（电气工程专业论文）柔性直流输电系统仿真.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声 明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三到肛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二瑚器_ 一导师签名： 砭蹴至 v 、 日期：型口l 口、il 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 直流输电系统1 1 2 1 直流输电的概念1 1 2 2 直流输电的结构2 1 2 3 直流输电的主要元件2 1 2 4 直流输电系统的发展4 1 2 5 国内外直流输电工程5 1 2 6 直流输电系统的特点6 1 2 6 1 直流输电系统的优点6 1 2 6 2 直流输电系统的缺点7 1 3 本论文的研究意义8 1 4 本论文的主要工作8 第2 章柔性直流输电系统1 0 2 1 概述1o 2 2 柔性直流输电系统的基本原理l o 2 3 柔性直流输电主要部件1 4 2 4 柔性直流输电控制系统1 7 2 4 1 控制系统的基本要求与结构1 7 2 4 2 柔性直流输电系统的基本控制方式1 8 2 4 3 柔性直流输电控制系统原理。l8 2 5 柔性直流输电的技术特点2 0 2 6 柔性直流输电与传统直流输电比较。2 0 2 6 1 柔性直流输电与传统直流输电结构比较2 0 2 6 2 柔性直流输电与传统直流输电控制方式比较21 位论文 ：! l ：! ：； ：1 6 ：1 6 2 7 ：1 8 ：1 8 ：1 8 ：1 8 2 9 3 2 3 控制量与被控量之间对应关系一3 2 3 2 3 1 定直流电压控制端控制量与被控量之间对应关系的确立3 2 3 2 3 2 定直流电流控制端控制量与被控量之间对应关系的确立3 3 3 2 4 仿真控制方式。3 4 3 - 3 仿真工具简介3 4 3 3 1m a t l a b 简介3 4 3 3 2s i m u l i n k 简介：。3 6 3 3 3s i m p o w e r s y s t e m s 库简介3 7 3 4 仿真模型的建立3 8 3 4 1 模型框架3 8 3 4 2 仿真模型控制系统介绍3 9 3 5 仿真结果4 0 3 5 1 系统稳态工作4 0 3 5 2 三相短路故障仿真4 4 第4 章总结4 7 附勇毛4 8 参考文献5 0 致谢5 5 山东大学硕士学位论文 n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 1 2 1t h ec o n c e p to fh v d c 1 1 2 2t h es t r u c t u r eo f h v d c 一2 1 2 3t h em a i nc o m p o n e n t so f h v d c 2 1 2 4t h ed e v e l o p m e n to f h v d cs y s t e m 4 1 2 5d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lh v d cp r o j e c t 5 1 2 6t h ec h a r a c t e r i s t i c so f h v d cs y s t e m 6 1 2 6 it h ea d v a n t a g e so f h v d cs y s t e m 6 1 2 6 2t h ed i s a d v a n t a g e so fh v d cs y s t e m 7 1 3s i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c h 8 1 4t h ed i s a d v a n t a g e so fh v d cs y s t e m 8 c h a p t e r2 f l e x i b l eh v d c s y s t e m 1 0 2 1i n t r o d u c t i o n ：1 ( ) 2 2t h eb a s i cp r i n c i p l eo ff l e x i b l eh v d cs y s t e m 10 2 3t h em a i nc o m p o n e n t so f f l e x i b l eh v d c 1 4 2 4t h ec o n t r o ls y s t e mf o rf l e x i b l eh v d c 17 2 4 1t h ec o n t r o ls y s t e ma n ds t r u c t u r eo fb a s i cr e q u i r e m e n t s 17 2 4 2t h eb a s i cc o n t r o lo ff l e x i b l eh v d cs