（电力系统及其自动化专业论文）基于rtds的vsc型直流输电建模与仿真.pdfVIP

华北电力人学硕十学位论文 摘要 v s c 型直流输电技术目前在国外已经得到成功的应用，但在我国 仍然是空白。本文重点研究了基于实时数字仿真器( r t d s ) 的柔性 化直流建模与仿真工作，其中包括二极管钳位式三电平换流器在有源 逆变与整流状态下的有功无功的独立控制，在此基础上提出了暂态时 无源逆变状态下换流器的控制策略，进行了受端为有源系统的功率传 输、换流器的四象限运行、直流电压调节以及潮流翻转试验；受端为 无源系统时稳态条件下功率传输、直流电压控制以及定交流电压可控 制试验；受端为无源系统时暂态条件下有功与无功需求发生较大变化 时的定交流电压控制试验。 关键词：v s c 型直流输电，实时数字仿真器，二极管钳位式三电平换流器，有 源系统，无源系统 a b s t r a c t v s c h v d ch a sb e e np u ti n t oa p p l i c a t i o ns u c c e s s f u l l ya b o a r d ，b u tt h e r ei ss t i l l n op r o j e c ti no u rc o u n t r y t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f v s c h v d cb a s e do nr e a l t i m e d i g i t a ls i m u l a t o r ， w h i c hi n c l u d et h e n p c ( t h r e e - l e v e ln e u t r a lp o i n td i o d e - c l a m p e dc o n v e r t e r ) v s ci n d e p e n d e n tc o n t r o l s t r a t e g yo fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ri nt h ec o n d i t i o no fi n v e r s i o na n dr e c t i f i c a t i o n ，p r o v i d e d t h et r a n s i e n tc o n t r o ls t r a t e g yw h e nv s ci sc o n n e c t e dw i t hp a s s i v en e t w o r kb a s e do nt h i s e x p e r i m e n t si n c l u d e dp o w e rt r a n s m i s s i o n ，f o u rq u a d r a n to p e r a t i o no fv s c ，d cv o l t a g e c o n t r o la n dp o w e rf l o wt u r n o v e rw h e nr e c e i v i n gs i d ei sp a s s i v en e t w o r k ；p o w e rt r a n s m i s s i o n ， d cv o l t a g ec o n t r o la n da cv o l t a g ec o n t r o lw h e nr e c e i v i n gs i d ei sa c t i v en e t w o r k ；t r a n s i e n t c o n t r o lw h e nc o n n e c t e dw i t hp a s s i v en e t w o r ka n da c t i v ea n dp a s s i v el o a d i n gc o m p a r a t i v e l y l a r g ec h a n g e y u a nm e n g ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e y w o r d s ：v s c - h v d c ，r t d s ，t h r e e l e v e ln e u t r a lp o i n td i o d e c l a m p e d c o n v e r t e r ，a c t i v en e t w o r k ，p a s s i v en e t w o r k 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r t d s 的v s c 型直流输电建模 与仿真，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：走整 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：勇选 导师签名： 华北电力人学硕+ 学位论文 i i 引言 第一章绪论 自1 9 5 4 年联接哥特兰岛与瑞典大陆之间第一个商业性直流输电系统投入运行以 来，高压直流输电( h v d c ) 在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相 同额定频率交流系统之间的非同步联接等场合得到了广泛应用。