特高压直流输电系统触发角和输送功率对网侧谐波影响的仿真分析--《水电能源科学》2013年11期
特高压直流输电系统触发角和输送功率对网侧谐波影响的仿真分析
【摘要】：针对直流输电系统运行方式和功率点多变导致谐波含有率有明显的不确定性问题,分析了换流站特征谐波电流含有率,介绍了直流输电工程中常见的运行方式,利用PSCAD软件建立了特高压直流输电系统模型,仿真分析了触发角和功率变化对换流站网侧电流谐波含有率的影响。结果表明,换流器整流侧触发角增大时,交流网侧谐波含有率会逐渐上升;输送功率越大时,谐波含有率总体越小;输送功率越小时,谐波含有率总体越大。
【作者单位】：
【分类号】：TM721.1
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一种具有直流故障穿越能力的混合直流输电系统
迟触发角迅速降至最小触发角度5°，以维持整流侧直流电压的稳定。逆变侧LCC直流电压和关断角，及MMC直流电压受整流侧故障影响较小，基本稳定在额定值，有小幅波动。直流电流受整流侧故障影响较大，在额定值附近有较大波动。系统传输的有功功率在直流电压与电流的波动影响下，有小幅度跌落，故障期间传输的有功功率最低为900 MW。逆变侧母线电压在MMC定交流电压控制作用下，基本不受整流侧故障影响，稳定在额定值附近。故障清除后，经200 ms系统恢复至稳定运行状态。从仿真结果可知，系统在整流侧母线接地故障情况下具有良好的暂态特性。
逆变侧母线单相接地故障
从图7中的仿真结果可知，当3.5 s发生逆变侧交流母线单相经电感接地故障时，逆变侧LCC关断角降为0，系统发生换相失败。直流电流由于系统换相失败的发生有较大幅度的波动，最高达到
3.2 kA。逆变侧LCC直流电压在故障期间降至115 kV，整流侧直流电压也有200 kV的降落，系统传输的有功功率也随之减少了400 MW。在系统故障期间，MMC直流电压与逆变侧交流母线电压在
MMC控制策略作用下，基本稳定在额定值。故障清除后，经250 ms系统恢复至稳定运行状态。从仿真结果可知，系统在逆变侧母线接地故障情况下也具有良好的暂态特性。
换相失败免疫能力对比分析
为进一步分析混合直流输电系统的故障特性，将CIGRE标准测试模型与混合直流输电系统的故障特性进行了对比分析。二者均具有相同的电压等级和传输容量，而且整流侧LCC也完全相同。不同的是，CIGRE标准测试模型逆变侧是一个12脉动的LCC换流器，而混合系统逆变侧是一个LCC与MMC串联组成的换流器。
2.0 s时，两系统均发生了逆变侧母线单相接地故障，接地电感值为0.6 H，持续时间0.05 s，仿真结果如图8所示，图8(a)为混合直流输电系统故障特性仿真结果，图8(b)为CIGRE标准测试模型故障特性仿真结果。
从图8中仿真结果可知，混合直流输电系统发生故障后，关断角降至10°，系统并未发生换相失败，系统直流电压、直流电流、传输的有功功率与逆变侧交流母线电压基本不受故障影响，仍稳定运
行在额定值附近。
CIGRE标准测试模型在相同故障
V600 k侧/变压逆电500流直400
A2.5k/流 电2.0流直1.5
)40°(/ 角断20关0 W1.2G/
率功1.0功有0.8
流u1.2p交/侧压变电1.0逆线母0.81.4
2.2 2.6 3.0
(a) 混合直流输电
V600 k侧/变压400逆电流200直0 A4k/流 电2流直0
)80°(/ 角断40关0 W1.2G/0.8
率功功0.4有0.0
流u1.2p交/侧压变电1.0逆线母0.81.4
2.2 2.6 3.0
t/s (b) LCC-HVDC
混合直流输电系统与LCC-HVDC故障特性对比 Fig. 8
Comparison of transient performances under AC fault between hybrid HVDC and LCC-HVDC system
水平条件下，关断角迅速降为0，系统发生换相失败，系统直流电压与传输的有功功率大幅跌落，直流电流波动幅度较大，最高达到4.0 kA，逆变侧交流母线电压最低跌落至0.8 pu。
为更深入地比较混合直流输电系统与CIGRE
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子模块混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略 孔明_电子/电路_工程科技_专业资料。...端 柔性直流输电直流系统的故障保护配合的“握手原 则”和一种故障穿越能力指标...第1期 文献 [8~10] 提出了两电平多端柔性直流输电 (VSC-MTDC) 系统的直流...有直流故障快速恢复及系统连续运行能力 , 也即很 强的直流故障穿越能力, 工程...技术原理,并对直流输电系统中的各种相关问题 进行...架空线和电缆混合线路12项,背靠 背直流工程26项。 ...?没有大地回流的实例,海水回流在穿越海峡送电的工程...高压直流输电系统下风电集群并网分析与故障穿越能力研究_工程科技_专业资料 暂无评价0人阅读0次下载举报文档高压直流输电系统下风电集群并网分析与故障穿越能力...(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统(flexible high voltage DC...提出一种具有直流故障 穿越能力的 MMC 改进拓扑。 该拓扑基于二极管嵌位式双子 ...变换的直流输电 (voltage source converter based HVDC,VSC-HVDC)是一种以电压...其中桥臂交替导通多电平换流器和混合级联 多电平换流器均具有直流故障穿越能力...电压为设定值 , 在柔 性直流输电系统中 , 通常选取一个换流站进行直流 电压...策略 , 利用换流器快速响应能力 ,可 提高柔性直流输电系统的故障穿越能力 。 ...交 流滤波器、直流电容器、直流输电线路等组成的两...为了实现 VSC-HVDC 系统功率 的自动平衡,必须有一...稳定性、换流器间的功率 分配、系统的故障穿越能力...直流侧采用常规交流断路器作为直提出了一种针对多端直流输电系统直流侧故障的...次降压启动 , 全压重 启动次数按照所连交流系统强 度和直流系统承受能力确定 ...技术原理,并对直流输电系统中的各种相关问题 进行...架空线和电缆混合线路12项,背靠 背直流工程26项。 ...?没有大地回流的实例,海水回流在穿越海峡送电的工程...下载费用：8 元 &