y s t e m 18 2 4 3p r i n c i p l eo fc o n t r o ls y s t e mf o rf l e x i b l eh v d c 18 2 5t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f f l e x i b l eh v d c 2 0 2 6f l e x i b l eh v d cc o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lh d v c 2 0 2 6 1f l e x i b l eh v d cs t r u c t u r ec o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a lh v d c 2 0 山东大学硕士学位论文 2 6 2f l e x i b l eh v d cc o n t r o lw i t ht h et r a d i t i o n a lh v d c 2 1 2 7f l e x i b l eh v d c a p p l i c a t i o n s 2 1 2 8f l e x i b l eh v d cp r o j e c t 2 3 2 9f l e x i b l eh v d cr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d 2 6 2 9 1f l e x i b l eh v d cr e s e a r c ha b r o a d 2 6 2 9 2f l e x i b l eh v d cr e s e a r c hd o m e s t i c 2 7 c h a p t e r3f l e x i b l eh v d cs y s t e ms i m u l a t i o na n da n a l y s i s 。2 8 ：；1i n t r o d u c t i o n 2 8 ：；2s i m u l a t i o nm e t h o d 2 8 3 2 1t h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h ef l e x i b l eh v d c 。2 8 3 2 2t h ec o n t r o ls y s t e mo f f l e x i b l eh v d c 2 9 3 2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t r o la n dc o n t r o l e dv o l u m eo f v s c 。3 2 3 2 3 1f i x e dd cv o l t a g ec o n t r o lt e r m i n a lc o n t r o l 3 2 3 2 3 2f i x e dd cc u r r e n t c o n t r o lt e r m i n a lc o n t r o l 3 3 ：；2 4s i m u l a t i o nc o n t r o l 3 4 ：；3i n t r o d u c t i o nt os i m u l a t i o nt o o l s 3 4 3 3 1i n t r o d u c t i o no f 队t l a b 3 4 3 3 2i n t r o d u c t i o no fs i m u l i n k 3 6 3 3 3i n t r o d u c t i o no fs i m p o w e r s y s t e m s 3 7 ：；4s i m u l a t i o nm o d e l ：；8 ：；4 1m o d e lf r a m e w o r k 3 8 3 4 2c o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li n t r o d u c e d 3 9 ：；5s i m u l a t i o nr e s u l t s 4 0 3 5 1s y s t e ms t e a d ys t a t e 4 0 3 5 2t h r e ep h a s es h o r tc i r c u i tf a u l ts i m u l a t i o n 。4 4 c h a p t e r4 c o n c l u s i o n ：z 1 7 a p p e n d i x 4 8 r e f e r e n c e 5 0 a c k n o w l e d g m e n t 5 5 山东大学硕士学位论文 摘要 电力电子技术的发展带动了直流输电技术的发展，直流输电技术在大电网时 代将更加具有优势。而全控型半导体材料发展带来了柔性直流输电技术。