经过多年的研究工 作，h v d c 技术的性能有了很大的提高，如损耗降低、控制和保护技术更加先进、 谐波减少、噪音下降等等。但是传统h v d c 采用相控换流器p c c ( p h a s ec o m m u t a t e d c o n v e r t e r s ) 技术，仍存在一些固有的缺陷。例如需要安装大量的无功补偿以及滤波设 备，不能向无源网络供电以及只有应用于远距离、大容量输电力能发挥其经济上优 势。 进入9 0 年代以后，新型金属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广泛的应用。1 9 9 0 年m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 提出用p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制的电压源型换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，v s c ) 进行直流输电。1 9 9 7 年3 月世界上第一个采用i g b t 构成电压源换流器的直流输电工业 性试验工程一赫尔斯杨( h i l l s j 6 n ) 工程在瑞典中部投入运行，输送功率3 m w ，直流 电压1 0 k v ，输送距离1 0 k m 。从运行情况来看，不论是暂态还是稳态，该工程电力输 送稳定，换流器能够满足噪声水平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要 求。由于这种换流器的功能强，体积小，可以减少换流器的滤波装置，省去换流变 压器，简化换流器结构，a b b 公司将其称之为轻型直流输电( h v d cl i g h t ) ，s i m e n s 则将基于v s c 换流器的直流输电称为h v d c p i 惦，“p l u s ”表示电力连接系统( p o w e r l i n ku n i v e r s a ls y s t e m ) 【l 】并分别注册表明其专利权，s i m e n s 没有实际的v s c 型直流 输电工程。截至目前世界上已有l o 座基于v s c 的h v d c 工程，最大输电容量已达 3 5 0 m w ，a b b 公司在进一步研发输电容量可能达到1 0 5 0 m w 的h v d cl i g h t 输电工程。 目前输电容量的限制任然是制约v s c h v d c 发展的关键问题。 电力负荷的持续增长以及获得批准新的输电走廊的困难，这就意味着要有效的 利用现有输电资源，并更接近其热极限运行。交流线路在接近热极限运行时，损耗 就会增加，电能质量就会恶化，同时网络的稳定性就会受到影响。基于v s c 的直流输 电技术在帮助解决这些问题时具有很大的潜力。 华北电力人学硕士学位论文 1 2v s c h v d c 技术 1 2 1v s c h v d c 基本原理 v s c 型直流输电是一种基于电压源型换流器以及挤压型电缆的高压直流输电技 术( 图1 ) ，称为v s c h v d c 。v s c 的使用是v s c h v d c 区别传统h v d c 的关键，后者 所使用的普通晶闸管只能可控开通而不能可控关断电流：大功率i g b t 的迅速开断特 性使v s c 控制效果大为不同。它的高速通断特性将p w m 技术引入v s c 的构建中。 p w m 技术的应用使得瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值成为可能，实现v s c 的 四象限运行，从而能实现有功与无功的独立和迅速调节。 图1 基于v s c 的v s c 型直流输电原理图 1 2 2 几种输电技术的比较 对于交流输电、传统高压直流输电和v s c 型直流输电在技术上各有优缺点，对三 种输电技术的比较见表( 1 1 ) 表1 - 1 几种输电技术的比较 应用场合广泛应用于输大容量、远距离，受 配电端交流系统中必须 配有相应的旋转电 机发电机或同 步调相机1 ： 2 中小容量，经济容量已扩展到几十到 几百兆瓦 1 远距离无源网络供电，如岛屿，钻井 平台 2 电缆距离超过5 0 一1 0 0 k m ，或功率大 华北电力大学硕士学位论文 技术优点设备简单，可i 模块化，体积小，可搬迁，模块化的 靠，成本较低。大功率，远距离输电设计使v s c - h v d c 的设计、生产、安装 和调试周期大为缩短。换流器的主要 设备能够先期在工厂中组装完毕，并 预先做完各种试验。换流器的设计非 常紧凑且占地面积很小。一个6 5 m v a 的换流器仅占8 0 0 m 2 。一个2 5 0 m v a 的 换流器将占地3 0 0 0 m 引引。