高压直流输电建模及故障仿真 SOUTHWESTUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY高压直流输电建模及故障仿真学院名称专业名称学生姓名学号指导教师二〇一五年六月西南科技大学本科生毕业论文I高压直流输电建模及故障仿真摘要高压直流输电在远距离大功率输电方面有着明显的优势。研究高压直流输电也有着特殊的意义。本文较详细介绍了高压直流输电（HVDC）系统的基本结构和工作原理。首先基于MATLAB中自带的电力系统模块库（PSB建立了一典型12脉冲桥HVDC系统的仿真模型，然后利用MATLAB/SIMULINK完成了该系统启停和阶跃的响应和交直流线路对地短路典型故障时的仿真，最后得出相应的仿真波形。并且通过观察波形分析该高压直流输电系统的特点。关键词高压直流输电；MATALAB/SIMULINK；电力系统模块；仿真西南科技大学本科生毕业论文IIHVDCMODELINGANDFAULTSIMULATIONABSTRACTHVDCPOWERTRANSMISSIONOVERLONGDISTANCESHASACLEARADVANTAGERESEARCHALSOHASASPECIALSIGNIFICANCETHISPAPERDESCRIBESINDETAILTHEBASICSTRUCTUREANDPRINCIPLEOFHIGHVOLTAGEDIRECTCURRENTTRANSMISSIONHVDCSYSTEMSFIRSTLY,THEPOWERTHATCOMESWITHMATLABSYSTEMBLOCKSETPSB,THESIMULATIONMODELOFATYPICAL12PULSEBRIDGEHVDCSYSTEM,ANDTHENUSEMATLAB/SIMULINKCOMPLETEDTHESTARTSTOPSYSTEMANDSTEPRESPONSEANDACANDDCCIRCUITISSHORTEDTOGROUNDTYPICALFAULTSIMULATION,ANDFINALLYDRAWTHECORRESPONDINGSIMULATIONWAVEFORMSANDTHECHARACTERISTICSOFTHEHIGHVOLTAGEDIRECTCURRENTTRANSMISSIONSYSTEMBYOBSERVINGTHEWAVEFORMANALYSISKEYWORDSHVDC,MATALAB/SIMULINK,POWERSYSTEMMODULE,SIMULATION西南科技大学本科生毕业论文III目录第1章绪论111概述112直流输电系统的优缺点213国内外研究近况与发展前景3131国外直流输电的近几十年状况与发展前景3132国内直流输电的现状与发展前景614高压直流输电系统中存在的问题7141直流输电中的谐波问题7142高压直流断路器的制造7143大地回流造成的接地体腐蚀及对交流系统的影响8144直流输电系统电磁环境对通信系统的影响815本文基本设计内容9第2章本文涉及MATLAB/SIMULINK基础1021MATLAB简介1022SIMULINK的功能与特点1023启动与模块介绍11第3章高压直流输电系统基本结构及原理1331HVDC系统基本结构1332HVDC的建模方法1633直流输电系统的基本原理17331直流输电系统的运行过程17332直流输电系统的基本控制原理17333直流输电系统控制器的结构和参数19第4章高压直流输电系统的建模与仿真2541高压直流输电系统模型建立2542高压直流输电系统仿真28西南科技大学本科生毕业论文IV421高压直流输电系统的起停和阶跃相应仿真29422高压直流输电系统的直流输电线路故障仿真32423高压直流输电系统的逆变侧单相对地短路故障仿真36424高压直流输电系统的逆变侧三相对地短路故障仿真39结论43致谢44参考文献45西南科技大学本科生毕业论文1第1章绪论11概述众所周知，为了大规模地开发能源，往往需要在远离负荷中心处建造大型的水力发电厂、火力发电厂等。因此就需要架设高压或超高压输电线路，以便将强大的电能从发电厂输送到负荷中心。在电力工业的发展初期，采用的就是直流输电。1882年，法国物理学家德普勒用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，以伏特电压，沿着57公里长的电报线路，把电力输送到了在慕尼黑举办的国际展览会上,完成了第一次输电试验，这也是有史以来的第一次直流输电试验。此后，直流输电的电压、功率和距离曾分别达到125千伏，20兆瓦和225公里。但是，由于当时高压直流电源是采用直流发电机串联而得到的，受端电动机也是以串联方式进行的，不但高压大容量直流电机的换向有困难，而且串联的运行方式比较复杂，更加致命的是可靠性还差，因此直流输电在当时没有得到进一步的发展。后来，随着工业的进步和对电力需要的不断增长以及交流电源的出现，特别是发明了高压三相交流发电机和输变电设备，直流输电已经逐渐被高压交流输电所取代。但是，随着输电容量和输送距离的增加，以及电网的不断扩大与复杂化，电力系统稳定就成为突出的问题了。而为了提高远距离输电的容量与稳定度，完全依靠交流输电需要的投资较大，而这时交直流变换技术取得了突破性进展，这就又让人们重新开始研究高压直流输电技术。随着西电东送战略实施及全国互联电网建设步伐的加快，远距离大容量输电势在必行，但仅靠传统的交流输电难以支撑起整个电网的安全稳定运行。特别是在某些特殊的输电条件下由于交流输电的输电走廊及输送容量的限制不得不采取高压直流输电。所谓高压直流输电（HVDC），就是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离依靠直流方式来送电。输电过程为直流，通常用于非同步运行的交流系统之间的连络、海底电缆输电等方面。直流输电功率调节迅速、并且无需考虑功角稳定问题，同电压等级的输送容量约为交流线路的两倍1。高压直流输电技术常被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能，同时在一些不适于用传统交流连接的场合，它也被用于独立电力系统间的连接。世界上第一条商业化西南科技大学本科生毕业论文2的高压直流输电线路于1954年在瑞典诞生，用于连接瑞典本土和哥特兰岛，当时这项工程由阿西亚公司ASEA,今ABB集团完成。与交流输电相比，高压直流输电HVDC具有非同步联络能力强、线路输送容量大、调节迅速、功率容易控制、网损小等优点2，特别在海底电缆送电、远距离大功率输电两个交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用3。我国继舟山直流输电线路投入运行后，广西天生桥至广州的直流输电工程也正式投入双极送电试运行。目前，中国电力工业的发展已进入跨大区电网互联时期,并且正在快速进入全国互联和实现更大范围内资源配置的重要时期，“西电东送”、“南北互供”工程将构成中国互联电网发展的基本格局4。而这些都离不开高压直流输电技术的支持。目前，随着三峡工程的兴建，预计在2020年之前我国即将形成以三峡电站为中心的全国统一电网，将把现今各孤立的大区电网互联成一个统一的整网5。12直流输电系统的优缺点高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性。历史上仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电。