相对于 传统直流输电中使用半控型半导体材料晶闸管的电流源换流器，柔性直流输电是 以全控型半导体材料绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r - i g b t ) 的电压源换流器为主体。 柔性直流输电技术( f l e x i b l eh v d c ) 是一种基于电压源型换流( v o l t a g e s o u r c e dc o n v e r t e r s v s c ) 技术的新型高压直流输电技术。它采用绝缘栅双极晶 体管i g b t 的电压源型换流器，具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制( p w m ) 技术进行无源逆变。由于这种换流器的功能强，体积小，可以减少换流站的滤波 装置，简化换流站结构，而称之为柔性直流输电。它除了具有传统高压直流输电 优点外，还可直接向远距的小型孤立离负荷供电，连接分散电源，运行控制方式 灵活多变，可减少输电线路电压降落及闪变，提高电能质量。 本文详细介绍了柔性直流输电的基本结构和工作原理、技术特点、发展及应 用领域等内容；总结出柔性直流输电的控制策略；给出柔性直流输电的稳态数学 模型；针对柔性直流输电的基本结构，运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 软件建立 了该输电系统的仿真模型，分析了系统在正常运行和三相短路时的特点，仿真结 果展示了柔性直流输电的出色的运行稳定性。最后还对柔性直流输电的应用前景 也做了展望。 关键词：柔性直流输电，电压源型换流器，脉宽调制技术，m a t l a b s i m u l i n k 仿真 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yd r i v e st h ed e v e l o p m e n to f l l i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ( h v d c ) t e c h n o l o g y i nt h ec o m i n ge r ao f _ b i gp o w e rg r i de r a , h v d ct e c h n o l o g yr e f l e c t si t sa d v a n t a g e s l i g h th i g hv o l t a g e d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ( f l e x i b l eh v d c ) t e c h n o l o g yd e v e l o p so nt h eb a s i so ff u l l c o n t r o lt y p es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a ld e v e l o p m e n t f l e x i b l eh v d ck e e p st h ef u l l c o n t r o l 够p es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a li n s u l a t e d - g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) v o l t a g e s o u r c ec o n v e r t e r s c ) r e m a i n i n gd o m i n a n tr e l a t i v e st ot h et r a d i t i o n a lh v d ch a l f c o n t r o lt y p es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lt h y r i s t o r f l e x i b l eh v d ci san e w - t y p eh v d cb a s e do nv o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r s ( v s c ) t e c h n o l o g y a su s i n gi g b ti nv s c ，t h ec u r r e n tw i l lb ec u to f fe a s i l y ；a l s ot h e p u l s e w i d t h - m o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n o l o g yc a nb eu s e df o rp a s s i v ei n v e r s i o n t h e v s ct e c h n o l o g yh a sm a n ym o r