（电气工程专业论文）背靠背直流电站控制系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 目前，高压直流输电技术日趋成熟，它在长距离输电、电网互连方面的独特 优点，已作为交流输电技术有力的补充而在全世界范围内广泛应用。尤其在于电 网互联方面，自从我国第一条背靠背输电工程灵宝背靠背直流输电工程建成 投于运行以来，背靠背直流输电系统已经成为我国不同电网系统互联的一个研究 热点。随着越来越多的背靠背直流输电工程的建设运行，有必要对其控制系统作 更深一步的研究与开发。 本论文以基于湖南省“十五”重大科技专项“高压直流输电新型换流变压器研 制”( 0 5 g k l 0 0 1 2 ) 建立的湖南大学新型输变电新技术试验平台为依托，对背靠 背换流站控制系统作了一系列研究工作。本文首先简要介绍了高压直流输电工 程的应用领域及研究现状。然后论述了背靠背直流输电系统及其控制系统，同 时介绍了试验平台中所采用的新型换流变压器的设计特点及新型滤波方式，以 及试验平台系统级控制及其实现方式。紧接着阐述了直流输电极控理论，在 m a t l a b 中建立了新型直流输电控制系统系统仿真模型，在交参数p i d 控制器 调节情况下对其稳态运行特性进行了仿真分析，提出了其不足之处。随后通过s 函数设计了一种基于b p 神经网络p i d 控制器的直流输电控制系统仿真模型，对 其稳态运行特性进行了仿真分析。最后设计了一套可用于背靠背直流输电控制 系统的基于d s p c p l d 的硬件平台。 关键词：直流输电；背靠背；控制系统；p i d ；神经网络；d s p i i 墼耋塑塞堡皇兰丝型至竺至窒 a b s t r a c t a tp r e s e n th v d ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m em a t u r eg r a d u a l l y ，i t s a d v a n t a g ei nl o n gd i s t a n c ep o w e r t r 锄s m i s s i o a n di n t e r c o i l e c t i o nb e t w e e np o w e r g r i d sh a sb e e na p p l i e dw o r l d w i d e l y a sap o w e r f u ls u p p l e m e tt ot h et e c h n o l o g yo fa c p o w e rt r a n s m i s s i o n e s p e c i a l l yi nt h ep o w e rg r i d si n t e r c o n e c t i o n ，m eb a c k t o b a c k h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ho ft h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e n d i f 诧r e n tp o w e rn e t w o r ks y s t e ms i n c em ef i r s tb a c k - t o - b a c kt r a n s m i s s i o ne n g i n e e r i n g o fo u rc o u n t f y t h e “n g b a ob a c k t o - b a c kt r a n s m i s s i o np r o j e c tp u ti n t oo p e r a t i o n a l o n gw i t hm o r ea n dm o r eb a c kt ob a c kh v d ct r a l l s m i s s i o np r o j e c tc o n s t m c t i o na i l d o p e r a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt od od e e p e rr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n ti ni t sc o m r o l s y s t e m t h ep r e s e n tp a p e rt a k e st h eh l l i l a nu n i v e r s i t yt e s tp l a t f o r mo fn e w t e c h n o l o g y i n p o w e rt r a i l s m i s s i o nw h j c hb a s e do nt h ek e ys c i e n c e & t e c h n o l o g yp r o j e c t 0 5 g k l0 0 1 2o ft h et e n t hf i v ey e a rp l a no fh u n a np r o v i n c e - r e s e a r c h m a u f a c t u r e o fn e w s t