下面先就交流电和直流电的主要优缺点作出比较，从而说明它们各自在应用中的价值。交流电的优点主要表现在发电和配电方面利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能水流能，风能，化学能石油，天然气等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便。这是交流电与直流电相比所具有的独特优势。直流电的优点主要在输电方面①输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3～L/2直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约1/3。设两线制直流输电线路输送功率为PD，则PD2UDID；设三线制三相交流输电线路所输送的功率为PA，PAUAIACOSΦ。对于超高压线路，功率因数一般较高，可取为0945。设直流输电电压等于交流输电电压的最大值，即UDUN，且IDIA，则如果考虑到趋肤效应和各种损耗绝缘材料的介质损耗，磁感应的涡流损耗，架空线的电晕损耗等，输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的133倍。因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半。同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地西南科技大学本科生毕业论文3面积也少。②在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗。在一些特殊场合，必须用电缆输电。例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆。由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输线路中，空载电容电流极为可观。一条200KV的电缆，每千米的电容约为02ΜF，每千米需供给充电功率约3103KW，在每千米输电线路上，每年就要耗电26107度。而在直流输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上。③直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行。交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ，但实际上常产生波动。这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故。在技术不发达的国家里，交流输电距离一般不超过300KM而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运行，不需进行同步调整。④直流输电发生故障的损失比交流输电小。两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流。因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关。而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速，方便地进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样。因此不必更换两侧原有开关及载流设备。在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响。所以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能。但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电。13国内外研究近况与发展前景131国外直流输电的近几十年状况与发展前景早在二十世纪初期，世界上有很多科学家和技术人员，认识到交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制，预见到继续发展直流输电的必要性，继而陆续建设了一些试验性工程。曾采用过闸流管、引燃管和气吹电弧整流器作为交直流变换的换流设备。1928年瑞典ASEA公司成功研制出了高压大容量汞弧整流器汞弧阀，这一技术立刻在世界上第一条工业性高压直流输电线路中得到了应用。这条线路连接瑞典本土和哥德兰岛，全长96公里，1954年开始运行，这是一个划时代的事件，它是制造大容量、高电压直流输电的先驱。此后，由于换流技术，特别是半导体可控硅整流装置有了进一步发展，西南科技大学本科生毕业论文4从六十年代起，国外高压和超高压直流远距离输电技术有了更大的发展，目前世界上已有多个国家建成了直流输电线路。到1980年全世界已投入运行的直流输电工程共有21项，总容量约在12600MW左右。年间，高压输电容量的年平均增长率为450MW/年。年则提高到1500MW/年，1980年后更是以超过1600MW/年的平均速度增长。目前已投入运行的直流架空线路中输送容量较大、距离较长的是非洲的莫桑比克南非的卡布拉巴萨工程，其输送容量为1920MW，长达1414公里。而海底电缆线路中较为典型的是欧洲的挪威丹麦间的斯卡格拉克工程，长达130公里，输送容量为500MW。而前苏联的耶基巴斯图兹欧洲西部中心工程，其输送电压为±750千伏，输送容量为6000MW，输送距离为2414公里，已在1988年全部建成投入运行6。近些年来世界上很多国家都在积极开展高压直流输电的研究工作，有的国家规划了新的工程项目。美国伦诺克斯通用电气公司超高压试验室中的复杂试验设备，过去是为专门研究高压交流输电准备的，现已转到研究高压直流输电方面，其电压高达±1500千伏。洛克菲勒大学已经扩大了它的研究范围，其中涉及电场对人类生理学的影响，并集中精力研究有关正离子和负离子密度对于个人和人类行为的影响。当时美国电力研究委员会投资的主要计划项目（1）可控硅阀设计的最佳化；（2）规定在直流电站出现干扰的标准；（3）发展直流系统的控制，它将调节在交流线路中的干扰，从而改变系统的稳定度；（4）发展新式的微处理机，以监测和控制直流系统；（5）设计直流线路断路器；（6）发展直流的营业仪表；（7）确定直流绝缘电缆的实际电压极限；（8）为控制混合的交流直流系统准备一个全面的计划。太平洋岸联络线将电压从直流±400千伏提高为±500千伏，容量从1440MW提至2000MW。开发为在静态无功伏安发生器用固态开关的可控硅点火技术。在这里所谓的点火就是采用一个超小型激光二极管和光学纤维，用以触发可控硅。它是为高压直流输电阀的应用而研究的，资金由电力研究委员会提供7。加拿大1981年，由美国和加拿大公司发起，研究确定了5项新的直流输电计划，因此在北美运行、建造和被考虑的直流输电计划的总数当时已达到19项7。