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(电力系统及其自动化专业论文)高压直流输电系统的仿真建模.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
华北电力大学硕士学位论文 摘要 控制系统是高压直流输电工程的核心单元,可以充分发挥直流输电系统的优越 调节性能和适应各种运行方式的需要。对高压直流控制系统进行仿真分析,是研究 灵活交流输电系统暂态性和稳定性良好的重要手段。由于电磁暂态实时仿真在直流 控制保护的研究、实验和检测中发挥了重要的作用,因此本文在自行开发的软件基 础上自定义仿真模型库,并设计仿真流程,采用电磁暂态实时仿真的方法对高压直 流控制系统进行仿真。论文搭建出仿真所需要的一次系统和二次系统模型,并优化 模型节点个数,提高计算效率,以达到系统仿真实时性和准确性的要求。然后对直 流工程中常用的换流器触发控制和双极功率控制系统进行仿真,结合工程中常用的 运行参数,对模型的有效性进行验证和分析,实验结果表明该方法的有效性。 关键词:高压直流输电,电磁暂态实时仿真,滤波器伴随模型,换流器触发控制, 双极功率控制 a b s t r a c t c o n t r o l l i n gs y s t e m ,w h i c hi st h ec o r eu n i to fh v d cp r o j e c t ,h a sn i c ef l e x i b i l i t yt o e x e r tt h eb e s tp e r f o r m a n c eo fr e g u l a t i n ga n df o rv a r i o u sr u n n i n gm e t h o d s s i m u l a t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e mo fh v d ci sa ni m p o r t a n tw a yt or e s e a r c hh o wt oa c h i e v eg o o d t r a n s i e n ta n ds t a b l e p e r f o r m a n c eo fa ca n dd cp o w e rs y s t e m n e t w o r k a s e l e c t r o m a g n e t i s m t r a n s i e n tr e a l - t i m es i m u l a t i o nh a sp l a y e da n i m p o r t a n t r o l e i n r e s e a r c h i n g ,t e s t i n ga n dd e t e c t i n g t h ed cc o n t r o la n dp r o t e c t i o ns y s t e m ,t h ep a p e r a d o p t st h i sm e t h o dt os i m u l a t ei tb a s e do nt h es e l f - d e v e l o p e ds o f t w a r e t h ep a p e rb u i l d s t h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ys y s t e mm o d e l ,a n di to p t i m i z e st h en u m b e r so ft h en o d e ss o t h a ti tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o m p u t a t i o n a la n da c h i e v et h ed e m a n do fr e a l t i m e a n da c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n t h e ni ts i m u l a t e st h ec f ca n db p p cc o n t r o ls y s t e m c o m b i n e dw i t ho p e r a t i n gp a r a m e t e r sc o m m o n l yu s e di ne n g i n e e r i n g ,t h ep a p e rv a l i d a t e s a n da n