占地面积仅为 同等容量下传统直流输电换流器的 2 0 7 1 2 潮流反转时直流电流方向反转，而直 流电压极性不变，易于实现多端直流 网络m 川 3 不仅不需要交流侧提供无功功率而 且能够起到s t a t c o m 的作用。因此， 在交流系统故障时，v s c h v d c 可同时 向系统提供有功和无功支援，从而提 高系统功角和电压的稳定性n 2 1 4 送端与受端町不通信 。 5 交流侧电流可以被控制，所以不会增 加系统的短路功率。交流系统的保护 整定基本不需改变n 羽 运行与控采用传统的调 制节电力潮流的 措施，如机械控 制的移相器、带 负荷调变压器 抽头、开关投切 由于开通滞后角口 和熄弧角y 的存在及 波形的非正弦，传统 的h v d c 要吸收大量 的无功功率，其数值 约为输送直流功率 3 v s c h v d c 町在很短的时间调节逆变器 输出电压的相角与幅值，进而可以对 有功和无功功率进行单独地、迅速地 调整，同时还可以做到对交流系统频 率与电压的控制8 1 。 存在高频谐波，易于滤除 华北电力大学硕士学位论文 电容和电感、周的4 0 6 0 ，这就需要 定串联补偿装大量的无功补偿及 置等，只能实现滤波设备： 部分稳态潮流 的调节功能，而 且，由于机械开 关动作时间长、 响应慢， 1 2 3 基本控制方式 j 下常运行方式中，换流器可以各自独立地控制其无功潮流，但直流网络的有功 功率必须保持平衡。也就意味着整流侧吸收的有功必须等于逆变侧发出的有功加线 路功率损耗。如果出现任何差值，都将会引起直流电压的升高或降低。为了实现功 率的平衡，必有一侧换流器来控制直流电压，充当直流网络的有功平衡换流器，另 一侧换流器可在容量允许范围内设定有功功率【l0 1 。 v s c h v d c 中换流器主要有以下五中基本控制方式： 1 ) 定直流电压控制，这种控制方式控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功 率； 2 ) 定直流电流( 或功率) 控制，这种控制方式控制直流电流( 或功率) 和输送到交 流侧的无功功率；t 3 ) 定交流电压控制，这种控制方式只控制交流母线电压一个量；将变压器一次 电压稳定在某一预定值；同时也可以对风力发电站电压闪变进行控制 4 ) 黑启动控制方式，用于无源网络以及发电机的黑启动【6 】。 5 ) 多端直流控制方式，在多端系统中存在多送端时直流潮流的控制方式 其中1 、2 适用于与有源交流网络相联的情况，方式3 适用于给无源网络供电的 情况。对于一个v s c h v d c ，必需有一端采用定直流电压控制，另一端采用定直流 电流控制还是定交流电压控制取决于所联的是有源交流网络还是无源交流网络 1 0 , 1 5 , 1 6 】。如受端是无源网络则需采用定交流电压控制。 1 2 4v s c h v d c 技术特点 v s c h v d c 采用全控型可关断电力电子器件和触发控制上采用s p w m 或 s v p w m 控制，较之传统h v d c 在控制的灵活性上有很大的优势。与传统h v d c 相 比v s c h v d c 的特点为【1 , 5 , 8 , 1 2 , 1 7 , 3 0 , 3 1 , 3 2 】： 1 ) v s c 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，所以不需要外加的换相电压，受 4 华北电力大学硕士学位论文 端系统可以是无源网络，克服了传统h v d c 受端必须是有源网络的根本缺陷，使 利用h v d c 为远距离的孤立负荷送电成为可能。 2 ) 正常运行时，v s c 可以同时且独立地控制有功功率和无功功率，控制更加灵活方 便”而传统h v d c 中控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。 3 ) v s c 不仅不需要交流侧提供无功功率而且能够起到s t a t c o m 的作用，动态补偿 交流母线的无功功率，稳定交流母线电压”这意味着故障时，如果v s c 容量允许， 那么v s c h v d c 系统既可向故障系统提供有功功率的紧急支援，又可提供无功 功率紧急支援，从而既能提高系统的功角稳定性，还能提高系统的电压稳定性。 4 ) v s c h v d c 系统在潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统 h v d c 恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的 并联多端直流系统，克服了传统多端h v d c 系统并联连接时潮流控制不便、串联 连接时又影响可靠性的缺点。 5 ) 由于v s c 交流侧电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率”这意味着增加 新的v s c h v d c 线路后，交流系统的保护整定基本不需改变。 6 ) v s c 通常采用p w m 技术，开关频率相对较高，经过高通滤波后就可得到所需交流 电压，可以不用变压器，从而简化了换流器的结构，并使所需滤波装置的容量也大 大减小。 