y l ec o n v e r t e rt r a n s f o m e rhh v d cp o w e rt r a i l s m i t t i n gs y s t e ma sd e p e n d ， h a sm a d eas e r i e so fr e s e a r c hw o r ko nt h eb a c kt ob a c kc o v e n o rs t a t i o nc o n n ? o l s y s t e m f i r s ti tb r i e n yi n t r o d u c e dt i l ea p p l i c a t i o nd o m a i na n dm ep r e s e n ts i t u a t i o no f r e s e a r c ho fh v d ct r a n s m i s s i o np r o j e c t t h e ni te l a b o r a t e dt h eb a c kt ob a c kd i f e c t c u r r e n tt r a l l s m i s s i o ns y s t e ma l l di t sc o n t r o ls y s t e m ，s i m u l t a n e o u s l yi n t r o d u c e dm e n e w - t y p ec o n v e n e rt r a n s f o r m e rw h i c ht h et e s tp l a t f o mu s e s ，m a i n l ya b o u ti t sd e s i g n f e a t u r ea l l di t sn e w t y p ef i l t e r i n gw a y s y s t e mc a s c a d ec o n t r o lo ft h et e s tp l a t f o r ma n d t h ew a yt or e a l i z ew e r em e n t i o n e d ，a l s o t h e ni te x p o u n d e dt h em e o r yo ft h eh v d c p o l ec o n t f o ls y s t e m ，a n de s t a b l i s h e das y s t e ms i m u l a t i o nm o d e jo ft h en e wh v d c t r a n s m i s s i o nc o m r o ls y s t e mi nm a t l a b ，a i l dc a r r i e do nt h es i m u l a t i o a n a l y s i s u n d e rt h es i t u a t i o nw h i c ha d o p t e dv a p i dc o m r o l e rt oi t ss t a b l es t a t eo p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e np i c k e du pi t sd e f i c i e n c y a f t e r w a r dah v d ct r a n s m i s s i o n c o m r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lw h i c hb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k sp i dc o t r o l e r t 1 1 f o u g ht h esf h n c t i o nw a sd e s i g n e d ，粕dc a 仃i e do t 1 1 es j m u l a t i o na 1 1 a l y s i sf o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fi t ss t a b l es t a t eo p e r a t i n g f i n a l l y ，ah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do n d s p c p l dw h i c hc a nb eu s e di nt h eb a c k t o b a c kh v d ct r a n s m i s s i o nc o n t r o l s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d k e yw o r d s ：h v d c ；b a c k - t o b a c k ；c o t r o ls y s t e m ；p i d ；a n n ；d s p i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：罾、蚝故日期：沙g 年f 月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 杀。