a l y s i st h ev a l i d i t yo ft h em o d e l ,a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v e h u ih u i ( p o w e r s y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m aj i n k e yw o r d s :h v d ct r a n s m i s s i o n ,e l e c t r o m a g n e t i s mt r a n s i e n tr e a l t i m es i m u l a t i o n , a c c o m p a n i e dm o d e lo ft h ef i l t e r , c o n v e r t e rf i r i n gc o n t r o l ,b i p o l ep o w e r c o n t r 0 1 l 华北电力人学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1高压直流输电技术的发展及特点1 1 2国内外直流输电仿真的研究现状2 1 3选题背景及意义3 1 4论文的主要内容4 1 5 论文的创新点和难点4 第二章直流输电系统的基本原理6 2 1 直流输电的主要设备6 2 2 换流器的工作原理7 2 2 1 换流器的基本电路7 2 2 2 整流器的工作原理8 2 2 3 逆变器的工作原理1 2 2 3 直流输电系统的基本控制方式1 4 2 3 1 直流输电系统的基本控制原理15 2 3 2 理想控制特性1 5 2 3 3 实际控制特性1 6 2 4 小结1 8 第三章系统仿真的设计思想1 9 3 1 系统仿真的算法和基本思想1 9 3 2 仿真的基本流程2 0 3 3 自定义模型库的设计2 2 3 4 小结2 3 第四章直流工程中的一次系统仿真建模2 4 4 1 集中参数元件模型2 4 4 1 1 电感支路元件模型2 4 4 1 2 电容支路元件模型2 5 4 1 3 电阻支路元件模型2 6 4 2 滤波器模型及其简化处理2 6 4 3 仿真实时性的实现2 8 4 3 1 滤波器模型简化效率分析2 8 4 3 2 操作系统的选择和仿真流程的优化3 1 4 4 小结3 3 i i 华北电力大学硕十学位论文 第五章直流工程中的二次系统仿真建模3 4 5 1 换流器触发控制( c f c ) 3 4 5 1 1 直流电流控制3 5 5 1 2 直流电压控制3 8 5 2 双极功率控制4 1 5 2 1 双极功率分配4 1 5 2 2 极单独功率控制4 2 5 3 录波器模型4 4 5 4 小结4 6 第六章仿真实验和结果分析4 7 6 1 仿真运行参数及实验内容4 7 6 2 实验结果及分析4 8 第七章总结与展望5 7 参考文献5 8 致谢6 0 在学期间发表的学术论文和参加科研的情况6 2 i i i 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1高压直流输电技术的发展及特点 电力科学的发展,人们对电力的应用和认识首先是从直流电开始的。但是随着 生产的发展以及电能需求的不断增加,直流输电由于其自身的限制已经不能满足输 电要求。随着技术的发展,人们逐步掌握了多相交流电路原理,并发明了交流发电 机、变压器以及感应电动机;因此,交流输电几乎完全取代了直流输电,并发展成 为现在的规模巨大的交流电力系统。 尽管如此,直流输电并没有被完全放弃,许多科学家及工程人员都预见到直流 输电的必要性。一方面是由于交流输电自身的问题,比如长距离大容量的功率输送 问题、不同交流电网的同步互联问题等。另一方面,直流输电又有许多优点,它能 长距离大容量的输送功率、能够连接两个不同步的电网且不增加系统的短路容量。 由于交流输电系统发展的局限性,直流输电技术又重新被人们所重视。同时随着直 流输电技术的不断进步及其在许多方面具有交流系统无法比拟的优越性使得直流 输电越来越为人们所接受。与交流输电相比,直流输电有如下优势: ( 1 ) 高压直流输电是采用两线制的两极直流输电线路,而现在的高压交流输电 是采用三根三线制输电线路,这样,直流输电线路比交流输电线路节省了一根输电 线,自然节省了三分之一的输电材料; ( 2 ) 输送同样的电能,由于直流输电线路比交流输电线路少了一根线,所以线 路电阻上的损耗也比交流输电上的少了三分之一; ( 3 ) 直流输电时,发电和用电的交流系统无需同步运行,而交流输电时,这两 个系统必须同步运行。