在美国、加拿大的大学、私人公司和政府机构中的主要试验室，为测量高压直流输电系统的性能而发展新的仪器而投入了大量的资金。加拿大曼尼托巴水电站的纳尔逊河高压直流输电系统，于1982年8月第一次将两个整流器和逆变器并联运行试验成功8，曼尼托巴水电站的并联运行，主要是为了备用西南科技大学本科生毕业论文5于在传输线路发生故障的。当修理故障线路的同时，健全的线路可以传输全部的电力。纳尔逊河的高压直流输电线路，是按多端运行来设计的。多端直流输电，将来可应用于用分接的方法沿线路的不同位置远距离传输大量的电能，但是当时这项技术还并不成熟。英国、法国英国中央电力厅和法国电力公司共同筹建了跨越英法海峡的高压直流联络线，送电容量为2000MW，双方平均负担的投资约5亿英磅。电缆由英国中央电力厅负责提供，该国的皮列利PIRELLI公司承担生产，该公司已决定投资1250万英磅建造一座海底电缆制造厂，已于1981年6月开始施工，且在1983年投产。该厂的关键设备是一台旋转式电缆浸渍容器，这台设备能一次连续生产50公里长的270千伏铝苞直流电缆。这将是英国唯一能生产跨越英法海峡不需中间接头的海底电缆工厂，技术处于当时世界顶尖水平。日本日本电力中央研究所超高压输电委员会，计划进行超高压直流输电的研究。其中包括将现有的交流输电线改为直流输电线和几万兆瓦大容量直流传输线等方面的研究。他们已经开发了一种中央控制设备只为直流多端系统能在稳定而又可靠的状态下运行。有了这种先进的、新的控制设备，就能比较轻松的启动、停止换流站工作或将输送功率反向，而对运行中的其它换流站和线路不会产生任何干扰，它们将继续正常、稳定工作9。从以上不完全的资料中可以看出，围绕高压直流输电技术方面展开的工作，无论在计划的项目上、分析的深度上或是投资上，发展的速度确实是惊人的。既然高压直流输电技术已开始飞速发展，那么，它还存在着什么样需要解决的的问题呢概括地说，主要问题是没有适用的直流高压断路器和换流器造价高，这对发展直流电网有着不小的影响。但是，目前看来，这些问题并不是不可克服的。美国通用电气公司高压直流输电系统的顾问工程师布鲁尔，对高压直流输电的未来是乐观的，他指出“现在可以采用的技术，包括多端网络的设计，可以满足高压直流系统下一个十年的需要。”美国电力研究委员会的一个工程师阿诺德约翰逊评述说“早期评论家断言,太平洋岸联络线这个高压直流输电线路，将是一个技术珍品，并且需要并联的交流线路的电气保证。十年的运行经验证明了，实际上高压直流输电线路是最可靠的输电系统，并且提供了改进交流线路稳定性的一个措施。”西南科技大学本科生毕业论文6早期高压直流输电系统存在的困难问题一般与离子阀汞弧整流器有联系，它需要操作者十分注意不可分心。在二十世纪六十年代末期，由于采用了高压、静态、大电流的可控硅阀，因此现在有可能生产较高容量的阀，并且尽量在低成本下改进可靠性。早在日举行的国际大电网会议上，德国艾伊奇德律风根电气公司的海纳就指出“特高压交流输电的经济可行性，必须越来越多地与直流输电进行比较，尤其在长距离的条件下更是如此。主要理由是直流输电换流站的费用六年保持不变，甚至有所降低，而交流设备和线路的费用却增加。卡布拉巴萨±533千伏直流工程投运后总结出的第一个经验是，它能与800千伏交流线路相比。”巴西佛南斯电力公司技术经理助理华沙多谈到“可控硅阀的采用不仅使高压直流输电成为特高压交流输电的有力竞争者，而且成为更可靠的方案。某些原已决定采用交流输电的工程，目前正在重新加紧审核。”总之，由于直流输电性能上的优势与特点，采用高压直流输电技术可以提高电力系统的技术性能、经济指标、运行的可靠性和电力系统的稳定性。特别是最近几十年它在技术上已逐步成熟，换流器的成本逐渐下降，以及多端输电的试验成功，因此它在电力系统中特别是在大功率远距离的电力传输中，必将得到广泛地应用，它的发展前途更是将一片光明。132国内直流输电的现状与发展前景我国的高压直流输电工程总体上可以概括为起步较晚,但发展迅速。1980年国家确定完全依靠自己力量建设中国第一项直流输电工程舟山直流输电工程。它具有向自主建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质，其意义是非常的。这项工程于1984年开始施工,1987年投入试运行,1989年正式投运。工程最终规模为±1100千伏,500安培,100MW,线路全长54KM。嗓泅直流输电工程上海嗓泅岛是我国自行设计、制造、建设的双极海底电缆直流工程,于1996年完成研究工作,2002年全部建成。工程为双极±500千伏，600安培，60MW，可双向供电，线路长度662KM，其中海底电缆597KM。葛南葛洲坝上海南桥高压直流输电系统，是我国引进的第一个高压直流输电系统，1989年单极投运,1990年双极投运。进入21世纪，我国的高压直流输电更是发展迅速,相继建成投产了天广天生桥广州、三常三峡常州、三广三峡广东和贵广贵州广东等多项高压直流输电项目。作为引进技术的验证,自主研发设计制造的华中西北联网灵宝背靠背直流工程,已于2005年7月正式投入运行。西南科技大学本科生毕业论文7至2004年末，我国高压直流输电工程累计输送总容量达12470MW，输电线路长度累计达4840KM，已经超过美国位列世界第一。截至2007年年底，我国已建成并正式投入运行葛洲坝沪上海、三峡常州、三峡广东、三峡沪上海、天天生桥广东、贵州广东Ⅰ回、Ⅱ回等7个超高压直流输电工程和灵宝背靠背直流工程，直流输电线路总长度达7085KM，输送容量达18560MW,线路总长度和输送容量均居世界第一。与此同时,我国超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也处于国际领先地位。从上世纪80年代至今短短30年时间，我国便从刚起步到现在国际领先水平，足见国家对高压直流输电工程的重视。14高压直流输电系统中存在的问题141直流输电中的谐波问题工频的交变电流在换流站中的整流和逆变过程中,实际上输出的波形并不是稳定的直流,而是有些许波动的脉动电流。再加上换相的非理想性,使得输出电流进一步畸变。这些原因促成了直流输电系统中谐波的存在。随着高压直流输电的发展,相关的谐波问题也日益突出。输电系统中的换流器在交流侧为谐波电流源，在直流侧为谐波电压源。严重的情况下,可能还会引起谐波放大甚至谐波不稳定,即交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节时互相调制，构成了一个AC/DC之间的正反馈调节环。受到扰动时,就会造成谐波振荡的放大,其结果就是换流站交流母线电压严重畸变。现在我们主要通过频域分析和传递函数法、谐波特征值分析法、小信号分析法、时域仿真法、频率扫描法等来进行研究。一般可通过加装非特征滤波器、使用有源滤波器、附加谐波阻尼电路或者是采用轻型直流输电技术来抑制谐波。142高压直流断路器的制造目前我国的直流输电系统中，高压直流断路器的制造技术还不成熟，多数需要进口。