蚴l日期：年 f 月弘日 日期：沙f 年r 月讪侣 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 直流输电的发展概况 直流电是人们最先认识和利用到的电能。1 9 世纪初期，人们从电报的传输中 获得启发，将其引用到电力传输的领域当中。法国物理学家德普勒提出：如果输 电电压选择得足够高，即使沿着电报线路也可能输送较大的功率到较远的距离。 1 8 8 2 年，通过装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机以及一条约5 7 公里的电报线 路，德普勒将电能输送到慕尼黑举办的国际展览会上，完成了第一次输电试验， 也是有史以来的第一次直流输电试验i l j 。 但到了2 0 世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存 在换向困难等技术问题，使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争， 直流输电技术进入了一个发展相对缓慢的阶段，而交流输电技术则在世界范围内 被广泛应用起来。 至2 0 世纪5 0 年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加， 电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济比较 结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有较好的经济效益和优越的运 行特性，因而直流输电重新被人们所重视。1 9 5 0 年苏联建成一条长4 3 k m 、电压 2 0 0 k v 、输送功率为3 万k w 的直流试验线路。1 9 5 4 年，瑞典把高压直流输电技术 应用于高特兰岛到瑞典本土的海底电缆，总长9 6 k m ，电压1 0 0 k v ，送电容量2 万 k w ，其换流阀为汞弧阀【2 1 。1 9 6 1 年，英法两国采用海底电缆，建成1 0 0 k v 、1 6 0 m w 、总长6 5 k m 的直流输电线路，把两国交流电力系统连接了起来，再次推动了 直流输电的发展。到6 0 年代，海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电，直流输 电方式在跨越宽阔海峡的特殊自然条件下，优点更为突出。8 0 年代，可控硅换流 器在大型直流输电工程中崭露头角，巴西的伊泰普直流输电工程，使直流输电压 达到士6 0 0 k v ，输电功率达到63 0 0 m w ，输送距离8 0 6 k m ，发展之迅速可见一斑。 我国高压直流输电起步较晚，1 9 7 7 年曾建成一条3 1 k v 直流输电工业性试验电缆 线路。浙江舟山跨海直流输电工程( 电压1 0 0 k v ，输电容量5 万k w ) 亦已完成。 1 9 8 7 年建成葛沪士5 0 0 k v 超高压直流输电工程( 西起湖北宜昌葛洲坝换流站，东 到上海奉贤) ，输送距离10 8 0 k m ，分两期建设，先建单极5 0 0 k v ，输送容量6 0 万kw ，1 9 8 8 年建成双极。该工程的两座换流站设备是从瑞士和西德引进的【3 1 。 近2 0 年来，随着电力电子技术的发展，高压直流输电迅速发展。白1 9 7 2 年加 拿大建成世界上第一座可控硅换流站以来，可控硅技术不断进步，容量增大，可 背靠背直流电站控制系统研究 靠性提高，价格逐渐降低，直流输电更趋成熟，已成为电力传输的一种重要方式。 特别是光纤和计算机等新技术的发展，使直流输电系统的控制、调节与保护更趋 完善，进一步提高了直流输电系统运行的可靠性。与此同时，直流输电应用于非 同步联络站也有较大发展，到1 9 8 5 年底世界上有芬兰一苏联非同步联络站等1 1 个工程相继投产，说明直流输电技术在交流电力系统的联网和分割功能方面将充 分发挥作用。 1 2 直流输电系统简叙 1 2 1 直流输电的基本构成 直流输电是以直流电的方式实现电能传输的输电方式。直流输电与交流输电 相互配合构成现代电力传输系统。目前电力系统的发电和用电的绝大部分均为交 流电，要采用直流输电必须进行换流。 一个简单的直流输电系统的组成如图1 1 所示，由换流器( 整流、逆变) 、换 流变压器、直流输电线路、滤波器、平波电抗器、无功补偿装置、控制与保护装 置等各种电气装置组成【4 1 。图中交流电力系统i 和i i 用直流输电系统相连。交流 电力系统提供换流器正常工作所必需的交流电源，该电源可以是复杂的交流电力 系统也可以是同步发电机，图中已设定交流电力系统i 为送电端，i i 为受电端。 直流输电系统工作原理是：由交流系统i 送出交流功率给整流站的交流母线，经 换流变压器1 ，送到整流器，把交流功率变换成直流功率，然后由直流线路把直 流功率输送给逆变站内的逆变器，将直流功率变换成交流功率，再经换流变压器 2 ，把交流功率送入受电端的交流电力系统i i 。 _ 二二二二= l 一 么 彤 = 刁_ 一 一 二二二二二l 整；j ；c 器 逆变器 图1 1 直流输电系统接线示意图 人们习惯将整流站与逆变站统称为换流站。将换流站内的整流器或逆变器统 称为换流器。