HVDC控制系统建模及仿真分析
vsc-hvdc建模与仿真
毕 业 设 计（论 文）院 系 电气与电子工程学院 专业班级 电气1405班 生姓名 葛青宇指导教师 文俊二○一七年四月题 目高压直流输电系统的建模与仿真 ——以VSC-HVDC 为例摘要得益于大功率全控型电力电子器件的发展，基于电压源换流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)技术已经有了许多成果。
由于该技术较于传统的高压直流输电明显的技术和经济优势，它得到了多方面的关注，并在一定程度上得到了应用。
而VSC-HVDC控制策略有许多，本文在分析各种控制策略的原理及特点之后提出有效的控制策略，随后设计出各环节控制器实现对VSC-HVDC系统的控制。
本文首先介绍了基于电压源换流器的高压直流输电技术的基本原理，讨论并比较了多种控制策略，得到适用于本文中讨论的VSC-HVDC系统的控制策略——整流器直流侧采用定有功功率控制交流侧采用定无功功率控制，逆变器直流侧采用定直流电电压控制模式交流侧也采用定无功功率控制。
随后分析了电压源换流器的控制方法及其控制器结构，分别介绍了PLL环节、外环控制回路和内环控制回路的功能及原理，并完成了各环节控制器设计。
根据选择的控制策略，利用MATLAB软件建立了相应的VSC-HVDC的稳态、含扰动的暂态以及三相接地故障的仿真模型。
通过对仿真结果的分析，验证了VSC-HVDC的优良特性。
关键词：VSC-HVDC；PWM；电压源换流器；MATLAB仿真目录第1章.前言 (3)第2章.VSC-HVDC的基本原理 (3)第3章.VSC-HVDC系统控制 (6)3.1.PWM基本原理介绍 (6)3.2.VSC-HVDC系统控制策略 (7)3.3.电压源换流器各控制器设计 (8)3.3.1.电压源换流器控制结构 (8)3.3.2.锁相环（PLL） (8)3.3.3.外环控制（Outer Active-Reactive Power and Voltage Loop） (9)3.3.4.内环电流控制器（Inner Current Loop） (11)第4章.VSC-HVDC的MATLAB仿真及结果分析 (12)4.1.VSC-HVDC稳态情况仿真 (12)4.2.VSC-HVDC有功、无功和直流电压的阶跃响应情况仿真 (14)4.3.VSC-HVDC交流测电压跌落与三相接地故障情况仿真 (15)4.4.VSC-HVDC仿真结果分析 (17)第5章.总结 (17)第1章.前言传统的高压直流输电系统普遍采用晶闸管和自然换相技术,而晶闸管是一种只具有控制接通而无自关断能力的半控型器件,在换相过程中,需要外部电网提供换相电压,当受端电网比较弱时,容易发生换相失败。
VSC-HVDC整流站相关仿真分析
VSC——HVDC整流站系统仿真与分析作者：杨乃杰4.1结构图为了验证以上讨论的控制策略的可行性和有效性，利用MATLAB软件建立的仿真模型如下：交流系统参数为230kV/2000MVA/50Hz；整流器逆变器都为使用IGBT的三电平NPC电压源换流器，电压源换流器参数为200MVA，+/-100kVDC；调制方式为正弦脉宽调制SPWM，载波频率为基波频率的27倍，1350Hz；直流线路为75km，如图4-1所示。
4-1VSC-HVDC仿真模型图整流侧控制器的仿真模型图整流侧换流器功率外环控制器的仿真模型图整流侧换流器电流内环的仿真模型图4.2仿真结果与分析VSC-HVDC有功、无功和直流电压的阶跃响应情况仿真系统首先进入稳态。
然后整流器的有功功率和无功功率、逆变器的直流电压相继发生阶跃变化。
在t=1.5秒时，第一个阶跃变化为有功功率1p.u.降到0.9p.u.；功率在大概0.3秒的时间内保持稳定。
在t=2.0秒时，整流器的无功功率由0变为-0.1p.u.；总仿真时间为3秒。
图4-2标幺值为1时的整流侧仿真波形从上到下波形图分别为直流电压波形、有功功率波形、无功功率波形、三相电压波形和三相电流波形。
其中整流侧标幺值为1，定无功功率为0MW，由上图可知有功功率与无功功率迅速到达给定值，直流母线侧电压恒定，故电压能够快速的地达到整定值200KV。
图4-3标幺值为1时的整流侧三相电压波形（上）和三相电流波形（下）图4-3可知标幺值为1的情况下，三相电流和三相电压同向。