研制高压断路器的难点在于1直流回路的电感很大，所以需要的平波电抗器很大，约有1H，这在工艺上做起来不容易；2由于灭弧时的直流电流将会很大，故要求断路器必须能够吸收很大的能量；3直流电没有像交流电那样的过零点的特性,所以灭弧的技术很困难。在实际的生产当中，利用大容量金属氧化物这种新型材料可以较好地解决前两个问题。但在灭弧方面仍然不是很理想，一般我们采用耗能限流和叠加振荡电流两种方式来实现。相较而言，前者更为普及，一般采用将电弧拉长、分段串入电阻和采用金属氧化物耗能。西南科技大学本科生毕业论文8143大地回流造成的接地体腐蚀及对交流系统的影响我们知道，直流输电过程是以大地作为回流电路的。回流流经大地时，会与附近的金属接地体发生化学反应，逐渐腐蚀掉金属。例如对于铁而言，就会发生如下的化学反应阳极FE22OHFEOH2，阴极2E2HH2。经研究表明1金属接地体与直流接地极之间的距离长短会显著影响腐蚀的程度，当两者相距10公里以外时，腐蚀影响即可忽略不计；2单纯将接地体深埋并不会明显地减小腐蚀，而且这种做法在经济上也是不合适的；3在相同的距离条件下，金属接地体的走向会影响腐蚀的程度，一般垂直走向的接地体受腐蚀影响比平行走向的接地体大；（4）强大的直流电流将经接地极注入大地，在极土壤中形成一个恒定的直流电流场。如果此时极附近有变压器中性点接地的变电站、铠装电缆或地下金属管道等金属设施，这些设施可能给地电流提供比大地土壤更为良好的导电通道，一部分电流可能沿着并且通过这些设施流向进方，从而给这些设施带来严重不良影响。此时，中性点直接接地变压器将会是受影响最大的设备。我国110千伏及以上系统的变压器中性点，一般都采用直接接地方式。若变电站位于接地极电流场范围内，那么在场内变压器间会产生电位差，接地极入地电流将有部分直流电流会通过大地、交流输电线路，由一个变电站变压器中性点流入，在另一个变电站变压器中性点流出，由此在变压器三相绕组中产生直流分量，产生直流偏磁电流。流过变压器绕组的直流电流大小不仅与接地极的距离相关，同时与电网接线和参数、极土壤导电性能等有关。如果流过变压器绕组的直流电流较大，可能引起变压器铁心磁饱和，导致变压器温升增高、噪音增加、损耗增大，对变压器的安全运行构成威胁。变压器发生直流偏磁后，会使磁化曲线的运行部分变得不对称，加大铁心的饱和程度，从而导致噪音增大和变压器铁心、金属紧固件等的发热增加，对变压器有着严重损害。144直流输电系统电磁环境对通信系统的影响由于直流线路强大的直流电流，在其周围也就存在着很强的磁场干扰。这样的磁场将影响到附近通信线路的正常运行。一般可把直流电磁影响分为干扰影响和危险影响。干扰影响即在直流输电线路正常运行的情况下对通信产生影响，使其通信质量下降，误码率提高；危险影响即当直流输电线路发生故障时，有可能在附近的通信线路上感应出很高的电压，危及人员生命安全和通信设备安全。因此，在建设直流输电线路时要注意以下几点（1）首先是和通信线路保持合适的距离；（2）其次是在线路上安装陶瓷放西南科技大学本科生毕业论文9电管或是加挂屏蔽线路；（3）最后是对于市话电路来说，可在配电箱、分线箱处加装放电器。15本文基本设计内容1完成直流输电相关理论知识学习；2在MATLAB/SIMULINK中完成高压直流输电模型的搭建；3在模型基础上，完成系统的启停和阶跃相应仿真；4完成直流输电线路典型故障仿真；西南科技大学本科生毕业论文10第2章本文涉及MATLAB/SIMULINK基础21MATLAB简介MATLAB是美国MATHWORKS公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。MATLAB是MATRIXLABORATORY两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国MATHWORKS公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、FORTRAN）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、信号检测、金融建模、图像处理设计与分析等领域11。用MATLAB建立系统模型可采用基于MATLAB语言的、基于SIMULINK工具箱的、用SIMULINK和PSB相结合的建模与仿真，后一种要注意两者之间信号转换问题。具体应用时应根据研究目的不同，选择相应的建模方式，比如研究电力系统的稳定性问题，则采用基于MATLAB语言的建模与仿真和基于SIMULINK工具箱的建模与仿真的方法好；若想专门研究某一、两种元器件比如控制器、滤波器、无功补偿器等的特性，以及它们对电力系统的影响，则采用PSB库中已有的电气元件构建HVDC系统仿真模型方法好，它既能突出主要问题，又能节约建模时间21。22SIMULINK的功能与特点SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不西南科技大学本科生毕业论文11同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果，十分方便。SIMULINK是用于嵌入式系统和动态系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、图像处理和视频处理系统，SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。SIMULINK与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、建模环境的定制、信号参数和测试数据的定义以及批处理脚本的创建。其特点为19（1）丰富的可扩充的预定义模块库；（2）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；（3）使用EMBEDDEDMATLABTM模块在SIMULINK和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法；（4）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；（5）通过MODELEXPLORE导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；（6）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为；（7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式NORMAL,ACCELERATOR,RAPIDACCELERATOR来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；（8）可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据；（9）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；（10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。