es u p e r i o r i t i e s ，s u c ha ss m a l lc u b a g e ，s t r o n gf u n c t i o n ， d e c r e a s i n gf i l t e rd e v i c ea n ds i m p l i f y i n gc o n v e r s a t i o ns t r u c t u r e f o rt h e s er e a s o n s ，t h i s t e c h n o l o g yi sn a m e df l e x i b l eh v d c b e s i d e s t h es u p e r i o r i t i e so ft r a d i t i o n a lh v d c ， f l e x i b l eh v d cc a nb eu s e df o rs u p p l y i n gt ot h ei s o l a t e da n dd i s t a n c e dl o a da n d c o n n e c t i n gs e p a r a t e ds o u r c e s a l s o ，t h ec o n t r o lm e t h o do ff l e x i b l eh v d ci sm u c h m o r ef l e x i b l ea n dm u l t i v a r i a t e t h ev o l t a g ed r o pi nt h et r a n s m i s s i o nl i n ew i l lb e d e c r e a s e da n dt h ev o l t a g eq u a l i t yw i l lb ei n c r e a s e db yu s i n gf l e x i b l eh v d c t e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cs t r u c t u r eo ff l e x i b l eh v d ca n dp r i n c i p l e ，t e c h n i c a l f e a t u r e s ，s u c ha sc o n t e n td e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s ；s u m m a r i z e df l e x i b l eh v d c c o n t r o l s t r a t e g y ；g i v e n f l e x i b l em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t e a d y s t a t ed cp o w e r t r a n s m i s s i o n ；e s t a b l i s h e dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e lu s i n gm a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e ，a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e m i nn o r m a l o p e r a t i o n a n d t h r e e p h a s es h o r tc i r c u i t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee x c e l l e n tf l e x i b l e h v d co p e r a t i o n a ls t a b i l i t y a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o no ff l e x i b l eh v d cw a sp r o s p e c t e d i i l 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：f l e x i b l eh v d c ，v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n i v 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电能在当前经济和生活中起到非常重要的作用，人类已经越来越离不开电。 人们是从直流电开始了解和使用电的，同时电力科学的发展的基础也是直流电。 法国物理学家m 得彼列茨于1 8 8 2 年进行了世界上首次直流输电试验。这次试 验的损耗高达7 8 ，几乎没有任何实用价值，但它预示着高电压、远距离和大 容量输电的开始。 