分析：实现了阶跃P和阶跃Q 指令的及时响应，从而快速调节潮流4.2.2潮流反向时整流侧仿真波形图4-4潮流反向时的仿真波形图4-4为潮流反向时的仿真波形，由上到下分别为直流电压波形、有功功率波形、无功功率波形、三相电压波形和三相电流波形。
标幺值为-1，定无功功率Q为0MW，由上图可知有功功率与无功功率迅速到达给定值，直流母线侧电压恒定，故电压能够快速的地达到整定值200KV。
基于PSCAD的宜华HVDC系统建模及仿真
第S5卷第12期2018年6月25日电测与仪表Electrical Measurement & InstrumentationVol.55 No. 12Jun.25,2018基于PSCAD 的宜华HVDC 系统建模及仿真曾健\顾丹珍i，崔勇2,戴海锋1(1.上海电力学院，上海200090; 2.上海市电力公司电力科学研究院，上海200437)摘要:运用成熟的电磁仿真工具P S C A D ，深人研究宜都-华新髙压直流输电（H V D C )工程。
参考该工程的实际 数据，搭建的一次侧输电系统包含了交流系统、换流变压器、滤波器等其他组件的详细模型。
搭建的二次侧控制系统模型是在CIGRE 测试模型控制端的基础上修改的，并且详细介绍了控制系统的逻辑和原理。
基于一次 和二次侧系统模型建立宜华H V D C 工程的仿真模型,并对其进行正常和故障状态下的模拟实验，验证了本模 型的稳定性以及本模型可准确模拟宜华高压直流输电系统，可以作为对宜华高压直流输电进一步研究的有效 平台。
关键词:高压直流;宜华工程;P S C A D ;建模仿真;故障验证中图分类号:T M 93文献标识码:B文章编号:1001-1390(2018)12^0125^06Modeling and simulation of Yidu-Huaxin HVDC transmission systembased on PSCADZeng Jian1，Gu Danzhen 1, Cui Yong 2 , Dai Haifeng 1(7.Shanghai University of Electric Power 9 Shanghai 200090, China .2. Electric Power Research Institute of Shanghai Electric Power Company , Shanghai 200437, China )Abstract ： This paper studies the Yidu-Huaxin H V D C transmission engineering in-depth through PSCAD electromag netic simulation software . The detailed models of the primary system including A C system , converter transformer , A C / D C f i l t e r and other components are b uil t by using the actual data of t h i s project . The control system model in the sec - ondary side i s re ferring t o CIGRE model . This paper introduced the l ogic and principle of the control system in det ai l . Based on the primary system model and the secondary system model , the simulation model of Yidu-Huaxin H V D C sys tem i s built , and experimental simulation i s conducted in both normal and f a u l t conditions . The simulation r esu l t ve ri f i e s the s t a b i l i t y of