7 ) 模块化设计使v s c h v d c 的设计、生产、安装和调试周期大大缩短。同时，换 流器的占地面积仅约同容量下传统直流输电的2 0 。 8 ) 换流器间的通讯不是必需的，其控制结构易于实现无人值守。 9 ) v s c h v d c 的电网故障后快速恢复控制能力良好。 1 0 ) v s c h v d c 技术对于环境的电磁污染小。全世界目前有二个工程因为考虑了环 境因素而采用v s c 。h v d c 工程。 1 1 ) 线路建设快速灵活。v s c h v d c 工程的直流输电线路采用交联聚乙烯( x l p e ) 挤压聚合物直流电缆。世界上第一个v s c h v d c 工业试验线路工程是唯一完全 采用架空输电线的工程。其余九座v s c h v d c 工程皆是使用地下电缆铺设、海 底电缆铺设或者两者相结合的方式。线路建设的灵活性为工程建设节省输电走 廊的开支，缩短输电线路建设的时间，同时也为海上平台供电以及城市中心电 力增容的线路建设提供了新的方式。 1 3v s c h v d c 的实际工程应用 f a c t s 技术在全世界电力行业及工业生产中已经广泛应用，以v s c 为基础的 f a c t s 设备已大量应用，基于v s c 的h v d c t 程世界上已经有1 0 座，已完工及在建工 程见表( 2 2 ) 所示【13 1 。a b b 公司在进一步研发输电容量可能达到1 0 5 0 m w 的h v d c 5 华北电力人学硕士学位论文 l i g h t 输电工程。输电方式的可能会出现h v a c 、h v d c 和v s c h v d c - - 方竞争的局面。 表2 2目前全世界已完成及在建的v s c h v d c r t 程 h i i l l s j 6 n , 19 9 7 0 33m w s w e d e n g o t l a n dl9 9 9 0 65 0m wl h v d cl i g h t ， s w e d e n e a g l ep a s s ， 2 0 0 0 0 93 6 m w1 u s a t j a e r e b o r g , d e n m a r k d i r e c t l i n k , a u s t r a l i a 2 0 0 0 0 8 2 0 0 0 8m v al 7 2 m w 1 8 0m w3 m u r r a y l i n k , 2 0 0 22 2 0m w1 a u s t r a l i a c r o s s s o u n d ， 2 0 0 23 3 0m w1 u s a t r o l l o f f s h o r e , n o r w a y e s t l i n k , e s t o n i a f i n l a n d v a l h a l l o f f s h o r e ， n o r w a y 2 0 0 58 4m w2 2 0 0 63 5 0m wl 2 0 0 97 8m wl 1 0k v ( 双侧) 8 0k v ( 双侧) 士1 0k v 士8 0l 【v 1 3 2l ( v士1 5 9k v ( 双侧) 1 0 5k v士9k v ( 双侧) 11 0k v士8 0l ( v ( b u n g a l o r a ) 1 3 2 k v ( m u l l u m b i m b y ) 1 3 2k v士1 5 0k v ( b e r r i ) 2 2 0 k v ( r e dc l i f f s ) 3 4 5l ( v 土1 5 0k v ( n e wh e a v e n ) 1 3 8k v ( s h o r e h a m ) 1 3 2k v士6 0l ( v ( k o l l s n e s ) 5 6k v ( t r o l l ) 3 3 0 i ( v士1 5 0 k v ( e s t o n i a ) 4 0 0 k v ( f i n l a n d ) 3 0 0l ( v1 5 0k v ( l i s t a ) 1 1k v ( v a l h a l l ) 1 0k m 架空 输电线 2 x7 0k m 地下电缆 4 x 4 3k m 海底电缆 6 x5 9k m 地下电缆 2 x 1 8 0 k i n 地下电缆 2 4 0k r n 海底电缆 4 x7 0k m 海底电缆 2 x3 lk m 地下电缆 2 x7 4k m 海底电缆 2 9 2k m 海底电缆 工业试验线路， 唯一使用架空 输电线的工程 风力发电( 电压 支撑) ，铺设地 下电缆易得到 许可 电力交易，控制 非同步互联系 统，电压控制， 背靠背轻型直 流输电站 风力发电，并网 示范工程 电力交易，控制 非同步互联系 统，铺设地下电 缆易得到许可 电力交易，控制 非同步互联系 统，铺设地下电 缆易得到许可 提高联接的功 率输送能力，海 底电缆 环境冈素，长距 离海底电缆，海 上平台需结构 紧密换流器 远距离地下以 及海底电缆联 接，非同步互联 节约开支，提高 海上油田效率， 较少温室气体 排放 6 华北电力大学硕士学位论文 1 4v s c h v d c 研究现状 目前，国际上关于v s c h v d c 的研究，无论在工程实用化方面还是在基础理论 方面都已全面开展。