時，參考電流出現(xiàn)－0.2p.u.?的變化。1.0s時，參考電壓出現(xiàn)－0.1p.u.?的偏移，此時逆變器的熄弧角仍然大于參考值。1.4s時，觸發(fā)關(guān)斷信號，使得電流斜線下降到0.1p.u.。1.6s時，整流器側(cè)的觸發(fā)延遲角被強(qiáng)制設(shè)為166°，逆變器側(cè)的觸發(fā)延遲角被強(qiáng)制設(shè)為92°，使得直流線路放電。1.7s時兩個變換器均關(guān)斷，控制器控制狀態(tài)為0。變換器控制狀態(tài)有七種，含義如表7-3所示。表7-3變換器控制狀態(tài)及意義7.4.4直流線路故障

進(jìn)入主控制子系統(tǒng)，將參考電流設(shè)置為保持不變，進(jìn)入逆變器控制和保護(hù)子系統(tǒng)，將參考電壓設(shè)置為保持不變。打開直流側(cè)并聯(lián)的斷路器模塊，設(shè)置開關(guān)動作時間，使斷路器在0.7s時導(dǎo)通，在0.75s時斷開。將仿真結(jié)束時間設(shè)置為1.4s。

開始仿真，觀察整流器、逆變器和故障處相關(guān)波形如圖7-43所示。圖7-43HVDC直流線路故障的仿真波形圖(a)整流側(cè)；(b)逆變側(cè)7.4.5逆變器交流側(cè)a相接地故障

打開直流側(cè)并聯(lián)的斷路器模塊，取消斷路器導(dǎo)通動作。打開逆變器交流側(cè)斷路器模塊，使斷路器在0.7s時導(dǎo)通，在0.8s時斷開。

開始仿真，觀察整流器、逆變器和故障處相關(guān)波形如圖7-44所示。圖7-44(a)為整流側(cè)得到的相關(guān)波形，從上到下分別為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實際參考電流、以角度表示的第一個觸發(fā)延遲角。圖7-44(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)線路電壓和直流側(cè)參考電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實際參考電流、以角度表示的第一個觸發(fā)延遲角、最小熄弧角。圖7-44HVDC交流側(cè)故障的仿真波形圖(a)整流側(cè)；(b)逆變側(cè)

注意故障導(dǎo)致直流電壓和直流電流出現(xiàn)了120Hz的振蕩。故障開始時出現(xiàn)了不可避免的換相失敗現(xiàn)象，直流電流激增到2p.u.。t?=?0.8s時清除故障，VDCOL將參考電流調(diào)節(jié)到0.3p.u.，經(jīng)過0.35s后系統(tǒng)恢復(fù)。

逆變器交流側(cè)三相電壓和電流波形如圖7-45所示。圖7-45HVDC系統(tǒng)逆變器交流側(cè)的三相電壓和電流波形圖(a)電壓；(b)電流

7.5基于VSC的HVDC系統(tǒng)仿真

本節(jié)描述VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的建模。VSC-HVDC的主要特征是能夠獨立控制兩個交流系統(tǒng)的有功和無功潮流。

7.5.1系統(tǒng)描述

打開SimPowerSystems庫demo子庫中的模型文件power_hvdc_vsc，可以直接得到圖7-46所示的仿真系統(tǒng)，以文件名circuit_hvdc_vsc另存。圖7-46VSC-HVDC仿真系統(tǒng)圖1圖7-46中，200MVA、+/－100kV的強(qiáng)迫換流型VSC將兩個交流系統(tǒng)相連，兩個交流系統(tǒng)基本參數(shù)均為230kV、2000MVA、50Hz，相角為80°，帶有3次諧波。整流器和逆變器是IGBT/diodes型三電平中性點鉗位式VSC變流器，?IGBT容易控制而且適用于高頻開關(guān)的特性使得VSC-HVDC性能優(yōu)于基于晶閘管的HVDC。整流器和逆變器通過兩條75km的(2段的PI型電路)電纜和兩個8mH的平波電抗器連接。逆變器交流側(cè)有一個三相故障模塊，用來模擬三相接地故障。整流器交流側(cè)的可編程電壓源模塊用來對電壓跌落進(jìn)行仿真。圖7-47“換流站1”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.?VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)

雙擊打開“換流站1”(Station1)子系統(tǒng)，如圖7-47所示。換流站1交流側(cè)包含的設(shè)備有：降壓變換器變壓器、交流濾波器、變換器電抗器，換流站1直流側(cè)包含的設(shè)備有電容器和直流濾波器。1圖7-47中變換器變壓器為Y0-D接線，這種接線可以有效阻止逆變器產(chǎn)生的諧波進(jìn)入電網(wǎng)，同時保證正弦基頻電壓的轉(zhuǎn)換。不考慮變壓器飽和，變壓器抽頭通過變壓器一次繞組額定電壓的倍數(shù)(整流側(cè)取0.915，逆變側(cè)取1.015)來表示，變換器電抗(0.15p.u.)和變壓器漏抗(0.15p.u.)使得VSC輸出的電壓相角和幅值相對系統(tǒng)有一定的偏移，這樣可以對變換器的有功和無功功率進(jìn)行控制。連接在變壓器和整流器間的變換器阻抗(Phasereactor)用來將基頻電壓(濾波器母線Bfilter1)和原始PWM電壓(變換器母線Bconv1)分開。為了抑制交流系統(tǒng)的諧波，交流濾波器的設(shè)計至關(guān)重要。交流側(cè)的諧波分量由以下因素決定：