the model and the model can accurately simulate the Yidu-Huaxin H V D C system , so i t can be used as a platform f o r further research on Yidu-Huaxin H V D C system .Keywords ： H V D C , Yidu-Huaxin project , P S C A D , model simulation , f a u l t ver i f i c a t i o n〇引言中国能源的分布与生产区域是逆向的，为了使 能源得到优化配置，更好地供应生产地区，主要通过 高压直流输电来实现,高压直流输电优势体现在可 实现两大电力系统非同频联网运行，输送功率大，抑 制低频振荡提高稳定性，节约土地资源以及电能损 耗大大降低等方面[1]。
向无源网络供电的VSC_HVDC系统仿真研究
向无源网络供电的VSC_HVDC系统仿真研究无源电网是指没有独立的发电设备，而是通过连接到其他电网中的发电机来获取电力的电网系统。
VSC（Voltage-Source Converter） HVDC （High Voltage Direct Current）系统是一种特殊的HVDC系统，它通过使用可控的开关设备，将交流电转换为直流电，并将其输送到远距离的电网。
VSC_HVDC系统是无源电网供电的一种重要方式，对VSC_HVDC系统的仿真研究可以有效地评估系统的性能和稳定性。
本文将对VSC_HVDC系统的仿真研究进行探讨，并分析其在无源电网供电方面的应用。
首先，在进行VSC_HVDC系统仿真研究时，需要确定仿真模型的准确性。
仿真模型应包含所有与系统相关的元件和参数，如电力电子器件、控制系统和传输线路等。
同时，仿真应考虑不同负载条件下的电力输送情况，以评估系统的稳定性和性能。
其次，在进行VSC_HVDC系统仿真研究时，需要考虑到电力电子器件的特性和控制策略的选择。
电力电子器件是实现交流到直流转换的关键部件，选择合适的器件可以提高系统的效率和稳定性。
控制策略将影响系统的响应和稳定性，在仿真研究中需要对不同的控制策略进行比较和评估。
此外，无源网络供电的VSC_HVDC系统需要考虑到电力平衡和频率控制的问题。
在无源电网中，电力平衡和频率控制是引入外部电网的重要问题。
通过仿真研究，可以对系统的平衡和控制方法进行优化，以提高系统的稳定性和性能。
最后，进行VSC_HVDC系统仿真研究时，还需考虑到系统的故障处理和保护机制。
在发生故障时，VSC_HVDC系统需要能够迅速稳定，并采取相应的保护措施以防止进一步损坏。
在仿真研究中，可以模拟不同类型的故障情况，并对系统的稳定性和保护机制进行评估。
综上所述，对无源电网供电的VSC_HVDC系统进行仿真研究可以为系统的优化和改进提供重要的参考。
通过准确的仿真模型、合适的电力电子器件和控制策略的选择、电力平衡和频率控制以及故障处理和保护机制的考虑，可以提高系统的性能和稳定性，以满足无源电网供电的需求。
基于RTDS的MMC-HVDC系统建模与仿真的开题报告
基于RTDS的MMC-HVDC系统建模与仿真的开题报告一、研究背景随着电力系统的发展，交流输电和直流输电技术扮演着不同重要的角色。
高压直流输电（HVDC）已经被广泛应用于长距离电力输送和跨越海洋的越大电力输送。
多级换流器（MMC）作为一种最新的HVDC技术，已经越来越受到关注。
MMC拥有多级微电网结构、短路能力强和高可靠性等特点，可以有效地解决传统HVDC技术中的问题，如换流器失效、并接和逆变器过载等问题。
为了深入了解MMC-HVDC系统的运行机理和优越性能，需要进行系统级建模和仿真。
由于MMC形式的多级结构和大量的开关器件，MMC-HVDC系统的建模和仿真非常复杂。
因此，需要选择合适的建模工具和仿真平台，以实现对MMC-HVDC系统的快速建模和仿真分析。
基于RTDS（Real-Time Digital Simulator）的MMC-HVDC系统建模和仿真是目前应用最广泛的方法之一，该方法可以快速准确地模拟系统电气特性和故障情况。
RTDS是一种真实的数字仿真器，它模拟实际电力系统中的电源、传输线、输电系统和负载等运行状态，可以实现快速仿真和快速故障切除处理。