我国的交流系统中,交流电的频率为5 0 h z ,各系统必须按这 个频率同步运行,否则容易造成停电事故,甚至损坏设备。而用直流输电线路互连 的交流系统不涉及此类问题,两端的交流系统可以按各自的频率和相位运行; ( 4 ) 在海底或地下等特殊条件下输电必须用电缆,而电缆线路总是有不可忽略 的电容,加上交流电压,线路上就有电容电流,它降低了电缆的输电能力。用直流 输电,电缆虽有电容,但却没有电容电流,输电能力比交流情况下大得多: ( 5 ) 直流输电线路中的两极是独立调节和工作的,彼此间并无影响,因此,当 一极发生故障时,只需停运故障极,另一极仍可继续工作,只是输送的电能减少了。 在交流输电时,只要有一相发生故障,就要全线停电检修: ( 6 ) 直流输电线路可分期建设,分期投入运行。先建一极,并与大地或海水构 成回路。待负荷增大后,再建另一极。 直流输电的诸多优点,使之成为各国跨区电网的重要骨架,应用于更为广泛的 华北电力大学硕士学位论文 领域,主要为: ( 1 ) 远距离大功率输电; ( 2 ) 海底电缆送电; ( 3 ) 用地下电缆向大城市供电; ( 4 ) 不同频率或同频率非周期运行的交流系统之间的联络; ( 5 ) 交流系统互联或配电网增容时,作为限制短路电流的措施之一; ( 6 ) 配合新能源的输电【1 h 3 1 。 1 2 国内外直流输电仿真的研究现状 电力系统的科学试验和研究从来都离不开仿真技术,它为电力系统的发展起到 了重要的推动作用。电力系统的仿真可分为物理仿真和数字仿真。随着电力系统的 发展,系统规模和复杂程度的增加,采取物理模拟的方法对实际系统进行仿真受到 限制。由于电力系统数字仿真具有:不受原有系统规模和结构复杂性的限制、保证 被研究和试验系统的安全性、具有良好的经济性和便利性、可用于对设计未来系统 性能的预测等优点,现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具。随着计算机和 数值计算技术的飞速发展,为电力系统数字仿真的发展提供了坚实的基础,使得电 力系统数字仿真技术得到了迅速地发展。同样,作为电力系统中的直流输电系统也 是如此,对直流输电系统的仿真也同样经历了物理仿真和数字仿真的发展阶段,数 字仿真的诸多优点也使之成为分析直流系统的重要工具【4 h 5 1 。 对直流输电的数字仿真主要分为两个方面:离线仿真和实时仿真。 离线仿真是指对直流系统的物理过程建立数学模型,应用计算机进行仿真计算, 其仿真速度与实际系统的动态过程不同。在对仿真模型的处理上,对直流输电系统 的仿真建模可以分为电磁暂态建模和准稳态建模两大类。由于直流输电系统中有晶 闸管和换流装置等电力电子装置的快速暂态特性和一些非线性元件引起的波形畸 变特性,而准稳态建模是基于交流系统量的正序相量模型,在分析不对称故障和预 报换相失败时是不精确的,因此对直流输电系统的精确仿真必须采用实时电磁暂态 建模方法。电磁暂态过程是指电力系统各个元件中电场和磁场以及相应的电压和电 流的变化过程。电磁暂态过程仿真采用数值计算方法对电力系统中从几微秒到几十 毫秒的电磁暂态过程进行仿真。直流电磁暂态仿真建模一般是对直流系统中各元件 包括交流滤波器、换流变压器、换流器、避雷器、平波电抗器、直流滤波器、直流 输电线路、直流接地极、直流控制与保护系统、直流测量系统及交流等值系统等进 行仿真建模分析【6 】。常见的仿真软件有e m t p 、加拿大m a n i t o b a 直流研究中心开发 的p s c a d e m t d c 、德国西门子公司开发的n e t o m a c 以及国内深圳殷图公司和 清华大学联合开发的d d r t s 等。 2 华北电力人学硕士学位论文 实时仿真必须按照实际系统运行的时序要求来完成仿真过程的每一个步骤。由 于电力系统的实时仿真有实物系统介入仿真模型,所以要求仿真模型的时间比例尺 完全等于原始模型的时间比例尺。在2 0 世纪9 0 年代初,加拿大m a n i t o b a 直流研究 中心r t d s 公司率先推出国际上第一台电力系统实时仿真系统r t d s ,r t d s 的核心 软件是e m t d c ,图形界面是p s c a d 。接着,加拿大魁北克水电研究所的t e q s i m 公司也开发了电力系统实时仿真系统( h y p e r s i m ) ,主要用于电力系统电磁暂态 仿真,其核心软件是e m t p 程序。法国电力公司( e d f ) 开发的a n e n e 实时仿真 系统,其核心软件也是e m t p i7 】圳。目前,电力系统的实时仿真已成为进行电力系 统试验研究、规划设计、调度运行和状态安全评估的重要工具。 