双极双 12 脉动

案例描述

基于电网换相换流器的高压直流（LCC-HVDC）输电系统具备输送功率大、技术成熟等优势。CloudPSS 标准测试系统涵盖单极 12 脉动、单极双 12 脉动、双极 12 脉动、双极双 12 脉动四种仿真模型，本案例聚焦双极双 12 脉动系统。该系统采用双极并联、每极配置 4 组 6 脉动换流器的结构，实现更稳定地输送更高电压和更低谐波含量，在大容量远距离输电场景中优势显著。

使用方法说明

计算参数

仿真步长：为了准确捕捉换流阀开关瞬间的电磁暂态过程，建议步长需满足 Δt ≤ 1/(50× $f_{switch}$ )，其中 $f_{switch}$ 为开关频率（典型值 $n\times f_{ac},12×50=600Hz$ ）。电磁暂态仿真建议采用 1μs~50μs 步长，避免因步长过大导致换相过程计算失真；当步长过小时可能引发数值不稳定。

参数方案

参数项	数值	单位	备注
故障开始时间	2	s	输入范围 1s - 100s
故障结束时间	2.02	s	输入范围 1s - 100s

算例介绍

算例简介

算例背景

本案例基于 CIGRE HVDC 标准测试系统，构建双极双 12 脉动 LCC-HVDC 系统，由两个换流站及等值直流线路构成。每个换流站采用双极并联架构，每极包含 4 组 6 脉动换流器，串联形成 12 脉动换流单元，可将交流侧谐波次数提升至 24 次、48 次等，显著降低谐波滤波器设计复杂度并提升输送容量。适用于交直流故障模拟、换相失败分析等场景。

应用场景

换流站谐波抑制策略验证（对比不同系统谐波含量）；
直流系统控制策略优化（定电流、定关断角参数整定）；
暂态故障下的系统稳定性评估（如直流短路、换相失败）。

模型构成

双极双 12 脉动模型中，12 脉波桥换流器经换流变压器接入交流母线，母线并联交流滤波器组与电容器组，分别用于滤除谐波和无功补偿。整流侧与逆变侧通过正、负极直流线路连接。

在直流系统的控制系统模型中，整流侧采用定电流控制，逆变侧一般情况下采用定熄弧角控制，并配有低压限流保护环节，如下图所示。

系统原理

脉动换流原理

电压叠加：每极 4 组 6 脉动换流器串联形成 12 脉动单元，双极并联输出电压叠加。理论直流电压表达式为 $V_{dc} = \frac{2 \times 3 \times \sqrt{2} V_{t} \cos\alpha}{\pi} \times 2$ ，输出电压稳定性高，纹波系数小。

谐波特性：直流侧谐波主要集中在 24 次及以上，相较于其他系统，谐波含量显著降低。

无功与谐波

无功需求：换流器运行需从交流系统吸收大量无功，双极双 12 脉动系统因功率较大，需更精准的无功补偿方案。

谐波滤波：滤波器组针对性滤除 24k±1 次等高次谐波，有效提升电能质量。

控制策略

整流侧：采用定直流电流控制，通过 PI 调节器维持 $I_{dcR}$ 稳定，调节触发角 $\alpha$ 实现电流控制。

逆变侧：实施定熄弧角控制，确保熄弧角 $\gamma$ 恒定（ $\gamma = \beta - \omega L_i I_{dc} / V_{t}$ ），防止换相失败。

低压限流保护（LVRT）：当直流电压 $V_{dc}$ 低于设定阈值时启动，限制故障期间直流电流，保护设备安全。

仿真

稳态运行测试

设置仿真步长 10μs，启动电磁暂态仿真后，直流系统快速进入稳态：

直流电压：整流侧与逆变侧电压绝对值均为 1MV，双极并联后呈现一正一负特性。

直流电流：约 0.4s 达到稳态，额定电流绝对值 1kA，双极电流方向相反。

换相失败故障测试

换相失败故障是 LCC-HVDC 中最为常见的故障类型。在逆变侧交流母线上设置三相短路故障，并在运行标签页的参数方案列表中设置故障起止时间，该交流故障可以引起直流系统发生换相失败故障。仿真结果如下图所示：

直流电压：故障时 $V_{dcI}$ 骤降至 -1MV（极性反转），故障切除后约 0.4s 恢复至额定值。

直流电流：故障期间 $I_{dc}$ 飙升至 7.4kA（约 7.4 倍额定值），低压限流保护启动后迅速下降，电压恢复后电流缓慢回升。

分析总结

单极 12 脉动、双极 12 脉动、单极双 12 脉动、双极双 12 脉动系统对比

对比维度	单极 12 脉动	双极 12 脉动	单极双 12 脉动	双极双 12 脉动
核心技术	LCC	LCC	LCC	LCC
基本控制策略	整流侧定电流、逆变侧定熄弧角	整流侧定电流、逆变侧定熄弧角	整流侧定电流、逆变侧定熄弧角	整流侧定电流、逆变侧定熄弧角
电压等级	1倍	1倍	2倍	2倍
稳定性	1倍	2倍	1倍	2倍

案例描述​

使用方法说明​

计算参数​

参数方案​

算例介绍​

算例简介​

算例背景​

应用场景​

模型构成​

系统原理​

脉动换流原理​

无功与谐波​

控制策略​

仿真​

稳态运行测试​

换相失败故障测试​

分析总结​

单极 12 脉动、双极 12 脉动、单极双 12 脉动、双极双 12 脉动系统对比​