通过换流器，实现交流电能和直流电能间的变换，达到不同系统间 电能输送的目的。 直流输电系统的构成可以分为两端和多端两大类【5 】。 两端直流系统的构成方式由可以分为单极系统、双极系统和背靠背直流系统 三种类型。 硕士学位论文 单极直流输电系统利用大地和海水作为回流回路。可以采用正极性或者负极 性。换流站出线端对地电位为正的称为正极，为负的称为负极。单极线路一般作 为负极性运行，这是因为负极性架空线路的电晕无线干扰小，且受雷击的几率也 比较小。按照回流电路的不同，单极系统的构成方式可分为大地( 海水) 回流方式 和金属回流两种方式。 双极直流输电系统是直流输电工程通常所采用的接线方式，这种运行方式比 较灵活，当双极系统中的一个极的线路出现故障时，可以采用单极大地回线方式 继续运行。当一个极的换流器出现故障或者检修时，则可以改接线路用该极的极 线作为回流电路，以单极方式运行，避免接地回路中出现大的电流。背靠背直流 系统是输电线路长度为零的两端直流输电系统，它主要用于两个非同步运行( 不 同频率或者频率相同但是不同步) 的交流电力系统之间的联网或送电，也称为非 同步联络站。如果两个被联电网的频率不相同( 如5 0 h z 和6 0h z ) ，也称为变 频站。背靠背直流系统的整流站和逆变站的设备通常均装设在一个站内，在背靠 背换流站内，整流器和逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，而其交流侧则分别 与各自的被联电网相连，从而形成两个电网的非同步联网。 多端直流输电系统是指与交流电力系统有3 个或3 个以上连接节点的直流输 电系统。两端直流输电系统既是多端直流输电系统的基础，也是特例。多端直流 输电系统的每个换流站都各自与交流电力系统连接，直流线路相互连接构成直流 网络。 1 2 2 直流输电的特点 根据以上介绍我们可以了解到直流输电方式与交流输电方式有明显的不同。 与交流输电系统相比较，直流输电系统有其独自的特点。直流输电工程的主要特 点与其两端需要换流和输电这两个基本点有关，直流输电技术的发展与换流技术 的发展，其中特别是大功率电力电子技术的发展有着密切的关系。 与交流输电相比，直流输电既具有一些优点，也有一些缺点。直流输电的优 点主要有【3 】，【6 h 9 】： ( 1 ) 可实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同期联络，提高 两侧交流系统互为备用以及事故紧急支援的能力，从而提高交流系统的稳定性和 供电的经济性。 如日本的新信侬背靠背高压直流输电工程将额定频率为5 0 h z 和6 0 h z 的两个 交流系统进行联网；我国潘家口抽水蓄能电站采用背靠背高压直流输电方式使 5 0 h z 交流系统与站内3 台可逆式抽水蓄能机组实现互联，使抽水蓄能机组的频率 可在3 6 5 0 h z 范围内变化，使机组运行在最佳效率区。 ( 2 ) 特别适合高电压、远距离、大容量输电。众所周知，随着输送容量和输 背靠背直流电站控制系统研究 送距离的不断增长，稳定问题越来越成为交流输电的制约因数。为了满足稳定问 题，常需采取串联补偿、静止补偿、调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提 高输电电压。但是，这将增加很多电气设备，使输电成本加大。直流输电因为没 有相位差，也就不存在稳定问题，只要输电线路两端的电压降、线损等技术指标 符合要求就可以达到传输的目的。由于高压直流输电不改变功角关系，因此不会 由于静态稳定或暂态稳定性能变差而降低输送容量。这是直流输电传输功率的重 要特点，也是它的一大优势。此外，当架空线路超过6 0 0 8 0 0 k m 或电缆线路超 过2 0 4 0 k m 时，采用高压直流输电比采用交流输电更经济。 ( 3 ) 尤其适合大区电网间的互联。大区电网互联是为了实现资源共享以及故 障后的紧急支援，要求线路上的潮流变化迅速并能双向传送。交流输电的潮流控 制取决于网络参数及发电机与负荷的运行方式，值班人员需要进行调度，因此， 潮流控制难于快速改变，只有采用电力电子器件的高压直流输电才能实现潮流的 快速、全部自动控制。 ( 4 ) 线路走廊。按同电压5 0 0 k v 考虑，条士5 0 0 k v 直流输电线路的走廊约 4 0 m ，一条5 0 0 k v 交流输电线路的走廊约为5 0 m ，但是一条同电压的直流输电线 路输送容量约为交流输电线路的2 倍，直流输电的线路走廊，其传输效率约为交 流线路的2 倍甚至更多一点。 ( 5 ) 线路功耗小、对环境的危害小。在电压等级相同、输送功率相等时，直 流输电线路较交流线路的有功损耗减小三分之一，没有无功损耗，而交流输电的 无功损耗很大。直流输电的空间电荷效应使直流架空线路产生的电晕损耗和无线 电干扰均较小，更容易满足环保要求。 ( 6 1 调节更快速、更准确，能提高交流系统的稳定性。换流站采用的是快速 可控的功率器件一晶闸管，可方便、快速、灵活、准确地实现有功潮流的增减和 双向传送，向交流系统提供功率、频率及电压支持。当交流系统发生故障或受到 扰动时，利用直流输电的调节作用，能有效地提高交流系统的稳定性。 ( 7 ) 线路故障时的自防护能力强。对于占线路故障8 0 9 0 的单相( 或单极) 接地而言，直流输电比之交流输电具有响应快、恢复时间短、不受稳定制约、可 通过多次自动再启动和降压运行来消除故障并恢复正常运行等多方面的优点。 ( 8 ) 不增加交流系统的短路容量。两个系统以交流互联时，将增加两侧交流 系统的短路容量，可能会造成部分原有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换 设备。通过直流互联时，不论哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大 的，因此不增加交流系统的短路容量。 然而下列因素限制了直流输电的应用范围： 1 ) 换流器的费用高。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送相同容量 时，直流线路单位长度的造价比交流低；而直流输电两端换流设备造价比交流变 4 硕士学位论文 电站贵很多。换流装置由许多高电压、大电流可控硅元件串并联而成，并附带有 均压电阻器、电容器、电抗器、冷却装置以及电子触发板等组成，约占直流输电 总投资的l 3 ，这就引起了所谓的“等价距离”问题。 2 ) 消耗无功功率多。换流器在运行时，需要消耗较大的无功功率。一般情况 下，整流器和逆变器所需的无功分别为有功功率的3 0 5 0 和4 0 6 0 。 3 ) 产生谐波影响。由于换流站采用了大量的电力电子元件，运行过程中必然 产生大量谐波注入电网造成电力系统谐波污染。谐波引起的交流电网的电压畸 变，使整流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法工作； 无论在正常负荷状态或在暂态过程中，系统谐波从各个方面影响继电器工作，可 能导致继电器保护装置误动作；与此同时，谐波会对自动装置以及通讯线路造成 不利的影响。 4 1 缺乏直流开关。直流没有波形过零点，灭弧比较困难。目前把换流器的控 制脉冲信号闭锁，能起到部分开关功能的作用，但在多端供电方式，就不能单独 切断事故线路，而要切断整个线路。 5 ) 不能用变压器来改变电压等级。直流输电主要用于长距离大容量输电、交 流系统之间异步互联和海底电缆送电等。与直流输电比较，现有的交流5 0 0 k v 输 电( 经济输送容量为1 0 0 0 k w ，输送距离为3 0 0 5 0 0 k m ) 已不能满足需要，只有提 高电压等级，采用超高压输电方式，才能获得较高的经济效益。 但是，随着直流技术的发展，直流系统的可靠性己经得到改善，换流站的费 用正在逐步降低，换流技术日趋成熟，控制的复杂性也得到解决。这就为直流输 电技术更广泛地应用于电力系统提供了条件。 1 2 3 直流输电在国内外的发展状况 直流输电的发展根据其换流装置的不同可分为汞弧阀换流时期、晶闸管阀换 流时期以及新型半导体换流设备的应用时期三个阶段【1 】【1 0 1 2 1 。1 9 2 8 年发明的具 有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，它不但可用于整流，同时也解决了逆变问题。 因此可以说大功率汞弧阀的问世使直流输电成为现实。这一时期称为汞弧阀换流 时期。由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高，可靠性较低、运行 维护不便等因素，使直流输电的发展受到限制。从2 0 世纪7 0 年代开始，随着电 力电子技术和微电子技术迅速发展，高压大功率晶闸管问世，晶闸管换流阀和微 机控制技术在直流输电工程中的应用，有效的改善了直流输电的运行性能和可靠 性，促进了直流输电技术的发展。晶闸管换流阀不存在逆弧问题，而且制造、试 验、运行维护和检修都比汞弧阀简单而方便。1 9 7 2 年世界上第一个采用晶闸管 换流的伊尔河背靠背直流输电工程在加拿大投入运行，开始了晶闸管换流时期， 在此期间，微机控制和保护、光电传输技术、水冷技术、氧化锌避雷器等新技术 背靠背直流电站控制系统研究 在直流工程中广泛应用，促使直流输电技术进一步发展。2 0 世纪9 0 年代以后， 新型氧化物半导体器件绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 首先在工业驱动装置上得到 了广泛的应用。1 9 9 7 年3 月世界上第一个采用i g b t 组成电压源换流器的直流 输电工业性试验工程在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3 m w 、l o k v ， 输送距离为l o k m ，这种被称为轻型直流输电的工程在小型输电工程中具有较好 的竞争力。在瑞典、澳大利亚、丹麦和美国等地已有轻型直流输电工程投入运行 【1 3 】【l4 1 。近期研制成功的集成门极换相晶闸管( i g c t ) 和大功率碳化硅元件，在 直流工程中有很好的应用前景。这类元件电压高、通流能力大、损耗低、体积小、 可靠性高，并且还具有自关断能力。因此这些新型的半导体换流器件将会取代普 通晶闸管，并将有力地推动直流输电技术的发展。 我国直流输电起步比较晚，它跨越了汞弧阀换流时期，在2 0 世纪7 0 年 代直接从晶闸管换流阀时期开始，同时对直流输电的其他设备也进行了试制，并 在西安和上海先后建立了相应的实验装置和实验工程。2 0 世纪8 0 年代，中国开 始建立直流输电工程，到目前为止有8 条直流输电工程已经投运或者正在建设。 