23启动与模块介绍1在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK结果是在桌面上出现一个称为SIMULINKLIBRARYBROWSER的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开SIMULINKLIBRARYBROWSER窗口。2在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK3结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的LIBRARYSIMULINK3的SIMULINK模块库窗口。两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。3在MATLAB菜单栏左方位置有一个图标，单击此图标便可进入SIMULINK西南科技大学本科生毕业论文12对于初学者来说这是最简单、便捷、有效的方式，仅仅只需要点击一个快捷键就能进入SIMULINK。这就如同计算机桌面上的快捷键一样既直观又方便。然后再找到我们所需要的SIMPOWERSYSTEMS从中就可以选取我们所需要的模块。推荐大家使用这种启动方式。若对SIMULINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库1CONTINUOUS（连续模块）2DISCRETE（离散模块）3FUNCTIONTABLES（函数和平台模块）4MATH（数学模块）5NONLINEAR（非线性模块）6SIGNALSSYSTEMS（信号和系统模块）7SINKS（接收器模块）8SOURCES（输入源模块）西南科技大学本科生毕业论文13第3章高压直流输电系统基本结构及原理31HVDC系统基本结构简单的讲，直流输电就是先将发电站发出的交流电通过换流器变成直流电，然后通过直流输电线路输送。再在受电端把直流电逆变成交流电，进入受端交流电网供用户使用。当然，表面上看这只是一个简单的整流然后再逆变的过程，但这仅仅是一个最粗略的介绍，其中的具体过程还是很值得研究和优化的。HVDC直流输电系统结构由图31所示，由于逆变侧与整流侧镜像对称，为了节约篇幅，结构图未画出完整的逆变侧。在后面总的仿真电路图会给出完整的HVDC高压直流输电系统。AC500KV等效网络交流滤波器整流控制器T变压器平波电抗FAULT逆变站IDAC交流电源；T换流变压器；ID整流电流图31高压直流输电系统结构图FIG31STRUCTUREOFHVDCSYSTEM直流输电系统由换流站（整流、逆变站）、接地极线路、接地极和直流送电线路构成。其中，换流站是用于连接交流侧和直流侧的装置，也就是供交流电与直流电间进行变换的换流装置。换流装置由换流器、换流变压器、控制保护装置、控制极触发装置及其它辅助装置等构成。直流线路与交流线路一样，由绝缘子、杆塔、导线、地线、金具、基础和接地装置等组成。地线、基础、接地装置的设计与交流一样。值得指出的是，交西南科技大学本科生毕业论文14流导线为三相制，但在直流系统中相应地称之为极，交流系统输电时，三相要同时运行，而在直流系统中，每个极可以独立地传送电力，可单极运行13。一般情况下，远距离大容量直达的输送电能，宜选用直流输电。研究表明，直流输电的经济长度与两端换流设备的造价有关，前苏联在1965年分析经济输送距离和容量的结果表明，当输电距离超过公里时，采用直流比交流更加经济。而当时美国建设太平洋联络线时的交直流方案比较结果是只要输电距离在700公里以上直流输电就比较经济了（其中输送容量为MW）。但是随着可控硅换流技术的发展，使直流终端设备与线路的造价之比不断降低，美国西屋公司声称，直流输电的经济长度是500600公里。HVDC系统主要由整流站、逆变站和HVDC线路等组成,其中换流线主接线图如图32所示。HVDC系统主要设备有1、换流变压器将送端交流系统电压变为整流桥所需要的电压，以及将逆变器输出的电压变为受端交流系统所需要的电压。换流变压器CONVERTERTRANSFORMER接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。换流变压器在直流输电系统中的作用有（1）传送电力；（2）把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压；（3）利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差30°基波电角度的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；（4）将直流部分与交流系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点接地造成直接短接，使得换相无法进行；（5）换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用；（6）对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。技术特点与要求由于换流变压器的运行与换流器换相造成的非线性密切相关，它在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有不同的特点和要求。2、换流器换流器（CONVERTER）是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。换流器（CONVERTER）可以分为两类整流器（RECTIFIER）和逆变器（INVERTER）。整流器（RECTIFIER）是将交流电转换为直流电，而逆变器（INVERTER）是将直流电转换为交流电。它由晶闸管或绝缘栅极型功率管IGBT等开关元件组成，用作整流或逆变。西南科技大学本科生毕业论文15换流器一般采用二相桥式单、双桥两类线路，每桥有6个桥臂即6脉冲换流器，如天生桥广州500KV的HVDC系统晶闸管块的额定电压为8KV，用78个块串联组成阀体。阀桥阀桥换流变压器换流变压器无功补偿交流侧滤波器避雷器平波电抗直流侧滤波器直流线路直流线路阻尼器图32换流站主接线FIG32THEMAINCIRCUITOFCONVERTERSTATION3、交流滤波器交流滤波器是高压换流站的一个重要组成部分，可以补偿直流换流器消耗的无功功率，同时滤除和减少换流过程中产生的谐波以避免对交流系统造成影响。交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。对单桥用单调谐滤波器吸收5、7次谐波，用高通滤波器吸收高次谐波，对双桥用11、13次谐波滤波器及高通滤波器。