1 3 选题背景及意义 高压直流输电工程自1 9 5 4 年在瑞典g o t l a n d 投入工业化运行以来,至今经历了 汞弧换流和晶闸管换流两个时期,目前世界上已有六十多项直流输电工程投入运 行,在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统联网工程中得到 较大的发展。特别是在2 0 世纪8 0 年代后,大功率电力电子技术及微机控制技术等 高科技的发展,进一步促进了直流输电技术的应用与发展。 我国对高压直流输电的研究起步较晚,从6 0 年代初才开始。1 9 7 7 年,在上海建 成并投运了我国第一条3 l k v ,4 6 5 m w ,长9 6 k m 的地下电缆直流输电试验线路。 1 9 8 7 年我国自行研制建设的舟山直流输电试验工程投入运行,此后,我国相继投建 了葛洲坝上海、天生桥广东、三峡常州、三峡广东、贵州广 东、灵宝背靠背、三峡上海等直流工程。目前还计划建设溪洛渡、向家坝向华 中直流输电工程,广东与海南的直流电缆联网工程等。此外,从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年 的十年间,我国还将建设直流线路1 2 条,输电容量可达3 7 0 0 万k w 。直流输电技 术的送电距离远、送电容量大、控制灵活和调度方便等特点,使得高压直流输电已 经成为了我国跨区电网的重要骨梨1 2 卜【l 引。 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。由于直流输电系 统发展相对较晚,对直流输电系统的仿真工作的开展相对于交流系统也较为落后, 目前为止,对直流输电系统的仿真研究仍处于初级阶段,与实际运行的系统相比还 存在很大差异,大多数对直流控制系统的仿真研究都基于国际大电网会议( c i g r e ) 标准【1 4 h 1 5 】测试系统或直流控制模型比较简单,如文献【1 6 卜【2 6 】。c i g r e 标准测试 系统是用于直流输电控制研究的标准系统,便于用各种仿真程序或仿真器在相似的 3 华北电力大学硕士学位论文 主电路模型上进行不同的直流控制设备和控制策略性能的比较研究,其直流系统主 电路结构相当简单,直流控制的行为还不能准确模拟。文献【2 7 卜 3 l 】虽然对直流控 制系统的仿真模型做出更为详细的改进,但所采用的是离线仿真的方法,且仅仿真 了直流控制系统的一部分,跟实际系统的运行相比还有很大差距。文献f 3 2 卜f 3 5 1 是 通过数模混合仿真的方法,对直流输电的一次系统进行数字仿真,与实际的直流控 制保护系统或仿真装置相连,对其进行测试试验,并未对直流控制保护系统进行建 模仿真研究。电磁暂态仿真是分析直流系统运行以及与交流系统相互作用的有效手 段之一,特别是暂态实时仿真在直流控制保护的研究、实验和检测中发挥了重要的 作用。因此本文对高压直流控制系统的仿真采用电磁暂态实时仿真的方法。 1 4 论文的主要内容 直流控制系统是直流输电的大脑,是整个直流系统中最重要的部分,是直流输 电系统安全、可靠、稳定运行的保障。要准确地研究直流输电的动态行为,就必须 建立详细、准确、接近实际的控制系统仿真模型。因此,对直流控制系统的仿真建 模应采取实时的电磁暂态仿真方法。本文的主要内容包括以下几个方面: ( 1 ) 基于高压直流输电系统的基本构成及其运行原理,对高压直流控制系统的 控制方式进行了详细分析,为高压直流控制系统的仿真奠定了理论基础。 ( 2 ) 根据实际的直流工程,建立高压直流输电系统中的一次和二次仿真模型, 以一次系统中的滤波器和二次系统中的录波器为例说明模型的创建过程,并详细介 绍了对滤波器模型优化节点的实现方法。 ( 3 ) 分析了仿真实时性和模型详细度之间的矛盾,论文在搭建仿真模型的同时 兼顾了实时性和仿真准确性的要求,使仿真模型既接近于实际系统的运行状况,保 证了计算的准确性,又降低了计算存储空间,提升了计算效率。 ( 4 ) 运用直流控制系统的基本原理,对高压直流控制系统建立仿真模型,并设 计实验内容,对仿真结果进行验证和分析。 1 5 论文的创新点和难点 本文的主要创新点主要有以下几点: l 、模拟真实的直流输电控制系统,使仿真模型更为精确; 2 、对实际工程中的模型进行简化,优化节点个数,提升计算速率; 3 、仿真控制系统运行的时序,确保达到h v d c 的实时性和准确性的要求。 本文对高压直流控制系统进行仿真研究的难点主要有以下几点: l 、直流输电系统的控制装置功能繁多、逻辑复杂,工作量大; 4 华北电力大学硕+ 学位论文 2 、由于硬件资源上的限制,其所能仿真的系统规模是有限的,为了尽可能得完 整地仿真实际工程,必须对系统模型进行一些相应的处理和简化; 3 、在实际的工程中,有一些设备如交流滤波器等,包含的节点比较多,给实际 计算增加了不便,降低了实现计算的可能性,因此对这些元件进行仿真时, 要做一定的处理,以减少计算的节点数。 