他们分别是：舟山直流输电工程、葛洲坝一南桥直流输电工程( 简称葛一南直流 工程) 、天生桥一广州直流输电工程( 简称天一广直流工程) 、嵊泗直流输电工 程、三峡一常州直流输电工程( 简称三一常直流工程) 、三峡一广东直流输电工 程、贵州一广东直流输电工程以及灵宝背靠背直流输电工程。 随着三峡电站2 0 0 3 年投运，国家电力公司部署了“西电东送、南北互联、全 国联网”的方针。大区电网将逐步互联，系统规模将进一部扩大u ”。到2 0 3 0 年 左右，西电东送的电力将分北、中、南三条通道送出。北通道主要将陕北煤电和 黄河上游水电送往北京、天津、河北和山东，中通道和南通道主要通过直流线路 将西南水电送出。直流输电技术在我国的发展前景广大。 1 3 本文的研究背景及意义 我国的国土幅员辽阔，水能、煤炭资源较丰富，然而资源分布不均，石油、 全国可开发水电资源的约2 3 分布在四川、云南、西藏三省区，煤炭保有储量的 2 3 分布在山西、陕西、内蒙三省区，这决定了以煤炭和水资源作为主要发电资 源的我国，电能开发将主要集中在西南、西北和晋陕蒙地区。加上经济发达地区 集中在东部沿海地区，由于经济发达地区一般需要消费较多的能源，然而这些地 区往往是发电资源较匮乏的地域。因此传输电的距离往往较长，且各地区电网系 统较为复杂，系统之间互联较为困难。目前根据我国电力系统的发展规划，在今 后的十到二十年之内，我国电网发展的战略是“西电东送，全国联网，南北互供”a 因为直流输电系统在远距离输电与系统互联方面有其独特的优势，因此，直流输 电技术与背靠背换流系统必将在我国得到更广泛的应用。不过我国的直流输电技 6 硕士学位论文 术水平和国外比较起来，在一次设备和二次设备的制造水平和应用水平上还存在 着一定的差距。为了进一步掌握高压直流输电工程建设的核心技术，全面实现直 流输电工程国产化的战略方针，从2 0 0 1 年起，结合三广、贵广直流工程的建设， 许继集团和南瑞公司分别引进了西门子公司和a b b 公司的直流控制和保护的制 造技术【l “，并将西北和华中联网的背靠背直流输电工程作为我国第一个直流国 产化的依托工程【1 7 】。该工程是于2 0 0 1 年2 月由国家计委批准立项，国家电力公司 负责建设的我国第一项背靠背直流联网工程。换流站地址设在河南省灵宝市，所 以这个工程又称为灵宝背靠背直流输电工程。该工程已经成功投入运行，对于以 后的背靠背换流系统研究，有着指导性的意义。 湖南大学新型直流输电系统是通过采用湖南大学刘福生教授提出的一种新 型换流变压器自耦补偿和谐波屏蔽换流变压器( s e l f - c o u p l e dc o m p e n s a t i n g a n ds u p p r e s s i n gh a m o n i cc o n v e n e rt r a n s f o r m e r s ，s c c s h c t ) 及其滤波系统以 代替传统的换流变压器而建立的一套背靠背换流试验平台。作者对该系统极控方 式进行研究，并且参与了平台的系统级控制设计。本文以湖南大学新型直流输电 试验平台为依托，研究背靠背直流输电工程控制系统的实现。 1 4 课题来源及本文所做的主要工作 背靠背换流系统是一个快速高度可控的系统，且其控制理论与普通直流输电 系统相同。背靠背换流系统控制系统较为复杂，一般分为几个层次，分别为系统 级控制系统、极控系统以及换流阀控制系统。其中极控系统一般包括有基本控制 和附加控制。电力系统是一个开放、复杂的系统，它具有结构上多层，空间上高 维及运动方式上层间交互作用的特点。随着系统运行方式和运行点的改变，同一 系统的参数也会发生变化：此外电力系统中还含有大量未建模动态部分。因此， 无论是理论研究还是实际的运行控制，都难以采用十分精确的模型。神经网络具 有良好的非线性逼近能力，并具有较好的自适应性和鲁棒性，弥补了传统精确方 法的不足。本文研究了通过神经网络控制理论来提升控制器的性能。并设计了其 硬件实现平台。本论文的主要做的工作有： ( 1 ) 介绍了背靠背直流输电控制系统。论述了直流输电控制的分级系统，并 介绍了基于新型换流变压器的背靠背直流输电试验平台，阐述了系统结构框图、 形成机理、新型换流变压器接线方式及基本原理、换流器主电路及控制电路、滤 波系统及其系统级控制实现。 ( 2 ) 论述了直流输电极控理论，并根据实际的试验平台的运行参数建立了基 于p 1 控制试验平台的m a t l a b 仿真模型。给出了基于p i 控制的实际测量波形。 得出了仿真结果。 ( 3 ) 介绍了基于b p 神经网络自适应p i d 控制器的原理。设计了基于s 函数 7 背靠背直流电站控制系统研究 的b p p i d 仿真模型，并对其进行了仿真验证。最后将模型替换原新型背靠背直 流输电仿真模型中的p i d 控制器进行了仿真。得到了仿真结果。 ( 4 ) 设计了一套用于背靠背直流输电级控系统开发的基于d s p ，c p l d 硬件平 台。阐述了平台系统结构，外围系统以及接口扩展。 硕士学位论文 第2 章基于新型换流变压器的背靠背换流站控制系统 研究 2 1 背靠背直流输电系统的介绍 背靠背换流系统是输电线路长度为零的直流输电系统。这种类型的直流输电 主要用于两个非同步运行( 不同频率或相同频率但非同步) 的交流电力系统之间 的联网或送电，也称为非同步联络站。