因此，通过使用RTDS构建MMC-HVDC系统模型，可以对系统进行准确的电气和动态性能分析。
二、研究目的本研究的主要目的是基于RTDS平台构建MMC-HVDC系统模型，包括MMC模型、直流线模型和升压变压器模型，以实现MMC的电气和动态性能仿真分析，并分析MMC的运行机理和优越性能。
三、研究内容本研究的主要内容包括：1. MMC-HVDC系统的基本理论和技术知识的学习和了解2. RTDS平台的学习和使用3. MMC-HVDC系统模型的建立，包括MMC模型、直流线模型和升压变压器模型4. 系统静态和动态性能的仿真分析，包括直流侧电压/电流波形分析、直流电压/电流调节和传输功率分析等5. MMC运行机理和性能优越性分析四、研究意义本研究的意义在于：1. 加深对MMC-HVDC系统的理解和认识，为电力系统运行和控制提供技术支持2. 探索MMC-HVDC技术在大规模电力输送中的应用，为能源高效传输打下基础3. 为电力系统建模和仿真提供参考和借鉴，促进电力系统技术的发展。
基于Simulink的高压直流输电系统建模与仿真
基于Simulink的高压直流输电系统建模与仿真1. 简介本文档旨在介绍基于Simulink的高压直流（HVDC）输电系统的建模与仿真方法。
高压直流输电系统是一种通过将电能转换为直流电并通过特殊的高压直流电缆进行传输的电力传输方式。
通过建立准确的模型，并进行仿真分析，可以帮助我们更好地理解和优化HVDC输电系统的性能。
2. 模型建立为了建立HVDC输电系统的模型，我们可以利用Simulink软件进行仿真建模。
Simulink是一种功能强大的矩阵模拟工具，它可以帮助我们建立各种物理和电气系统的模型。
在建立HVDC输电系统模型时，需要考虑以下几个关键要素：2.1 直流电源模型首先，我们需要建立直流电源的模型。
直流电源通常由一个直流发生器和一个滤波电容组成。
我们可以利用Simulink内置的电源模块来建立直流电源的模型，并设置合适的参数和电压限制。
2.2 变流器模型接下来，我们需要建立HVDC输电系统中的变流器模型。
变流器负责将交流电转换为直流电，并通过高压直流电缆进行输送。
Simulink提供了多种变流器模型，可以根据实际情况选择合适的模型。
我们需要设置变流器的输入电压、输出电压和功率等参数。
2.3 直流电缆模型HVDC输电系统中的直流电缆是电能传输的关键组成部分。
为了准确建模，我们需要考虑直流电缆的电阻、电感和电容等参数。
Simulink提供了多种电线模型，可以用于建立直流电缆的模型。
我们需要根据实际情况设置直流电缆的参数。
2.4 稳定器模型为了确保HVDC输电系统的稳定运行，需要在系统中添加稳定器模型。
稳定器可以监测并控制系统的电压和功率等参数，以保证电能的稳定传输。
Simulink提供了各种控制器模型，可以用于建立稳定器的模型。
3. 仿真分析利用建立的模型，在Simulink中进行仿真分析可以帮助我们评估HVDC输电系统的性能。
通过仿真，我们可以观察并分析各个组件的工作状态和系统的稳定性。
在进行仿真分析时，可以考虑以下几个方面：3.1 电压和电流波形分析通过仿真，我们可以获得HVDC输电系统中各个组件的电压和电流波形。
基于PSCAD的高压直流输电系统建模和仿真
基于PSCAD的高压直流输电系统建模与仿真摘要：为了配合高压直流输电系统在我国的发展，介绍了高压直流输电系统的基本结构和工作原理，运用PSCAD仿真软件分别建立、分析了HVDC系统的简化模型和CIGRE的HVDC 标准测试系统模型，对四种故障下的暂态响应进行仿真计算，仿真结果表明交直流系统中的任何故障都会使直流输电控制系统的控制模式发生快速切换，且其响应速度很快，即使在交流系统故障未切除的很短时间内，直流控制系统也已能达到一种稳定的控制模式。
关键词：高压直流输电(HVDC)；电流源型换流器；PSCAD；PWM；标准测试系统0 引言高压直流输电今年来发展很快，是我国重要的区域联网方式。
文献[1]指出，我国已建成了世界上第一个±800kV的最高直流电压等级的特高压直流输电工程，且计划在2020年前投运的直流输电工程将超过30个，学习和掌握直流输电技术成为电力电子技术领域及电力工程领域工作人员不可缺少的知识构成。