5 华北电力人学硕士学位论文 第二章直流输电系统的基本原理 2 1 直流输电的主要设备 以两端高压直流输电系统为例,高压直流系统的主要设备如图2 1 所示。 柑 厢 t _ t r l l 。l l tti 直流 滤波嚣 断略嚣 口 b 口 交流t 滤波嚣3 图2 1 两端高压直流输电系统的主要设备 图2 1 中主要设备如下【1 1 】: ( 1 ) 换流变压器。换流变向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。由于变压 器阀侧不接地,直流系统能建立自己的对地参考点,通常将阀换流器的正端或负端 接地。 ( 2 ) 换流器( 阀桥) 。它们完成交一直流和直一交流转换。换流器包括6 脉动 或1 2 脉动安排的高压阀。 ( 3 ) 直流平波电抗器。这些大电抗具有高达1 o h 的电感,可以降低直流线路 中的谐波电压和电流,防止逆变器换相失败,防止轻负荷电流不连续,限制直流电 流短路期间整流器中的峰值电流。 ( 4 ) 谐波滤波器。换流器在运行时在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电 流,这些谐波会导致电容器和附近的电机过热,并干扰远动通信系统。因此,在交 流侧和直流侧都装有滤波装置。交流滤波器一般安装在换流变压器的交流侧母线 6 勰l丁 _ 1_1tljr, |l 华北电力大学硕士学位论文 上。对单桥用交流滤波器吸收6 刀1 次谐波,对双桥吸收1 2 n 1 次谐波。直流滤波器 一般安装在直流线路两端,用来降低流入直流线路和接地极引线中的谐波分量。单 桥时吸收6 ,z 次谐波,双桥时吸收1 2 n 次谐波。 ( 5 ) 无功补偿装置。直流换流器运行时需要消耗大量的无功功率。稳态条件下, 换流器所消耗的无功功率占传输功率的4 0 6 0 左右,而暂态情况下无功功率消耗 更大。因此,必须在换流器附近提供无功电源。对于强交流系统,通常采用并联电 容补偿的形式。根据直流联络线和交流系统的要求,部分无功电源可采用同步调相 机、无功补偿电容器、交流并联电抗器和静止无功补偿器等来提供。用作交流滤波 的电容也可提供部分无功功率。 ( 6 ) 电极。大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线,至少在较短的时 间内是这样。与大地相连接的导体需要较大的表面积,以便使电流密度和表面电压 梯度晟小,这个导体被称为电极。如果必须限制流经大地的电流,可以用金属性回 路的导体作为直流线路的一部分。 ( 7 ) 直流输电线路。它们可以使架空线,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。 ( 8 ) 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3 6 】 【3 7 1 。 2 2 换流器的工作原理 2 2 1 换流器的基本电路 换流电路有多种可选择的结构,为保证阀截止时阀上的反向峰值电压较低,更 充分地利用换流变压器,高压直流换流器采用三相全波桥式电路为基本模块,即6 脉动换流电路。此外,比较常用的还有1 2 脉动换流电路,但由于1 2 脉动换流器是 由两个6 脉动换流器串联而成,因此可用6 脉动换流器来进行原理分析,其原理接 线图如图2 2 所示。图2 2 中,e 、 、乞为等值交流系统的基波正弦相电动势,loe b 为每相的等值换相电抗。 为了阐述简洁明晰,在以下的分析中若非特殊说明采用如下假设条件【3 8 】: ( 1 ) 三相交流电源的电动势是对称的正弦波,频率恒定。 ( 2 ) 交流电网的阻抗是对称的,而且换流变压器的激磁导纳忽略不计。 ( 3 ) 直流侧平波电抗器具有很大的电感值,使直流侧电流滤波后其波形是平直 的,没有波纹。 7 华北电力人学硕士学位论文 ( 4 ) 阀的特性是理想的,即通态正向压降和断态漏电流可忽略不计。 ( 5 ) 三相六个阀以l 6 周期( 6 0 。) 的等相位间隔依次轮流触发导通。 v l |i n z 州譬 j f 山仫仫 b n ,- c 、nzsnz n 仁 t j 仫 厅 图2 - 26 脉动整流电路原理接线图 换流器中的阀是一个仅能单相导通电子可控开关。阀从关断转入导通状态有两 个必要条件:一是阀两端电压为正,二是在阀的控制极上输入触发脉冲。阀导通后 就会处于通态,直到阀电流减小到零,并且阀电压保持一段时间等于零或负值时, 阀j 会转入关断状态。 