自2 0 世纪5 0 7 0 年代，汞弧换流器和可控硅换流器的相继出现，使直流输 电技术在现代电力工业中得到广泛的应用。直流输电与交流输电相比，两者各有 优缺点，可以取长补短，相互补充。与交流输电相比，直流输电在大功率远距离 输电、海底电缆送电和交流系统非同步连接等方面具有明显的优势，因此直流输 电在现代电力系统中具有重要的经济和技术意义。随着可控硅换流器制造成本的 不断下降，直流输电在电力系统中将得到更广泛地应用。目前世界各国都或多或 少面临着能源问题，在此情况下直流输电不但是减少输电损耗的输电形式，而且 直流输电技术在开发利用可再生清洁资源以及新储能方法等方面也起到重要作 用。随着计算机技术、电力电子技术和控制理论的飞速发展，直流输电技术逐渐 完善，直流输电的运行损耗和建造成本不断下降，直流输电的可靠性逐步提高。 目前，直流输电在海底输电、大功率远距离输电和交流系统异步连接等方面得到 了大量的应用。 1 2 直流输电系统 1 2 1 直流输电的概念 直流输电将交流电变换为直流电的整流器、高压直流输电线路以及将直流电 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器。 ， 山东大学硕士学位论文 1 2 2 直流输电的结构 高压直流输电系统主要由换流器( 整流、逆变) 、换流变压器、滤波器、控制 与保护装置等组成【。如图1 1 所示。 直流线路 图1 1 直流输电系统接线示意图 如图1 1 所示，送端和受端分别为交流系统，两者用直流输电系统连接。直 流输电系统的换流器所需交流电源可由交流系统提供，该交流电源特殊要求，可 以是同步发电机或复杂的交流系统。在直流输电系统中，整流站与逆变站统称为 换流站。换流器是整流器和逆变器的统称，是直流输电系统的主要设备，它的功 能是实现交流功率和直流功率之间的相互转换。换流器是通过触发脉冲来控制换 流阀的断开和闭合的，以实现直流输电系统的交流功率与直流功率之间的相互转 换。 直流输电系统的工作过程为：交流功率由送端交流系统发出，经整流站的交 流母线、换流变压器到达整流器，整流器把交流功率转换成直流功率，然后经过 直流线路将直流功率输送给逆变站中的逆变器，然后直流功率被逆变器转换成交 流功率，交流功率再经过换流变压器、交流母线送到受端交流系统。 1 2 3 直流输电的主要元件 1 、换流器 换流器是完成交流功率和直流功率之间相互转换的设备。换流器是由阀桥和 换流变压器构成。阀桥包含有高压阀，高压阀即可是6 脉波，也可以是1 2 脉波。 2 山东大学硕士学位论文 换流变压器的作用是将交流侧电压等级转变成适合阀桥的电压等级，以便向阀桥 提供三相不接地交流电压源。由于变压器阀侧不接地，因此直流输电系统需要将 换流器的正极端或负极端接地，作为对地参考点。 2 、谐波滤波器 换流器在工作时会产生谐波电压和谐波电流。这些谐波会干扰通信系统，造 成电容器和附近的电机过热。因此，在换流器的两侧都需要装有滤波装置，以便 滤除谐波。 3 、平波电抗器 换流站每个电极均串联有平波电抗器，其电感一般可高达1 o h 。平波电抗器 在换流站中的作用为： ( 1 ) 防止逆变器换相失败； ( 2 ) 限制直流线路短路期间整流器中的峰值电流； ( 3 ) 防止轻负荷电流不连接； ( 4 ) 降低直流线路中的谐波电压和电流。 4 、交流断路器 在换流站交流侧装有断路器，起到使直流输电线路停运、排除变压器故障的 作用。因为可通过换流器的控制更快地清除直流故障，因此断路器不是用来排除 直流故障，仅用于排除交流故障。 5 、电极 直流输电线路一般采用大地作为中性导线。与大地相连接的导体称为电极。 电极需要有较大要的表面积，这样可以使接地极电流密度和表面电压梯度最小。 用金属导体直流线路输电线路形成回路，可以限制流经大地的电流。 6 、无功功率补偿 直流输电系统换流器在运行时需吸收无功功率。在稳态下，换流器消耗的无 功功率是传输功率的5 0 ；在暂态下，换流器消耗更多的无功功率。因此，必须 有无供电源为换流器提供无功功率。交流系统一般用并联电容补偿的形式为其提 供无功功率。直流输电系统所需部分无功功率，可由同步调相机或静止无功补偿 器( s v c ) 提供，用作交流滤波的电容也可换流器提供部分无功功率。 7 、直流输电线 程为背靠背直流输电，输送电压为2 7 0 k v ，输电容量为3 2 0 m w 。该工程连接了 加拿大的新布朗斯威克省电力系统和魁北克省电力系统。该工程为世界上首个采 用晶闸管换流器代替汞弧阀换流器的直流输电工程。随着该工程出现，在原有的 一 直流输电工程中，有部分工程用晶闸管换流器取代汞弧阀换流器。直流输电工程 的发展速度随着晶闸管元件技术水平提高和成本下降变得越来越快，工程规模也 越来越大。目前，世界上已有近百个直流输电工程，直流输电在远距离大容量输 电、电力系统联网工程和海底电缆输电方面得到广泛应用。直流输电技术随着大 功率电力电子技术和计算机控制技术等技术的发展得到进一步的发展和应用。随 4 山东大学硕士学位论文 着新型半导体器件的发展，新型半导体器件在直流输电工程中得到广泛的应用。 