如果被联的两个电力系统的额定频率不相 同，也可称为变频站【5 1 。 采用背靠背换流工程对实现非同步联网具有以下优点【t o l ： ( 1 ) 背靠背换流工程因直流侧的电压低，整流器和逆变器装设在一个阀厅 内，换流站的设备相应减少，换流站结构简单，比常规换流站的造价低1 5 2 0 。 ( 2 ) 由于整流器和逆变器装设在一个换流站内，直流回路的电阻和电抗均很 小，同时又不需要远动通信传递信号，没有通信延时，因此其控制系统比常规直 流输电工程的控制系统响应速度更快。由于没有直流线路，因此直流侧的故障率 很低，从而使保护系统得到了简化。 ( 3 ) 利用直流输送功率的可控性( 包括输送功率的大小和方向) ，可以方便 的实现被联电网之间的电力和电量的经济调度。两网之间交换的功率在正常情况 下可以按照预先规定的负荷曲线进行，在特殊情况下可以按被联电网的需要随时 改变。因此，两网之间交换的电力和电量均可根据需要进行人为地控制。 ( 4 ) 可方便的利用直流输送功率的快速控制来进行电网的频率控制或者阻 尼电网的低频振荡，从而提高了电网运行的稳定性和可靠性。 ( 5 ) 由于背靠背换流工程无直流输电线路，换流站的损耗小，因此在运行中 可以方便的降低直流电压和增加直流电流来进行无功功率控制或者交流电压控 制，以提高电网电压的稳定性。 ( 6 ) 采用背靠背换流工程联网可不增加被联电网的短路容量，从而避免了由 此所产生的需要更换开关、断路器等问题。 ( 7 ) 由于背靠背换流工程直流侧电压低，有利于换流站设备的模块化设计。 采用模块化设计可进一步降低换流站造价，缩短工程的建设周期，提高工程的可 靠性。 由此可见，背靠背换流系统的造价低，设备制造难度小，运行的灵活性好， 是进行非同步联网的最佳选择。 9 背靠背直流电站控制系统研究 2 2 传统的背靠背换流站及其控制系统介绍 人们一般将背靠背换流站的全部控制功能按等级分为若干层次而形成的控 制系统结构。其主要特征是i l8 】： ( 1 ) 各层次在结构上分开，层次等级高的控制功能可以作用于其所属的低等 级层次，且作用方向是单向的，即低等级层次不能作用于高等级层次； ( 2 ) 层次等级相同的各控制功能及其相应的硬、软件在结构上尽量分开，以 减小相互影响； ( 3 ) 直接面向被控设备的控制功能设置在最低层次等级，控制系统中有关的 执行环节也属于这一层次等级，它们一般就近设置在被控设备近旁； ( 4 ) 当高层次控制发生故障时，各下层次控制能按照故障前的指令继续工 作，并保留尽可能多的控制功能。复杂的控制系统采用分层结构，可以提高运行 的可靠性，使任一控制环节故障所造成的影响和危害程度最小，同时还可提高运 行操作和维护的方便性和灵活性。 现代直流输电控制系统一般设有五个层次等级，从高层次等级至低层次等级 分别为：系统控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级、单独控制级和换 流阀控制级。当每极只有一个换流单元时，极控制和换流器控制可以合并为一个 级；当只有一回双极线路时，通常系统控制和双极控制合并为一级。图2 1 为一个 传统1 2 脉波背靠背换流站控制系统结构图。图中虚线部分为直流极控与换流控制 系统，上方部分为系统控制部分，下方部分为换流阀控制与单独控制级部分【l9 】【2 叭。 冒囵囵 机q 印茕务器。 囵j i 工f 站ii 工作站2 忙作励1 罐 站l a n 两 j 陌赤网 l 站l a n 接口 i 习l 划 l1 “l 磐篡；。! r 1 糯蒜。 h 蚓“l i - 碱攀i 。f 。11 iill 整流侧i l | | 嚣整流侧 l i蛙疏侧 | i蝴| l 盛普i i 唧o | l 篇l t 什仟 炉 = 掣尚 电抗器l 1 传统背靠背换流站控制系统结构图l 极控制系统的主要功能有： ( 1 ) 经计算向换流器控制级提供电流整定值，控制直流输电的电流。主控制 站的电流整定值由功率控制单元给定或人工设置，并通过通信设备传送到从控制 站： ( 2 ) 直流输电功率控制。其任务是根据功率整定值和实际直流电压值决定出 直流电流整定值； ( 3 ) 极起动和停运控制； ( 4 ) 故障处理控制，包括移相停运和自动再起动控制、低压限流控制等； ( 5 ) 各换流站同一极之间的远动和通信，包括电流整定值和其他连续控制信 息的传输、交直流设备运行状态信息和测量值的传输等。 图2 1 中极控系统从硬件结构上分为2 部分：直流极控柜( 设备层) ：包括主 机和i o 设备，完成直流极控系统的各项控制功能，与站l a n 网的接口。与运 行人员工作站及远动工作站的通信，与站控d ct f r 、直流系统保护、主时钟、 显示屏和间隔层的现场总线的接口。分布式i o 及现场总线( 间隔层) ：完成极控 系统所需的各种模拟量和状态量的采集；与v b e t m 、阀冷却控制保护子系统 c c p 以及换流变就地控制设备的接口。 换流器控制级主要负责控制换流单元。用于控制换流器的触发相位。主要控 制功能有：换流器触发相位控制，定电流控制，定关断角控制，直流电压控制， 触发角、直流电压、直流电流最大值和最小值限制控制，以及换流单元闭锁和解 锁顺序控制等。 