2 2 2 整流器的工作原理 ( 1 ) 理想情况下的工作原理 所谓理想情况是指同一时刻换流桥上、下半桥各有且仅有一个阀导通,不考虑 变压器漏抗造成的叠弧【3 9 1 ,也不考虑阀导通时的触发延迟。整流器的输入、输出波 形如图2 3 所示。 图2 - 3 理想情况下整流器输入、输出电压波形 ( a ) 直流端m 、n 对中性点的波形( b ) 直流输出电压的波形 8 华北电力人学硕士学位论文 输入波形中的c l c 6 为自然换相点。由图2 3 可知,理想情况下整流电路的工作 特点为: ( 1 ) 每个时刻均需2 个晶闸管同时导通,从而形成向负载供电的回路,其中一 个晶闸管是共阴极组的,一个是共阳极组的,且不为同一相的晶闸管。 ( 2 ) 对触发脉冲的要求:6 个晶闸管的脉冲按k k 一巧一圪一圪一圪的顺序, 相位依次差6 0 。;共阴极组从k 、圪、圪的脉冲依次差1 2 0 。,共阳极组圪、圪、k 也 依次差1 2 0 。;同一组的上下两个桥臂,即巧与圪,巧与圪,圪与k ,脉冲相差18 0 。 ( 3 ) 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路正常工作,须保证 同时导通的2 个晶闸管均有触发脉冲。 ( 4 ) 整流输出电压巧一周脉动6 次,每次脉动的波形都一样,故该电路为6 脉 动整流电路。 在图2 3 中,取纵轴y 位于c o t = 3 0 。处,则曲线可用2 kc o s 缈t 表示,时问间 隔为卜三,- 万2 ,则可求出曲线e 4 6 包围的面积为: u0 a = i 衄c o s ( o t d t = 压ks i n 纠l 。= 缸 ( 2 1 ) 一6”6 由此可求出直流电压平均值为 巧。:;:塑= 1 3 5 v 。 ( 2 2 ) 3 ) k 交流线电压的有效值 巧。理想空载直流电压 ( 2 ) 实际工况下的工作原理 l 、考虑触发延迟 在实际状况下,整流器的阀并不是如图3 所示在c l 处导通,而是如图4 所示要 延迟一个角度口才能触发导通。从自然换相点到阀的控制极上加一个控制脉冲这段 时间,用电气角度来表示为触发延迟角口。此时整流器的电压波形如图2 4 所示。 取相同的周期进行积分,这段时间的积分面积为: 彳= 肇l 蛔c o s 础= 缸咖国r 睡= 厄c o s 口 他3 , 直流电压的平均值可由下式计算得到: :堂生塑:巧。c o s 口:1 3 5 k c o s 口 ( 2 4 ) l3冗 9 华北电力人学硕十学位论文 式中圪。:乏兰k :1 3 5 v 。,为图2 - 4 中理想情况下整流器输出的直流电压平均值。 万 由式可看出,加了触发延迟角以后,直流输出电压的平均值是原来的c o s 口倍,调节 口的值,就可以改变,从而调节直流输出功率的大小。 图2 - 4 考虑触发延迟时整流器电压波形 ( a ) 直流端r f l 、n 对中性点的波形 ( b ) 直流输出电压的波形 2 、考虑触发延迟和换相过程 如图2 5 所示,当已导通的阀k 切换至阀虼的过程中,由于交流电源内有电感, 和换流变压器存在有漏电抗,所以回路中的电流不能突变,即阀k 中的电流不会立 即降至零,而阀k 中的电流也不会立即上升到额定值,因此存在一个k 和k 共同导 通的时间,这段时间就叫做换相时间或重叠时间,阀k 和k 共同导通的这段时间用 电气角度来表示就是换相角。在这段时间内,相当于交流a 、b 两相短路,两相短 路电流在m a o b m 回路中流过。 0 一 y l ,一p z 玢z a x 知 ,厶j l f _ ,y r y l 一一 a , bl c厶 , lr y y 、 一一o b c1 c 厶 n w _ c 一 zn nz均 图2 5 换相电感引起的换流 1 0 华北电力大学硕十学位论文 日j 夕l j 出凹路万槿为: 2 k 鲁= 缸s 砌 ( 2 5 ) 对此微分方程进行求解得: 卜差c o s 酬+ c 巩c o s 耐+ c ( 2 6 ) 由于换相开始瞬问,即电路从一组阀导通换至另一组阀导通的瞬间,电流不会 突变,此时耐= 口,2 o ,所以c = 矗c o s 口 此时,2 盎( c o s 口一c o s 研) = 厶z ( c o s 口一c o s 研) ( 2 7 ) 勤列+ 吼l 2 2 矗( c 0 s 仆c o s 硝) 巩 c o s o - - 州口训】( 2 8 ) 式中为换相角,l 为直流电流平均值。 由上述的分析可知,换相过程实际上是交流系统短时间的两相短路过程,换相 是依靠电源提供的短路电流进行的。此时直流电压的波形如图2 - 6 所示。 图2 - 6 考虑触发延迟和换相时整流器电压波形 ( a ) 直流端i n 、n 对中性点的波形 ( b ) 直流输出电压的波形 由图可知,直流电压每6 0 。