4、无功补偿装置通常由静电电容器包括滤波器电容、静止无功补偿器供给,为直流线路提供无功补偿。各种无功设备各自特点如下1）同步调相机响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，属淘汰技术；2）开关投切固定电容慢响应补偿方式，连续可控能力差；3）静止无功补偿器（SVC）目前相对先进实用技术，在输配电电力系统中得到了广泛应用；4）静止无功发生器（STATCOM）目前虽然有技术上局限性，属少数示范工程阶段，但SVG是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置，是灵活柔性交流输电系统西南科技大学本科生毕业论文16（FACTS）技术和定制电力（CP）技术的重要组成部分，现代无功功率补偿装置的发展方向。5、直流平波电抗器（1）平波电抗器能防止由直流线路或直流开关站所产生的陡坡冲击波进入阀厅，从而使换流阀免于遭受过电压应力而损坏；（2）平波电抗器能平滑直流电流中的波纹，能避免在低直流功率传输时电流的续断；（3）平波电抗器通过限制由快速电压变化所引起的电流变化率来降低换相失败率；（4）平波电抗器还可减小直流电压、电流的波动，受扰时抑制直流电流的上升速度。平波电抗器最主要的参数是其电感值，从它的作用来看，其电感值一般趋于选大些，但也不能太大，运行时容易产生过电压，使直流输电系统的自动调节特性反应速度下降，而且平波电抗器的投资也增加。因此平波电抗器的电感量要在满足主要性能要求的前提下尽量设置小些。6、直流输电线路它们可以是架空线，也可以是电缆。背靠背直流输电工程可以没有直流输电线。除导线数目和所需空间外，直流线路在其他方面与交流线路十分相似。7、交流断路器为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器。由于直流系统故障可以通过换流器的控制更快地切除，所以交流断路器一般不用来切除直流系统的故障。32HVDC的建模方法用MATLAB对高压直流输电系统建模有3种方法第1种是基于MATLAB语言的建模与仿真，可根据HVDC系统各元件的数学模型非线性微分、代数方程，采用交流、直流迭代求解技术，用MADBA语言中的现成的数值计算函数和JACBI矩阵求解函数进行计算。其特点是比其它语言如C、FORTRAIN编程简单快捷，但仿真计算速度慢；第2种是基于SIMULINK工具箱的建模与仿真，即将元器件数学模型表示成传递函数的形式，用SIMULINK来建立全系统的仿真模型。这种方式必须知道全部元器件详细的传递函数，并且所搭建的仿真系统与实际的物理系统有差距、不直观，修改也不方便；第3种是利用PSB库中已有的电气元件构建HVDC系统仿真模型，这种方法快捷直观，但随着新技术的应用，新的元器件的出现，使得原有PSB库的应用受到一定限制。综合以上特点，是否可以利用SIMULINK和PSB相结合的建模方法，直接利用PSB中已有的电力元件搭建HVDC电力原型系统，对我们想重点研究的控制器采用SIMULINK建模，这样既快捷直观，又能突出主要研究问题。本文利用SIMULINK和SIMPOWERSYSTEMS相结合的方法,建立直流输电及其控制系统的仿真模型，所用模块均为SIMULINK及SIMPOWERSYSTEMS中的标准模块，便于我们选取与搭建模型。西南科技大学本科生毕业论文1733直流输电系统的基本原理331直流输电系统的运行过程本文利用MATLABPSB10对一典型12脉冲HVDC系统进行建模和仿真。其中交流电源（送端）为500千伏等效电力网络其短路容量为5000MVA、频率为60HZ，它可以通过换流变压器这里设定额定容量1200MVA后由双桥12脉冲整流器即两个6脉冲晶闸管桥串联而成整流，再通过HVDC直流输电线路DCLINE这里设置为300公里将电能输送到负荷端。线路两端平波电抗器的电感设置为LD05H。整流侧和逆变侧交流母线上各接一组交流滤波器电容器组，11、13次及高通滤波器，为整流器、逆变器提供了600MVA的无功功率补偿并抑制谐波。整流侧采用定电流控制，控制整流器的Α，由12脉冲发生器产生触发脉冲。为了读者能够更好的理解定电流控制，这里我们必须要介绍一下定电流调节器电流调节器是一种简单的带反馈的高增益放大器。对于整流状态，如果测得电流实际值小于整定值，则必须减小Α角，使得COSΑ增加，也就是增大整流器的空载电压，使电流增大到整定值从而达到控制的目的。而对于逆变状态，如果实际电流偏大时，则必须提高逆变器的空载电压，即减小Β角的值。所以触发相位所移动的方向和整流状态时是一致的。也就是说，同一个调节器，对整流和逆变两种状态都实用，不必改变接线。但用于逆变状态时，电流的整定值必须减小一个电流裕度。逆变侧采用定电流、定电压、定关断角Γ控制。这三种控制都是控制逆变器的Β。因为ΒΠΑ，所以相当于也是控制逆变器Α。具体过程下面会详细讲解，这里不再累述。332直流输电系统的基本控制原理直流输电系统的控制调节，是通过改变线路两端换流器的触发角来实现的，它能执行快速和多种方式的调节，不仅能保证直流输电的各种输送方式，完善直流输电系统本身的运行特性，而且还能改善两端交流系统的运行性能。因此，直流输电的控制调节对整个交直流系统的安全和经济运行起着重要的作用。高压直流系统等值电路图如图33所示。西南科技大学本科生毕业论文18RCRLDRLDRDRDLDLDIRCIVDORCOSΑVCCDCVDOICOSΒVDRVIIDIIDR图33高压直流输电系统等值电路图FIG33EQUIVALENTCIRCUITDIAGRAMOFHVDCSYSTEM该等值电路图中，VDR和VDI分别表示整流侧和逆变侧的直流电压；LDR和LDI分别表示整流侧和逆变侧平波电抗器的电感值；LD和RD分别为二分之一的直流线路电感值和电阻值；CDC为直流输电线路总的对地电容值；IDR和IDI分别表示整流侧和逆变侧的直流电流；VC为电容上的电压值；VDOR和VDOI分别为整流侧和逆变侧的理想空载直流电压；Α为整流器的触发延迟角；Β为逆变器的触发超前角；RCR和RCI分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻。理想空载直流电压与交流电压的关系为VDORKVAR，VDOIKVAI；31式中，K135N，N为串联环流桥数目。由图33结合电路相关知识可知（LDRLD）DTDIDRRDIDRVDRVC32LDILDDTDIDIRDIDIVDIVC33CDRDTDVCIDRIDI34整流器和逆变器的直流输出电压的表达式为西南科技大学本科生毕业论文19VDRKVARCOSΑRCRIDR35VDIKVAICOSΒRCIIDI36其中VDR为整流侧换流变压器二次侧的线电压，VDI为逆变侧换流变压器二次侧的线电压。当直流系统处于稳态运行时此时，对地电容CD可忽略，直流电流恒定，此时有IDIDRIDI。