近年来，直流输电背靠背非同步联网、多端直流输电工程和采用新型半导体器件 的轻型直流输电工程发展很快。 1 2 5 国内外直流输电工程 世界上包括在建工程在内已有近百个高压直流输电工程。瑞典g o t l a n d 岛高 压直流输电工程( 2 0 m w 、1 0 0 k v 、9 0 k m 海底电缆) 于1 9 5 4 年建成投运，该工 程世界上第一条直流输电工程；巴西伊泰普工程( 3 1 5 0 m w ，6 0 0 k v ) 是最大 输送容量输电工程；瑞典到德国的b a l t i c 工程是世界上最长的海底电缆 ( 2 5 0 l ( 1 n ) 输电的直流输电工程；南非英加到沙巴工程是输送距离最长( 1 7 0 0 k m ) 的高压直流输电工程；魁北克到新英格兰工程是世界上第一个复杂的三端直流输 电工程；目前，世界上电流最大的高压直流输电工程在我国，如三常、三广和贵 广高压直流输电工程( 额定直流电流均为3 0 0 0 a ) 。欧洲和北美是高压直流输电 发达地区；美国是高压直流输电工程最多的国家；a b b 、s i e m e n s 等公司拥有 世界上最先进的高压直流输电技术。同为发展中国家的印度，已投运3 条架空直 流输电线路，同时印度正在积极实施用直流输电将五大区域电网互联的计划【2 j 。 我国从2 0 世纪8 0 年代末开始应用高压直流输电。从浙江穿山半岛至舟山岛 1 0 0 k v 直流海底电缆直流输电实验工程于1 9 8 8 年建成，该工程额定输电容量为 5 0 m w ，输送距离1 3 5 k m 。从湖北葛洲坝至上海的葛南双极直流输电线路于1 9 9 0 年投入商业运行，该工程是我国第一条长距离大容量高压直流输电线路，同时也 是区域电网直流互联工程，该工程额定容量为1 2 0 0 m w ，额定电压为+ 5 0 0 k v ， 输送距离为1 0 4 5 k m 。从广西天生桥至广州北郊的天广双极直流输电线路于2 0 0 1 年6 月投入商业运行，该工程额定容量为1 8 0 0 m w ，额定电压为+ 5 0 0 k v ，输送 距离为9 6 0 k m 。主要有三条直流输电线路将将西部电力输送到广东地区，这三条 直流线路分别是：天广双极直流输电线路；三峡至广东惠州，其额定容量 3 0 0 0 m w ，额定电压为+ 5 0 0 k v ，输送距离为9 7 5 k m ；第三条从贵州安顺至广东 肇庆，其额定容量也为3 0 0 0 m w ，额定电压为+ 5 0 0 k v ，输送距离为9 4 0 k m 。有 两条直流输电工程将湖北三峡的电力东送至华东地区，这两条直流输电工程分别 是：三峡左岸至江苏常州直流输电工程，额定容量为3 0 0 0 m w ，额定电压为 山东大学硕士学位论文 + 5 0 0 k v ，输送距离为9 7 0 k m ；三峡右岸至上海地区直流输电工程，额定容量为 3 0 0 0 m w ，额定电压为+ 5 0 0 k v ，输送距离约1 0 0 0 k m 。我国西北至华中背靠背直 流联网工程已于2 0 0 5 年投运，该工程将把西北3 3 0 k v 电网和华中2 2 0 k v 电网互 联起来，输送容量为3 6 0 m w 3 羽。包括在建高压直流输电工程在内，直流输电总 输送容量达1 8 0 0 0 m w 以上，总输送距离超过7 0 0 0 k m ，该两项指标均成为世界 第一。 1 2 6 直流输电系统的特点 1 2 6 1 直流输电系统的优点 高压直流输电与传统的交流输电相比具有以下优点： 1 、线路故障的自防护能力 当交流输电线路发生单相接地故障时，故障消除一般为需要0 4 o 6 s ，加上 重合闸时间，一般需要0 6 1 s 恢复。当直流输电线路发生单极接地故障时，整流 侧和逆变侧的晶体管阀立即关闭，电压降为零，直流电流降为零，直流单极接地 故障的恢复一般需要0 4 o 6 s 。交流线路采用单相重合闸消除故障，消除故障时 必须满足单相瞬时稳定，才能恢复供电；直流输电故障恢复则不需满足此条件。 此外，交流输电线路还存在重合于故障线路三相跳闸的可能，而直流线路则可通 过第2 、第3 次再启动，消除线路故障，恢复输电线路正常运行。 2 、功率传输特性 随着输电线路输送容量的不断增加，线路稳定性问题成为制约交流输电发展 的重要问题。一般采取串联补偿、调相机等措施以解决输电稳定性问题。由于直 流输电系统没有相位和功角，因此无需考虑稳定性问题。 3 、利用直流输电调节作用能提高交流系统的稳定性 直流输电具有快速响应的特点，当交流系统发生故障时，利用直流输电的调 节作用，可以有效地提高交流系统的稳定性。 4 、作为不同频率之间的联络线 直流输电系统可以当作交流系统的联络线使用，直流系统既可用于连接额定 频率相同的交流系统，也可连接额定频率不同的交流系统。用直流系统连接的交 流系统之间既可相互交换功率，互为彼此备用，又可各自调节频率；当有冲击性 6 山东大学硕士学位论文 负荷存在时，直流输电可减少其对电力系统的影响；当发生故障时，直流输电不 但可以使无故障的系统对发生故障的系统的进行支援，还可以有效地限制故障扩 大到无故障系统，从而提高电力系统运行的可靠性和灵活性。 