波形的面积为( a a a ) ,所以: 屹:( a - 鲋) :一3 a 一型:屹。c o s 口一y ( 2 9 ) 1 ) 】l 式中,鲋由于换相引起直流电压每6 0 。减掉的面积; 矿由于换相引起直流电压平均值的变化量; 华北电力人学硕+ 学位论文 由图2 - 6 可知: 鲋= f 疡喇n 国砒= - - 譬2 2 v , e o s a - c o s ( 口训】 y = 篇一3 z , f 万2 v 。 c o s t r - c o s ( 口荆】- 等 c o s 口一酬口训】 可知:a v :l d3 c 。l c :l 见 石 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 因此:圪= 巧oc 0 $ 0 f _ 一l 心 ( 2 1 3 ) 式中,r = g u i l - a c ,为整流侧等值换相电阻。 万 考虑换相角之后,直流输出电压比没有考虑时减低了a v 。由于a v 正比于,。, 因此换相的效应相当于直流侧有等效电阻疋,引起了直流输出电压的下降。但实际 上它并不是一个真正的电阻,因为它不会引起有功损耗。由于这时交流电压和电流 没有发生变化,直流功率的降低则可看作是交流侧有滞后功率因数的缘故,而使变 压器原边输出的有功由4 3 v 。i 降为x 3 k i c o s r p 。从波形上看,考虑了口和后,电流 的相位要比原来滞后一个缈角,这就是要求交系统供给滞后无功功率的原因( 如图 2 7 所示) ,也就是换流器在工作时吸收无功功率的原因。 j 叫卜 纨k。 0 i 二 图2 7 整流器的功率因数 为了实际应用的需要,定义两个参数:标称相对电感压降或和相对电阻压降4 。 标称相对电感压降以的定义如下: t = 昙,等 2 2 3 逆变器的工作原理 逆变器与整流器的换流装置相同,只是各自的运行条件不同。逆变器的工作原 理与整流器的工作原理有很多相同之处,主要的不同点是逆变器利用加在阀上的交 1 2 华北电力人学硕士学位论文 流电压处于负半周时使阀导通,此时口 9 0 。,直流平均电压巧为负值,圪此时起一 个反电势的作用。逆变器的等效电路如图2 8 所示。 + 工0m lj n7nsz玢s v d 、一 一 1 所7 玢玢土j 一 图2 - 8 逆变器等效电路 n 图2 - 8 中,系统的平均直流电压为叼,等值电抗为雎,直流母线m 、n 两极的接 法与整流器正好相反,m 接至上半桥的共阳极,n 接至下半桥的共阴极。 图2 - 9 为考虑触发延迟和换相重叠时逆变器的电压波形图。 图2 - 9 逆变器输出电压波形图 ( a ) 直流端m 、1 1 对中性点的波形( b ) 直流输出电压的波形 图2 - 9 中,= y - - 6 t ,为触发超前角;引入一个角6 = a + a ,为熄弧延迟角; y = 万一万,为熄弧超前角;a = 万一口= - r ,为换相角。 由于阀的单相导通性,换流器中的电流不能反向。巧的反向将引起功率的反向。 对于逆变器的运行特性来说,在变压器的原边必产生一个交变电势。正如直流电动 机一样,逆变器的直流电势与电流相反。由整流器提供的直流电压迫使阀电流克服 1 3 华北电力人学硕士学位论文 这一反电势而流过逆变器。为使换相成功,必须在换相电压变为负值前完成由退出 阀到加入阀的转换。例如,从阀k 到阀巧的换相,只有乞 巳时才能实现:电流从 阀巧转换到阀k 必须在 巳之前,而且需要有一个能使阀游离的足够的时间裕度 的条件下完成。 可见,要使逆变器正常运行必须满足如下四个条件: ( 1 ) 有一个提供换相电压的有源交流系统; ( 2 ) 在直流母线上加一个足够大的直流电压,以克服反电势的作用,才能使电 流流通: ( 3 ) 触发延迟角口在9 0 1 8 0 。之间。 ( 4 ) 在直流电压小于交流反电势的瞬时值时,为了保持电流的连续,直流回路 中要有充分大的电感,利用贮藏在磁场中的能量帮助电流连续导通而不致中断: 逆变器的换相过程和整流器相似,也是由逆变侧交流系统提供换相电流来实现, 所以根据换相原理也可推得直流电流的方程式: 厶2 了丢羡i ( c o s y - c o s ) = 厶z ( c o s y - c o s ) 2 1 4 式中,缈f 逆变侧交流侧的换相电抗。 因此,逆变器的直流平均电压为: 巧2 表如+ 鲋) 一屹。c o s 口+ ( 2 1 5 ) 石j( ,1s ) = 一巧oc o s ( 1 8 0 。一) + y = 屹oc o s f l + a v 其中,a a = 互1r 疡ks i n c o t d t = 孚 c o s 7 - c o s ( 厂训】 ( 2 1 6 ) 肌历a a = 厶等= 厶彤 ( 2 则巧= 圪。