本文利用PSCAD仿真软件对HVDC系统进行了由简单到复杂的建模和仿真，对其运行特性进行观测和研究，是在高压直流输电课程的学习之后的总结与提升，为以后的深入学习奠定基础。
在简化模型中，直流输电系统简化为以不可控整流器、平波电抗器和逆变器相连接的交流电源，逆变器的触发脉冲由PWM调制生成，观测整流输出电流和逆变输出电压。
在较复杂的CIGRE的直流输电标准测试系统模型中，采用可控的双桥12脉动换流器作为整流器和逆变器，观测交直流侧电压、电流。
1 HVDC系统简介4图1 长距离式HVDC系统主接线1—交流系统2—换流变压器3—脉动换流器4—平波电抗器5—交流滤波器6—直流滤波器高压直流输电由将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路和将直流电变换为交流电的逆变器三部分构成，因此从结构上看，高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路。
到目前为止，工程上绝大部分直流输电的换流器(又称换流阀，包含整流器和逆变器)由半控型晶闸管器件组成，称采用这种换流器的直流输电为常规高压直流输电。
控制系统建模及仿真综合设计总结
控制系统建模及仿真综合设计总结
控制系统建模及仿真是现代控制理论和工程实践中非常重要的环节。
通过对系统进行建模和仿真，可以实现对系统行为和性能的分析、优化和预测。
以下是控制系统建模及仿真综合设计的总结：
1. 确定系统的目标和需求：系统的目标和需求是建模和仿真的基础，需要明确系统的控制目标、工作条件、输入输出特性等。
2. 收集系统的信息：收集系统的相关信息，包括系统结构、工作原理、参数等。
可以通过文献调研、实验测试等方式获取。
3. 进行系统建模：根据系统的特性和要求，选择合适的建模方法。
常见的建模方法包括状态空间法、传递函数法、仿真模型法等。
根据建模方法，建立系统的数学模型。
4. 进行系统仿真：利用仿真软件，将系统的数学模型转化为计算机可执行的模型，并设计仿真实验。
根据实验设置系统的输入信号，进行仿真计算并得到系统的输出响应。
5. 分析和优化系统性能：对仿真结果进行分析，评估系统的控制性能。
可以利用仿真结果，进行参数调节、控制算法优化等操作，以提升系统的性能。
6. 验证仿真结果：将仿真结果与实际系统的实验结果进行比较，验证仿真模型的准确性和可靠性。
若有差异，可以对仿真模型进行修正和优化。
7. 编写综合设计报告：根据仿真结果和优化方案，编写综合设计报告，包括系统的建模过程、仿真实验的设置、仿真结果的分析和优化方案的描述等。
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HVDC控制系统建模及仿真分析
【摘要】高压直流输电（HVDC）具有送电距离远、经济性好等优点，成为我国重要的区域联网方式。
本文介绍了高压直流输电系统的基本结构和工作原理，重点探讨了高压直流输电极控制系统的主要功能，运用仿真软件PSCAD/EMTDC对高压直流输电系统中极控系统的最主要功能进行了数学建模，并给出了仿真波形和结论分析。
【关键词】高压直流输电极控系统PSCAD/EMTDC 控制特性仿真分析
1 绪论
直流输电（HVDC）的发展历史到现在已有百余年了，其在输电技术发展初期曾发挥作用，但存在直流电机串接运行复杂，高电压大容量直流电机存在换相困难等技术问题，发展进展缓慢[1]。
近年，随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，晶闸管逐渐淘汰汞弧阀，使高压直流输电技术日趋完善，建设费用不断下降，可靠性提高，直流输电越来越显示出它的重要性，目前在大功率远距离输电、交流系统间异步联接等方面都得到了广泛的应用[2，3]。
2 高压直流输电系统原理
2.1 换流器的基本原理
换流器的功能是实现交流-直流或者直流-交流的变换。
交流发电机发出的交流电力，送到换流站，经过换流变压器变压和实现电隔离之后，接到换流器，将交流转换成直流，通过直流平波电抗器和输电线路送到线路另一端的换流站，再变换成交流电供给受端系统中的负荷[4，5]。
2.2 换相失败的原理
在直流输电系统中，由于整流器阀在电流关断后的较长时间内处于反向电压下，所以仅当触发电路发生故障时，整流器才发生换相失败。