5 、直流输电系统的经济性【6 j 直流输电与交流输电在某一输电距离下，两者所需总费用是相等的，这一距 离被称为等价距离。当超过这一距离时，采用直流输电较为经济；反之，则采用 交流输电较为经济。根据国外的经验，等价距离大约为7 0 0 8 0 0 k m 。 1 2 6 2 直流输电系统的缺点 直流输电换流器采用晶闸管，由于晶闸管为半控性元件，它必须借助交流母 线电压的过零点进行关断，因此直流输电技术存在一些缺陷： l 、直流输电系统受端网络没有足够容量时容易发生换相失败，这将造成几 个周期内不能传送电力，因此直流输电系统受端网络必须有足够的容量，即必须 有足够的短路比, ( s c r - s h o r tc i r c u i tr a d i o ) 。 2 、因为直流输电技术无法进行换相，因此直流输电无法实现向无源网络( 或 孤立负荷) 供电。 3 、由于直流输电技术中的开通滞后角和熄弧角的存在，以及直流输电输出 波形的非正弦波，因此直流输电需要大量无功功率。直流输电需吸收的无功功率 数值约为直流输电输送直流功率的3 0 4 0 ，因此直流输电需要大量的无功补 偿设备；为了能可靠的换相，直流输电需要大量滤波设备。但当负荷减少时会出 现无功过剩，可能会导致过电压。而且这还加大了直流输电工程的投资和维护费 用。 为解决上述缺陷和大功率可自关断器件的出现，出现一种全新的高压直流输 电方式一柔性直流输电( f l e x i b l eh v d c ) 。柔性直流输电与传统直流输电相比较具 有紧凑化、模块化设计和可以实现多端直流输电等优点。柔性直流输电是清洁新 能源的开发和利用上必不可少甚至是唯一的输电手段。可见，柔性直流输电必将 成为一个在未来不可或缺的输配电系统。 7 山东大学硕士学位论文 性直流输电的数学模型，并在该模型基础上确立了两个控制量与两个被控制量的 合理关系。 2 、设计了整流侧采用定直流电压、逆变侧采用定交流电压的控制系统，建立 了柔性直流输电的仿真模型，并采用m a t l a b 进行仿真。 3 、利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件构建了柔性直流输电的仿真模型及控 制系统，研究了稳定状态和三相短路情况下，柔性直流输电的特性，并给出了相 应的仿真结果。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章柔性直流输电系统 高压直流输电技术诞生于2 0 世纪2 0 年代，但直到1 9 5 4 年，世界上第一条 一 高压直流输电线路才建成，该线路为连接瑞典本土和g o t l a n d 的岛的直流线路， 自此直流输电技术进入了商业化时代。多年来，高压直流输电系统普遍采用晶闸 管和自然换向技术，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，在换向过程中，存在换向失败的问题。为解决此类问题，出现了采用了电压 源换流器技术的柔性直流输电。 脉宽调制( p w m ) 技术原本在小功率和中低压系统中得到广泛的应用，随 着新型大功率高压可关断电力电子器件( i g b t 、g t o 、i g c t ) 的出现，脉宽调 制( p w m ) 技术开始被用于输电换流领域。，加拿大m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等于1 9 9 0 年首先提出一种新的直流输电概念，该新型直流输电利用了基于脉宽 调制控制的基于脉宽调制( p w m ) 技术【7 ，8 】。在此基础上，a b b 公司提出了柔 性直流输电的概念，该柔性直流输电主要将电压源型换流( v s c ) 技术与聚合物 电缆相结合。1 9 9 7 年3 月世界上第一次柔性直流输电试验在位于瑞典中部的格 兰斯堡和赫尔斯杨之间进行。柔性直流输电技术从此开始进入商业应用阶段【9 】。 柔性直流输电技术是一种基于脉宽调制( p w m ) 技术、可控关断器件和电 压源换流器的新型直流输电技术。柔性直流输电技术具有可以向无源网络提供电 能、能够快速实现有功和无功的独立解耦控制、易实现多端直流系统和采用柔性 直流输电的换流站间无需通讯等优点。 2 2 柔性直流输电系统的基本原理 柔性直流输电单线原理图如图2 1 所示。柔性直流输电的送端和受端均采用 电压源型换流( v s c ) 技术，两端的换流器具有相同的结构。柔性直流输电由换 流器、交流滤波器、换流电抗器和换流变压器等部分组成。换流器的每个桥臂是 ? 由多个可关断晶闸管( g t o ) 或绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 串联而成。 1 0 u s a l u s b l u s c l 5 3 i “ h孤1 9 ” i l 一n ，、 m2 2 y 、m l i 3 l 一 ： 柔性直流输电系统单线原理图u s u s u s 其中为滤波器；2为换流电抗：3为电压源型换流器