由式32，33，34联立得CICRDDOIDORCICRDARRRRVVRRRVDORVKID????????2COSCOS2COSCOS????37同时可求得整流侧和逆变侧功率分别为PDRVDRIDR38PDIVDIIDPDR2RDID239333直流输电系统控制器的结构和参数直流输电系统的基本控制方式是整流侧由定电流控制和ΑMIN限制两部分组成；逆变侧也配有定电流控制，此外逆变侧还有定电压控制、定关断角（Γ）控制15。并且，整流侧和逆变侧都配有VDCOL控制，所谓VDCOL控制即换流器的低压限流控制特性。VDCOL是指在某些故障情况下，当发现直流电压低于某一值时，自动降低直流电流调节器的整定值，待直流电压恢复后，又自动恢复整定值的控制功能。整流逆变的总控制的示意图如图34所示。西南科技大学本科生毕业论文20整流控制逆变控制VDCOL受控系统（直流系统）整流侧直流电流测量值整定值逆变侧直流电压测量值逆变侧直流电流测量值逆变侧Γ测量值整流侧Α命令逆变侧Α命令图34整流逆变总控制示意图FIG34TOTALCONTROLSCHEMATICOFRECTIFIERANDINVERTER由上图可知直流输电控制系统的控制输入量除了从主控制层传递下来的整流侧电流整定值信号IDES之外，还有从直流系统测量的整流侧直流电流IDRES、逆变侧直流电流IDINV、逆变侧直流电压UDINV，以及逆变侧关断角ΓINV。直流输电控制系统的控制输出量只有两个，分别为整流侧触发角ΑREC和逆变侧触发角ΑINV。下面我们对总体框图中的各个控制环节分别进行具体分析。1测量环节测量环节用来模拟电流和电压的测量过程，测量环节用一个一阶惯性环节来模拟。惯性时间常数T反映测量设备的相应速度，增益G将电流和电压的实际值变换为无量纲的标幺值。该直流系统额定值为直流电压500千伏，直流功率1000MW，直流电流2千安。分别取电流和电压测量环节的惯性时间常数为00003S和002S，增益为05和0002。2整流侧定电流控制（CCA）整流侧定电流控制器采用PI控制，PI控制器即由一个比例环节和一个积分环节求和而来。PI控制器的输出为触发超前角Β，Β与触发西南科技大学本科生毕业论文21延迟角Α之间的关系为互补，即ΑΒΠ。整流测定电流控制器的详细框图如图35所示，其中PI控制环节参数为KP45，KI4500,ΒMAX175°，ΒMIN24°。惯性环节测量PI整流侧直流电流整定值对整流侧Α控制314（180°）整流侧直流电流测量值IDRECΒ175°24°图35整流侧定电流控制结构图FIG35CONSTANTCURRENTCONTROLOFRECTIFIER3逆变侧定电流控制（CCA）逆变侧定电流控制器也采用PI控制，其输出触发超前角为Β。逆变侧定电流控制的结构图如下图36所示。其中PI控制环节参数为KP45，KI4500，ΒMAX88°，ΒMIN14°。惯性环节测量PI整流侧直流电流整定值对逆变侧Α控制314（180°）逆变侧直流电流测量值IDRECΒ88°14°电流裕量01IDINV逆变侧直流电流整定值图36逆变侧定电流控制的结构图FIG36CONSTANTCURRENTCONTROLOFINVERTER西南科技大学本科生毕业论文224逆变侧定电压控制VCAREG定电压控制即在逆变方式下设置定电压控制功能模块，这个控制器的功能是用于降压运行，但它也有利于正常方式运行，其控制也采用的是PI调节方式。逆变侧定电压控制结构图如下图37所示。其中控制环节的参数为KP35，KI2250，ΒMAX88°，ΒMIN14°。测量环节VDCOLPI控制UDINVIDINVΒINV裕量0114°88°图37逆变侧定电压控制的结构图FIG37CONSTANTVOLTAGECONTROLOFINVERTER5逆变侧定关断角Γ控制AMAX在本文介绍的测试中，我们可以通过将上一个周期从直流系统测得的逆变侧Γ角取最小，作为关断角Γ的测量值。Γ0角的整定值为15°，Γ角的最大偏差限制为30°。逆变侧定关断角控制结构图如下图38所示，其中PI控制环节的参数为KP2，KI4，ΒMAX90°，ΒMIN30°。上个周期的最小值MAXPI逆变侧Γ测量值电流偏差引起的△ΓΓ0整定值30°90°30°ΒINV图38逆变侧定关断角控制结构图FIG38CONSTANTOFFANGLECONTROLOFINVERTER西南科技大学本科生毕业论文236逆变侧的控制模式与选择由上面的解释我们可以轻松地知道定电流控制、定电压控制与定关断角控制器的输出都是Β角，但是在任何时刻三个控制器的输出只有一个能被选中。根据逆变器运行的特点，对三个控制器输出的Β角进行取大选择是合理的，因为我们想要得到最小触发延迟Α角，而ΑΠΒ，所以这里我们要取最大的Β角。Β角取大控制如图39所示。MAX定电流ΒINV定关断角ΒINVΒINV180°ΑINV逆变侧Α命令定电压ΒINV图39Β角取大控制结构图FIG39CONTROLOFMAXΒCHOICE西南科技大学本科生毕业论文24西南科技大学本科生毕业论文25第4章高压直流输电系统的建模与仿真41高压直流输电系统模型建立在MATLAB中搭建12脉高压直流输电系统，为了减少繁杂对系统相关模块进行了封装，最后得到总的系统模型仿真图如下图41所示。图41高压直流输电线路系统模型图FIG41SYSTEMOFHVDCTRANSMISSION其中直流线路（DCFAULT）上和逆变侧交流线路（AGFAULT）上的断路器可用来模拟直流侧和交流侧线路单相接地故障。送端交流电压取500KV，容量5000MVA，经过交流滤波器（ACFILTERS）进行滤波及无功补偿。经过换流变压器后的三相交流电通过整流器（RECTIFIER）对其进行整流，整流器由RECTIFIERCONTROL来控制触发延迟角Α。整流后所得到的直流电通过平波电抗器抑制波纹后通过300KM直流输电线路传输后再经过平波电抗器抑制波纹，之后通过逆变器（INVERTER）对其进行逆变，逆变器由INVERTERCONTROL进行控制。此时直流电又变为交流电，经过换流变压器后电压变为345KV，逆变交流侧西南科技大学本科生毕业论文26再经过一次交流滤波后得到较为理想的三相交流电后传入受端以供用户使用。这就是模拟高压直流输电系统的全过程。整流部分仿真电路图由图42所示。其中整流器由两个6脉冲晶闸管桥串联而成（图43）。图42整流电路FIG42RECTIFIERCIRCUIT图43整流器FIG43RECTIFIER西南科技大学本科生毕业论文27交流滤波器子系统由图44所示。它由电容器组（CAPACITORBANKS）单调谐滤波器（11，13次）以及高通滤波器（HIGHPASSDAMPEDFILTER）并联构成，该子系统可提供600MVA无功补偿。图44交流滤波子系统FIG44ACFILTERSUBSYSTEM逆变部分与整流部分是对称的，逆变电路如下图45所示。图45逆变电路FIG45INVERTERCIRCUIT西南科技大学本科生毕业论文2842高压直流输电系统仿
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