国际电力方面的权威学术组织国际大电网会议( c i g r e ) 和i e e e ， 将其正式称为“v s c h v d c ”，即“电压源换流器型直流输电”。 国内关于v s c h v d c 技术的研究比较晚，目前处于起步阶段。浙江大学、华北 电力大学、中国电力科学研究院、华中科技大学等单位已经开展了这方面的基础理 论研究。研究主要集中在v s c h v d c 的仿真建模，控制和保护策略等。国内由于受 至i j a b b 公司宣传的影响，长期将v s c h v d c f l q 做轻型直流输电( h v d cl i g h t ) 。为 促进并形成自主知识产权，2 0 0 6 年5 月，国内权威专家在北京召开的“柔性( 轻型) 直流输电关键技术研究框架研讨会”会上，与会专家一致建议将该技术统一命名为 “柔性直流输电 ，对应英文名h v d cf l e x i b l e t 2 7 】。 目l i i ，研制成功的两电平v s c h v d c ，其容量最高为2 0 0 m w 左右【l3 1 ，还不能满 足传输更大功率的要求。此外，两电平变换器应用于大功率场合会引发诸多问题。 例如：需要笨重、耗能、昂贵的变压器；为得到高质量的输出波形而提高开关频率， 造成很高的开关损耗；为适应高电压的要求，采用器件串联，因而需要复杂的动态 均压电路等l l 引。 电压源型多电平变换器的思想从提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主 要有三种：飞跨电容式( f l y i n g c a p a c i t o r ) 、二极管箝位式( d i o d e - - c l a m p e d ) 以 及具有独立直流电源的级联式( c a s c a d e d ) 。在这三种电路结构中，二极管箝位型和 级联型的应用较为广泛。此外，多电平变换器功能的实现，不仅要有适当的电路拓 扑结构作为基础，还要有相应的p w m 调制方式与其配合，才能保证系统高性能和高 效率的运行。在过去的近二十年罩，大量的多电平变换器p w m 调制方法被提出，主 要分为两大类：基于载波p w m 和空间矢量p w m ( s v p w m ) 。多电平变换器从电路 拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点。 多电平v s c 结构，特别是二极管钳位式多( n p c ，n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 电平换 流器与其他多电平换流器结构相比，n p c 换流器使用较少数量的电容器和每相较少的 开关次数来产生需要输出的电压水平。本文着重研究二极管钳位式三电平的换流器 主电路结构，采用的调制方法为载波p w m 。 v s c 型直流输电的发展也推进了直流电缆的发展，a b b 公司的h v d cl i g h t 电缆 式一种新型的( 交联聚乙烯) 挤压聚合物直流电缆，成功测试的直流电压已达到 15 0 k v b 圳。与同等级电压的交流电缆相比挤压型电缆要更轻。v s c 型直流输电的电 缆铺设灵活既可以直接铺设到地下也可以铺设到海底，因此无论是城市中心电力增 容还是海上油田或者孤岛都可以由v s c 型直流输电来解决，同时这也极大的方便了 v s c 型直流输电工程的建设。 7 华北电力人学硕士学位论文 1 5 本文的主要工作 1 研究了电容器中点接地方式下，二极管钳位式三电平换流器在整流状态、有源 逆变状态和无源逆变状态三种开关状态模型的等效电路以及在d q 旋转坐标系下 的等效电路。 2 建立了电容器中点接地时二极管钳位式三电平换流器工作在整流状态、有源逆 变状态和无源逆变状态在a b c 三相静止坐标系下的开关函数数学模型以及在d q 旋转坐标系下的数学模型。 3 对二极管钳位式三电平换流器在整流状态和有源逆变状态的控制策略上进行了 相应的解耦控制研究。对稳态情况时无源逆变状念下二极管钳位式三电平换流 器的控制方法进行了研究。提出了受端为无源网络时v s c h v d c 的无源侧的暂 态控制方法。 4 在r t d s ( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) 上建立了二极管钳位式三电平换流器为 基础的v s c h v d c 系统模型。其中包括：受端为有源网络v s c h v d c 模型； 受端为无源网络的v s c h v d c 暂态与稳态负载模型。仿真分析了v s c h v d c 的控制特性。 8 华北电力人学硕士学位论文 2 1 引言 第二章二极管钳位式三电平换流器数学模型 电力电子器件在过去几十年的发展中经历了晶闸管、门极可关断晶闸管、电力 双极型晶体管和场控器件三个阶段。电力电子器件的单管容量与频率得到极大的提 高，但是在中高压大功率场合，两电平变换器靠单管仍达不到耐压要求。