换流阀控制级主要由地电位控制单元( 通常称为v b e ) 和高电位控制单元( 通 常称为t e ) 两个部分构成，主要功能为： ( 1 ) 将处于地电位的换流器控制级送来的阀触发信号作变换处理，经电隔离 光( 或磁) 耦合或光缆送到高电位单元，再变换为电触发脉冲，经功率放大后分别 加到各晶闸管元件的控制级； ( 2 ) 晶闸管元件和组件的状态监测、高电位控制单元中直流电源的监视。监 测信号经电隔离或光缆传送到地电位控制单元，经处理后进行显示、报警等( 这 部分设备通常称为t m l 。 单独控制级主要包括换流站中对除换流器外其他各项设备的自动控制、操作 控制和状态监测设备，与换流阀控制级同属于最低层次的控制级别。单独控制功 能包括：换流变压器分接开关切换控制，阀冷却控制保护子系统c c p ，直流和 交流开关场各断路器、隔离开关的操作和状态监视，直流滤波器组的投切操作和 监测，交流滤波器组和无功补偿设备的投切操作、自动控制和状态监测等。 系统控制级是直流输电控制系统中级别最高的控制层次，主要功能包括： 背靠背直流电站控制系统研究 ( 1 ) 与电力系统调度中心通信联系，接受调度中心的控制指令，向调度中心 输送有关的运行信息； ( 2 ) 根据调度中心的输电功率指令，分配各直流回路的输电功率。当某一直流 回路故障时，将少送的输电功率转移到正常的线路，尽可能保持原来的输电功率； ( 3 ) 紧急功率支援控制； ( 4 ) 潮流反转控制； ( 5 ) 各种调制控制，包括电流调制和功率调制控制，用于实现交流系统振荡 的阻尼控制，交流系统频率或功率频率控制等。 2 3 基于新型换流变压器的背靠背直流输电实验平台介绍 2 3 1 新型换流变压器介绍 谐波抑制换流变压器主要用于高压直流输电工程，用于代替传统换流变压 器。其三相换流变压器的接线方案如图2 2 所示。图2 2 ( b ) 的绕组构造与图2 2 ( a ) 完全相同，只是绕组连接次序不同，为的是使两台三相换流变压器的二次 侧线电压相位相差3 0 0 角度，以便分别接到6 脉波三相整流桥的交流侧。两个6 脉波三相整流桥串联连接，以构成1 2 脉波整流电路，形成波纹较小的直流电流 进行远距离输电。这种结构的外部特性相当于两台三相y y l 2 和y d l l 接法的换 流变压器【2 1 。2 6 1 。 ( a ) 新型三相换流变压器前移1 5 。接线 新型三相换流变压器后移1 5 。接线 圈2 2 谐波抑制换流变压器的接线方案 1 2 硕士学位论文 谐波抑制换流变压器的每一相相当于一台3 绕组谐波抑制变压器，负载接入 延边绕组的出线端，滤波器接入闭合的三角形绕组的连接处，即抽头位置。谐波 抑制换流变压器的匝数关系为 旦：兰盟 职：! 三职：塑( 2 1 ) s i 1 5 。s i 4 5 9 。 s i n 4 5 。一s i n l 5 。 2 其电压相量图如图2 3 所示。两台三相换流变压器的二次侧线电压相位，一个前 移1 5 0 ，另一个后移1 5 。，故二次侧两个线电压之间相差3 0 0 。 图2 3 谐波抑制换流变压器的电压相量图 新型换流变压器主要有以下几点特性； ( 1 ) 由于中间抽头将阀侧绕组分成自耦相联的三角形绕组和延边绕组二部 分，相当于自耦变压器的公共绕组和串联绕组，相互是电磁耦合的，同时内部三 角形也相互关联。当一次侧母线某一相电压突变引起二次侧电压变化时，由于自 藕可降低阀侧绕组的电压、电流变化斜率和幅值，保护换流变压器的绝缘材料， 减小工作噪声。同时，绕组结构通过自身耦合作用，可使阀侧绕组电流在换相角 内很难于达到短路最大电流，避免短路电流对换流器的冲击。 ( 2 ) 由于在阀侧抽头处接入滤波支路，功率因数得到了明显提高，即通过线 路和原方绕组只输送有功电流。由于无功补偿可减少网损和压降，因而该变压器 与原变压器比较在技术上和经济性上均得到改善。 ( 3 ) 传统方案采用网侧滤波，谐波电流通过换流变压器的阀侧绕组和网侧绕 组，给换流变压器的制造带来很大困难。而新型换流变压器在阀侧抽头处接入滤 波支路有利于谐波屏蔽，能有效避免各次谐波传播至网侧。 新型换流变压器仿真模型如图2 4 所示。 背靠背直流电站控制系统研究 图2 4 新型换流变压器及其配套滤波装置仿真模型 2 3 2 系统结构与内部电网形成机理 针对湖南省“十五”重大科技专项( 0 5 g k l 0 0 1 2 ) “高压直流输电新型换流 变压器研制”的研究计划，设计了相关的新型直流输电系统试验平台。其结构框 图如图2 5 所示。 直孤 左一 折型接左舅输电右一俸搬右翻 嘣 毓鼙匪换孤戤换毓椴压内替 曩胜器及翼毒殛路 黯理 鼍：匣翼削 电期交褫童募控 及l翼控交i f 童 电啊 形随渣系统制系狲制幕 汪幂统形成 机蛆统被暑毵岫 图2 5 直流输电系统试验平台框图 图中，外部三相电源经左侧和右侧内部模拟电网形成机组变成频率为5 0 h 2 、 电压为3 8 0 v 的标准三相电网，其电压中不含有任何谐波成分。系统的电能既可 从左侧向右侧传递，又可从右侧向左侧传递，即实现可逆运行。当电能从左侧向 右侧传递时，左侧换流器工作在整流状态，右侧换流器工作在逆变状态。左侧内 部电网向两台三相新型换流变压器供电，新型换流变压器的阀侧绕组分别接到两 个整流桥的交流侧，两个整流桥串联连接，以构成1 2 脉波整流电路，形成直流 电流送入直流输电模拟线路。右侧逆变器将逆变出来的交流电送入传统换流变压 器的阀侧绕组，传统换流变压器的网侧绕组接入右侧内部模拟电网，再将电能反 馈回外部电网。当电能从右侧向左侧传递时，工作过程正