直流输电系统中大部分换相失败都发生在逆变器，换相失败是逆变器最常见的故障[6]，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆[7]。
3 高压直流输电系统建模
由于本文在CIGRE模型的基础上加设定电压控制，所建直流系统为双桥12脉动单极大地返回式直流输电系统。
两侧交流系统均用戴维南定理进行等值，整流侧交流系统额定线电压为345kV，额定直流电压为500kV，额定直流传输功率1000MW，短路比为2.5∠84°；逆变侧交流系统额定线电压为230kV，短路比为
2.5∠75°，两侧阀通过直流母线串接平波电抗器相连。
[8]
4 HVDC系统仿真分析
4.1 稳态运行分析
稳态运行特性即模拟高压直流输电系统正常状态下的工作状况。
启动过程耗时数百毫秒，逐步升高直流电压和直流电流，也称软起动。
这种启动方式可有效防止直流输电线路的对地电容和直流功率突变对交流系统的大扰动。
启动时，整流侧、逆变侧均为定电流控制。
启动成功后，减小逆变器的越前触发角β，触发角的变化速率缓和，使直流电压达到设定值。
在t=0.35s时达到稳态，稳态时，整流测运行在定电流控制模式，逆变测运行在定电压控制模式，整流侧触发角α维持在21°，逆变侧触发角为141°。
通过仿真运行，稳态时直流电压、电流和触发角与预计值相符。
4.2 直流线路短路故障及其再启动分析
直流短路的特征是：交流侧通过换流器形成交替发生的两相短路和三相短路；短路会瞬时的引起整流器电流增加，并使逆变器电流减小。
此时，整流器的电流控制的作用是降低直流电压，并使电流回到它的正常整定值Id；在逆变器中，电流变得比电流控制器参考整定值I小。
结果，逆变器的运行方式从定电压控制转变为定电流控制，这使逆变器电压减小到零。
故障时，整流测初始会造成短路故障电流的过冲，这是由于线路电容放电引起的；而逆变侧直流电流减小，两侧直流电压均跌落。
此外，在该故障方式下，整流侧控制器作用会使其α角增大，再启动回路起作用时，使得系统整流侧触发角快速升高至150°，整流侧直流电流发生过冲而超过整定值，两侧VDCOL均动作，使电流指令值减小。
而逆变侧在控制器的作用下会迅速使β、γ角增大，然后逐渐趋于稳定。
5 结论及展望
本文对所建立的PSCAD/EMTDC直流模型进行了模拟仿真。
通过仿真分析可以看出，高压直流输电控制系统的响应速度非常快，在发生故障时，为了降低故障影响并快速恢复，直流输电控制系统的控制模式会发生快速切换，相互配合。
这种调节方式特别适用于受端交流系统等值阻抗较大的场合。
[9]
HVDC在我国仍处于新兴发展阶段，我国地域辽阔，能源分布不平衡，远距离大容量输电势在必行。
利用高压直流输电作异步联网在技术、经济和安全性等方面的优势已在世界范围内得到证明。
因此高压直流输电技术必将以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网两方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。
参考文献：
[1]余涛，郑竞宏.HVDC及其控制系统动态稳定性的理论分析[J].电力系统自动化2002.06.
[2]M.O.Faruque，Yuyan Zhang，Venkata Dinavahi. Detailed Modeling of CIGR？HVDC Benchmark System Using PSCAD/EMTDC and PSB/SIMULINK [J].IEEE.
[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力工业出版社，2004.
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[6]任震，欧开健，荆勇.直流输电系统换相失败的研究[J].电力自动化设备，2003，23（5）.
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[9]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京：水利电力出版社，1985.。