为了实现 中高压领域的变频调速应用，研究者们提出了功率开关器件的串并联方式、多重化 方式、降压一普通变频一升压方式、组合变换器相移s p w m 技术等等来解决单管 容量问题，但是均存在严重不足而很难应用于中高压变频场合。日本长冈科技大学 a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上提出的多电平变换器思想很好的解决了该问题。 该拓扑的直流侧串联两个电容分压实现三个电平，每个桥臂用4 个功率开关串联， 用两个串联的二极管和内部的功率开关井联，二极管的中心和电容的中心连接，实 现钳位，即中点钳位变换器。该拓扑中，各功率开关在断开的时候承受直流侧电压 的一半，因此适合用于高压大功率场合。且该电路可推广到任意的n 电平。 2 2 二极管钳位式三电平换流器拓扑结构 多电平换流器自2 0 世纪8 0 年代发展至今，已经由多种拓扑结构【1 4 , 1 9 】。多电平 换流器的拓扑结构可以分为三类：二极管钳位型( d i o d e c l a m p e d ) ；飞跨电容 型( f l y i n g c a p a c i t o r ) ；具有独立直流电源的级联逆变器型( c a s c a d e d i n v e r t e r sw i t h s e p a r a t ed cs o u r c e s ) ；这些换流器输出电压比通用两电平变频器输出电平数多，被 称为多电平换流器。与其它两种多电平拓扑结构相比，二极管钳位式多电换流器由 于结构简单，控制容易实现，已经逐渐成为多电平换流器的主流。 三电平换流器主电路拓扑图最早由德国学者提出，它的结构如图2 1 a 所示 1 4 , 1 9 , 2 7 , 2 9 , 3 3 , 3 1 】。这种拓扑结构是为了改善电压质量，降低电压谐波分量，在二点式的 基础上在中间直流回路增加了一个零电平( 由反并联的2 个开关器件引出，并把零电 平引入到逆变回路) 。后来经过日本学者研究，提出用功率二极管代替主开关管， 并利用中间的主开关器件把功率二极管引出的零电平加到输出端上。其结构如图 2 1 b 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 a 德国学者提出的方案b 日本学者提出的方案 图2 1 二极管钳位式三电平换流器一相结构原理图 由于这种拓扑结构采用的是功率二极管钳位得到的中点电平，因此有人又称这 种结构为中点钳位式结构( 或二极管钳位式结构) 。将三电平逆变器拓扑结构引入到 多电平逆变器中去，从而可得到实用的多电平逆变器结构。对于n 电平二极管钳位式 换流器，则需将直流分压电容改为( n 1 ) 个串联，每个桥臂主开关器件改为2 ( n 1 ) 个，每个钳位二极管分别跨接在j 下负半桥臂对应开关器件之间进行进行钳位。根据 日本学者提出的三电平换流器的拓扑结构，五电平换流器一相拓扑结构如图2 2 所 示。 图2 2五电平换流器一相原理图 二极管钳位式多电平换流器有以下特点： 1 电平数的增加，改善了输出波形，减小了输出波形谐波含量； 2 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平换流器相同的输出波 1 0 华北电力大学硕士学位论文 形，因而开关损耗小，效率高； 3 对于n 电平换流器，每个功率器件仅承受1 ( n 一1 ) 的母线电压，所以可 以用低耐压的器件实现高压大功率输出。 与传统的二电平拓扑结构相比较，二极管钳位式三电平逆变器主要优点是： 器件具有2 倍的正向阻断电压能力，并能减少谐波和有效地降低开关频率，从 而使系统损耗小；因为与吸收电路有关的电路电压只有一半，流入吸收电路的能 量小，即发热量减少，可使电路体积小。基于以上对于二极管钳位式三电平换 流器的分析，本文采用二极管钳位式三电平换流器来搭建v s c h v d c 系统模 型。 2 3 二极管钳位式三电平换流器数学模型 基于开关函数的三电平换流器模型，是对三电平换流器实际p w m 过程较为精 确的描述【1 4 】。准确的数学模型建立对于基于r t d s 的建模与仿真有十分重要的意 义。可以使v s c h v d c 控制更加精确。 2 3 1 整流状态下的二极管钳位式三电平换流器数学模型 1 静止坐标系下的数学模型 工作于整流状态下的三电平换流器电路拓扑结构如图2 3 所示，其相应的等效 电路如图2 4 所示。图2 3 ，图2 4 电路拓扑中三相电源中点n ，以及直流侧电容器 中点。接地。n 点与o 点不接地时，两点之问会形成电压差。图中u 。，u b ，u c 和i 。，i b ，i 。 为三相交流电压和电流，l ，r 分别为换流电抗器电感和包括换流器开关损耗的等 效电阻，c 1 ，c 2 为直流滤波器电容。l d c ，r d c 分别为直流测负载等效电感和电阻。 图2 3整流状态下三电平换流器电路拓扑结构 华北电力人学硕十学位论文 一n n 图2 4整流状态下三电平换流器开关状态等效电路结构 定义开关函数如下： 置= 3 ( 2 1 ) 粼 如图2 4 整流状态下的三电平换流器等效电路所示，当s a 连接到p 点开关函 数称为& 口，各开关状态函数命名以此类推。每个桥臂上有三个开关状态，对应的 开关函数分别为，& 。