(1)調(diào)制類型(單相或三相載波等)；

(2)頻率指數(shù)p?=?載波頻率/調(diào)制頻率(本例中，p=1350/50?=?27)；

(3)調(diào)制度m?=?基頻輸出電壓/正負(fù)極間的直流電壓。

由于主要的諧波分量為p的倍數(shù)次諧波，因此圖7-47中交流濾波器并聯(lián)在變換器變壓器二次側(cè)，由27次高通濾波器(18Mvar)和54次高通濾波器(22Mvar)構(gòu)成，如圖7-48所示。由于系統(tǒng)中只有高次諧波，因此設(shè)計交流濾波器為小功率的高通濾波器，而無需調(diào)諧濾波器。對變換器母線A相電壓和濾波器母線A相電壓進(jìn)行FFT分析(利用Powergui)，得到穩(wěn)態(tài)時的電壓和對應(yīng)的諧波分量如圖7-49所示。圖7-48交流濾波器結(jié)構(gòu)圖圖7-49A相電壓和FFT分析(a)變換器母線；(b)濾波器母線圖7-47中，儲能直流電容器Cp1和Cn1連接在VSC的直流側(cè)，它起到穩(wěn)定系統(tǒng)動態(tài)特性和減小直流側(cè)電壓紋波的作用。電容器的電容大小由時間常數(shù)t?決定，其中τ

是以額定電流(1kA)將電容器電壓從0充電到額定電壓(100kV)時所用的時間。本例中，C=70μF，因此，若取Zbase=100kV/1kA的話，時間常數(shù)τ和電容大小C之間滿足關(guān)系(7-18)

2.?VSC控制子系統(tǒng)

變換站1和變換站2各有一個控制系統(tǒng)，兩個控制系統(tǒng)相互獨立。每個控制系統(tǒng)都有兩種控制方式。本例中，變換站1采用“有功和無功”(Active&ReactivePower)控制方式，變換站2采用“直流電壓和無功功率”(DCVoltage&ReactivePower)控制方式。

打開“變換站1的VSC控制”(VSCController(Station1))子系統(tǒng)，如圖7-50所示。圖7-50“變換站1的VSC控制”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

打開“變換站1離散VSC控制”子系統(tǒng)，如圖7-51所示。

該控制系統(tǒng)主要包括以下環(huán)節(jié)：

(1)“鎖相環(huán)”(PLL)子系統(tǒng)：測量系統(tǒng)頻率，并向“dq”變換子系統(tǒng)提供同步相角。

(2)“外部有功、無功和電壓環(huán)”(OuterActiveandReactivePowerandVoltageLoop)子系統(tǒng)：產(chǎn)生換流器電流Iref的d軸和q軸參考值。

(3)“內(nèi)部電流環(huán)”(InnerCurrentLoop)子系統(tǒng)：在負(fù)荷變化和擾動時對電流的快速控制。

(4)“直流電壓平衡控制”(DCVoltageBalanceControl)子系統(tǒng)：保持穩(wěn)態(tài)時三電平橋的直流側(cè)電壓平衡。

(5)“Clarke變換”(ClarkTransformations)子系統(tǒng)：將abc系統(tǒng)的時間變量轉(zhuǎn)換成ab

的空間模量。

(6)“dq變換”(dqTransformations)子系統(tǒng)：從ab

的空間模量變換到dq軸分量。

(7)“信號計算”(SignalCalculations)子系統(tǒng)：計算控制器需要的參數(shù)，如有功、無功功率，調(diào)制度，直流電流和電壓等。圖7-51“變換站1的離散VSC控制”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.5.2動態(tài)特性仿真

采用定步長離散算法，Ts_Power=7.407e-6,Ts_Control=74.07e-6，選擇“加速器”(Simulat-ion>Accelerator)提高運行速度。

1.系統(tǒng)啟/停的穩(wěn)態(tài)和階躍響應(yīng)

系統(tǒng)動作如表7-4所示。表7-4VSC-HVDC仿真系統(tǒng)控制參數(shù)的變化

開始仿真，得到波形如圖7-52所示。圖7-52(a)為變換站1上的相關(guān)波形，從上到下依次為變換站1實測有功功率和有功功率參考值、實測無功功率和無功功率參考值、調(diào)制度。圖7-52(b)為變換站2上的相關(guān)波形，從上到下依次為變換站2實測直流電壓和直流電壓參考值、實測無功功率和無功功率參考值、調(diào)制度。圖7-52系統(tǒng)啟/停時整流器和逆變器仿真波形(a)變換站1；(b)變換站2

2.交流側(cè)擾動

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t?=?1.5s時，變換站1交流側(cè)發(fā)生幅值為0.1p.u.?的電壓跌落擾動，持續(xù)時間0.14s；在t?=?2.1s時，變換站2的交流側(cè)發(fā)生三相接地短路故障，故障持續(xù)時間為0.12s。

主要波形如圖7-53所示。圖7-53交流側(cè)擾動時的相關(guān)波形電壓跌落后，有功和無功功率分別跌落了0.1p.u.?和0.2p.u.(