，& 一；& 珂；& 。，& 一。设三相电压平衡i d a + u b + u c = d ， 根据图( 2 4 ) 换流器的拓扑结构，可得三相静止坐标系下交流侧仉b ，c 三相回路电 压方程( 2 2 ) 式： 哮= 心吨一v ( s o ，。) 鲁= 一她一v ( & ，。) ( 2 - 2 ) 哮= 一她一y ( 最，。) 式中v ( s a ，o ) ，v ( s b ，o ) ，v ( s c ，o ) 为整流器三相交流输入端与直流中点。之间的电 压差，可由开关函数表示式( 2 3 ) 为： v ( s o ，d ) = s o , 屹l s 。屹2 1 ，( 咒，d ) = 咋- 一已匕： ( 2 - 3 ) 1 ，( ，d ) = s c p l ；。一s e n v 。： 根据基尔霍夫电流定律，直流侧节点p 的电流关系见式( 2 4 ) i p = i c i + i d c 。= c l 百d v c l ( 2 4 ) i p 2 s a a 七s b 口t b 七s c 乒c 1 2 一兰= ! ! 坐垄叁兰堡兰垡笙茎 _ _ _ _ - - _ _ _ 一一 推导可得： c i 百d v c l = + + t 一 ( 2 - 5 ) 同样对节点n 使用基尔霍夫电流定律可得到式( 2 7 ) ： f 2 铲t 卜一c 2 鲁( 2 - 7 ) h = 氏屯+ + 屯之 推导可得： 一c 2 孥= 。毛+ & + 屯乞+ 也 ( 2 - 8 ) + 之l + 2 2o ( 2 9 ) 推导可得： 一( c 百d v c i c 2 鲁) = 疋。乞+ 乇+ 之( 2 - 1 0 ) 对直流侧回路使用基尔霍夫电压定律可得式( 2 1 1 ) k 鲁一心饥( 2 - 1 1 ) 在上述方程式中：直流侧电容值c i = c 2 = c ；i o 为中点电流。静止坐标系下的 数学模型，表示为a d x d t = b x + d e ，交流侧三相电压平衡，矩阵d 为： r 1 0000 o 丫 d ：l0 1000 0i ( 2 一1 2 ) l0 0 100 0l 根据式( 2 2 ) 一式( 2 i i ) ，可得a b c 三相静止坐标系下的数学模型( 2 - 1 3 ) ，也 厶一 出 td i b l d t td i c 厶一 班 r 扯l l d t r 、d v c 2 l d t t d i 记 h c 百。 一r00 一s a ，s n n 0 0一r0 一s b ps b p 0 00一r s c ps 节0 s 叩s b p s c p 0 0 1 一s n ，一s 即一s c p 0 0 1 0001 1 一r d c + 1o o 01o 0 o1 o0 o 0 oo o 0o 卜_ 1 蚓 q - 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 数学模型可以看出，每相状态对应相应桥臂开关函数。对于中点 不接地系统，每相输入电流都是由三相开关函数共同决定，下文会有简单讨论。根 据数学模型可以得到整流状态下的三电平换流器，在静止坐标系下的等效电路模 1 3 i 2 kbk屹匕 华此电力大学硕十学位论文 型，如图( 2 5 ) 所示。由图可知，由于电容器中点接地所以中点电压被钳制在零。 # 争h 芈b p 袖芈。p k 三竺 引 。：( - 仁。n。节b舟bt。n。c：二亍 o 。 i 一+ 一v c 2 l 。 。 l 一n i n 图2 5整流状态下三电平换流器在静- i ：坐标系下等效电路模型 2 d q 旋转坐标系下的数学模型 基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略，控制通过电流反馈和电压前馈补 偿等环节，直接控制流过电抗器和变压器的电流，具有动态响应快、能实现限流等 良好的控制性能，a b b 公司的h v d cl i g h t 工程基本采用该控制策略。d q 旋转坐标 系下准确的数学模型对于控制系统的设计，实际的工程应用以及试验仿真建模控制 都有十分重要的意义。 从a b c 静止坐标系变换到qb 坐标系，再由q8 坐标系变换到d q 旋转坐标系， 通过等功率旋转坐标变换矩阵d 来实现【2 8 1 。 d = 延 c o s p c o s ( 乡一詈万)c o s ( p + 詈万) 一s i n 秒 一s i n ( 秒一；万)一s i n ( 9 + ；万) ( 2 1 4 ) 0 为电源侧a 相电压相角。 为得到整流状态下三电平换流器在d q 旋转坐标系下数学模型，需要对式 ( 2 1 3 ) 中涉及静止坐标系下的量进行坐标变换，如式( 2 1 5 ) 所示： 订= d 【乞订 2 i d 【】， ， ( 2 15 ) s q 遗- - s o s b ps c l r = d 疋。】r 在三相电源电压平衡条件下，可得旋转坐标系下的整流状态换流器数学模型如式 ( 2 1 6 ) 所示， 1 4 幻 砌勋勘 p。l pl p。l p。l 华：i ll g 力人学硕十学位论文 td i d j d t td i q l d t ，机i l d t r 扯2 l d t r d i 百 0 l g v c l v c 2 l d c+l量 u d ( 2 - 1 6 ) hj 根据式( 2 1 6 ) 可得到，整流状态下三电平换流器在旋转坐标系下等效电路模 型，如图( 2 6 所示) 。坐标变换之后，对称的三相基波正弦量变换为d q 轴的直流 量，交流电源侧则相当于两个受控的电压源。直流侧的换流器则等效为两个受控的 电流源。换流器的控制目标是使直流侧的电压稳定。 粤d p i d 聿q p i q 兰兰 + = v c l 1 ：1 分d件，d韦qn。q：手 oi ” i l + = v c 2 i i 。n m 图2 6整流状态下的三电平换流器在旋转系下等效电路模型 2 3 2 有源逆变状态下的二极管钳位式三电平换流器数学模型 1 静止坐标系下的数学模型 换流器的有源逆变在太阳能、风能并网发电以及一些含有v s c 的f a c t s 装置 有着十分重要的作用。a b b 公司在v s c h v d c 较早的工程应用便是g o t l a n d 岛的 风力发电机通过v s c h v d c 联接并网发电。在有源逆变状态下有功功率由直流侧 传输到交流侧，直流侧为稳定的直流电源魄，有源逆变状态下电路拓扑结构见图 ( 2 7 ) ，其开关状态等效电路见图( 2 8 ) 。 o o 。吨 o o 。 o o 。 一 一 l r 妒，础根o般砒吨o 华北电力大学硕十学位论文 1 i n n 图2 7 有源逆变状态下三电平换流器电路拓扑结构 设直流回路侧直流电压稳定，图( 2 7 ) 中直流电压由稳定的直流电源u d 。来表 示。v s c 拓扑结构与整流状态一样为二极管钳位三电平换流器。 一n i n 图2 8有源逆变状态下三电平换流器开关状态电路结构 根据图2 8 电路结构，可以得到交流侧回路电压方程( 2 1 7 ) ： 哮= - u 。- r i o + v ( 跏) 哮= 一一她+ y ( 咒，。) ( 2 1 7 ) 哮= - u c - r ( 跏) v ( s a ，o ) ，v ( s b ，o ) ，v ( s c ，o ) 可由开关函数表示，且与式( - 2 - 3 ) 相同： 根据基尔霍夫电流定律，直流侧节点p 的电流关系式如下： f k = ，+ 卜c i 鲁 ( 2 _ h 2 s o a + + 之 推导可得： q 百d v c l = 一( s a d 。+ f 6 + 之) ( 2 一1 9 ) 华北电力人学硕十学位论文 同样对节点1 1 使用基尔霍夫电流定律可得到式( 2 - 2 0 ) ： 推导可得： 仨囊蜮 c 2 - s d 小s b n s 船i d c 对节点0 有式( 2 - 2 2 ) ： 屯i o ：= i 叉t , 。+ 乞i 以+ s 乙+ s 推导可得： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) c l 百d v c l c 21 d y 厂e 2 = 疋。+ + 屯之( 2 - 2 4 ) 同上节，在上述方程式中：直流侧电容值c i = c 2 = c ；i o 为中点电流。静止坐 标系下的数学模型，表示为a d x d 。= b x + d e ，交流侧三相电压平衡，矩阵d 为： d = 一1oooo r oloo o oo一1o o ooo11 ( 2 2 4 ) 根据式( 2 1 7 ) 一式( 2 2 4 ) ，可得有源逆变时静止坐标系下的数学模型： td i n l d t td i b 厶一 d t td i c l d t r 机l l d t ，1 以2 乙一 d t r00 s 唯一s a n 0一r0 s b p s b p 00一r s p s 书 一s 叩一s b p s c p 00 s o ， s 印s p 00 毛 屯 i k l k 2 + 一lo ol oo oo oo oo 0o l0 ol ol 圈沼2 5 ， l ：| j 由上式可见，有源逆变的换流器数学模型与整流状态下的模型十分相似，由于功率 流动方向改变，电流方向改变，致使矩阵中某些项的符号改变。由数学矩阵可以得 到静止坐标系下的等效电路模型，如图( 2 9 ) 所示： 1 7 华北电力大学硕士学位论文 1 。i n n 图2 9有源逆变状态下三电平换流器在静止坐标系下的等效模型 2 旋转坐标系下的数学模型 d q 变换方法和上节相同，可以得到换流器在有源逆变时的数学模型如式( 2 - 2 6 ) 所示。与整流状态下数学模型相比，在该模型的交流侧三相电流方向发生了变化； 直流侧变成了恒压源。 td i d 厶一 d t td i q l d t r 机l l d t ，1 机2 o d t rc o l s d p s h 。a o l _ r s q , s q p i s 如一s q , 0 0 s d n s q ，0 0 白 0 v c , v c 2 + 一lo o一1 oo oo ( 2 2 6 ) 根据式( 2 - 2 6 ) 可画出在旋转坐标系下的有源逆变状态换流器等效模型，如图( 2 9 ) 所示。根据瞬时功率理论：输入到交流侧的有功和无功功率分别由图中i d ，i q 决定。 f n 图2 9有源逆变状态下三电