c o s f l + l ( 2 1 8 ) 式中,尺。:丝坚逆变侧等值换相电阻【3 】【3 6 h 4 2 1 。 2 3 直流输电系统的基本控制方式 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【14 1 。 1 4 华北电力人学硕士学位论文 2 3 1 直流输电系统的基本控制原理 根据式( 2 9 ) 和式( 2 1 5 ) 可推导出换流器的稳态数学模型,因此可以得到两 端直流输电系统的等效电路,如图2 1 0 所示。 ,一一p 如旦甩 破i i 争 争1 一纠 整流器 线路 逆变器 。 图2 1 0两端直流输电系统的等效电路 由图2 1 0 中所示的等值电路可以求得从整流器流向逆变器的稳念直流电流为: 。:u,o,-cosa-u,o,cosp ( 2 1 9 ) n d 。+ r i + i 整流器终端的功率为:兑= l ( 2 2 0 ) 逆变器终端的功率为:易= l = 吃一r e ( 2 2 1 ) 整流器和逆变器两端的电压为: 吃= 吃,c o s o ! 一l d 凡 ( 2 2 2 ) = v d o i c o s o ! 一l r p ( 2 2 3 ) 式中,:丝巨,:丝置 ( 2 2 5 ) 由图2 1 0 和式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可以看出,高压直流系统通过控制整流器和逆 变器的内电势来控制线路上任一点的直流电压以及线路电流( 或功率) 。具体地说, 可以从如下两方面调节输送的直流电流和直流功率: ( 1 ) 调节整流器的触发延迟角口或逆变器的熄弧角y ,即调节加到换流阀控制 极或栅极的触发脉冲相位。采用这种方式调节不但调节范围大,而且非常迅速,是 直流输电系统主要的调节手段【4 3 1 。 ( 2 ) 调节换流器的交流电势巨或e 。一般靠调节发电机励磁或改变换流变压器 分接头来实现,调节速度相对较慢且范围有限,是直流输电系统的辅助调节方式。 2 3 2 理想控制特性 1 5 华北电力人学硕十学位论文 为了满足前面所述控制特性的要求,电压调节和电流调节的设置应是分开的, 且要分别装到不同的换流端上。在正常运行条件下,整流侧采用恒定电流控制,使 流器运行于恒定电流( c c ) 状态以保持系统的稳定,逆变侧采用定熄弧角控制,逆变 器运行于恒熄弧角( t e a ) 状态以保证有足够的换相裕度。系统正常状态伏安特性如 图2 1 l 所示。 幻 c 图2 1 1 理想稳态伏安特性 在图2 - 1 1 中以电压和电流圪和电流,。形成坐标,a b 、c d 线上的点与整流器端 测量的值对应,从而逆变器特性包括了线路上的电压降。一般换相电阻略大于线路 电阻,逆变器的特性直线斜率为负且较小,如图中c d 线。e 点为理想稳态运行点, 同时满足整流器和逆变器的特性。 2 3 3 实际控制特性 整流器通过改变口角来保持恒定电流的大小,但口角不能小于其最小值( 口。;。) , 一旦达到口。i n ,就不可能再升高电压,整流器将运行在恒定的触发角状态。所以, 整流器特性曲线实际上有两部分,如图2 1 2 中a b 和f a 所示。f a 部分对应于定触 发角控制方式,a b 段表示正常的定电流控制方式。 图2 1 2 实际稳态伏安特性 由于实际的系统中的电流调节器的增益有限【3 0 1 ,定电流特性直线可能不是真正 1 6 华北电力人学硕+ 学位论文 垂直的,它决定于电流调节器,因此该特性曲线稍有倾斜,如图中g h 和a b 所示。 如采用p i 调节器时,c c 特性便是非常垂直的。在正常电压下,完整的整流器特性 由f a b 来定义。电压降低时,它将移动,如f 彳b 所示。 在正常电压下,逆变器的定熄弧角特性曲线和整流器的特性曲线相交于e 。但 逆变器的定熄弧角特性线( c o ) 不会与降低电压情况下的整流器特性曲线( f ab ) 相 交,所以,整流器电压的大幅度降低将会引起电流和功率在短时间内下降到零,从 而造成系统停运【29 1 。为了避免上述问题出现,逆变器也必须配置定电流控制器,且 其整定电流值要小于整流器定电流控制器的整定电流值,它们之间的差值为电流裕 度,如图2 1 2 中,。所示。电流裕度可确保两条定电流特性曲线不会相交。这样完 整的逆变器特性曲线包括两部分:定电流( c c ) 特性曲线和定熄弧角( c e a ) 特性 曲线,如图2 1 2 中d 础所示。 正常运行条件下( 如图2 1 2 中e 点) ,整流器控制直流电流,逆变器控制直流电 压。整流器电压降低时,运行条件如如图2 1 2 中e 。点所示。此时逆变器进入定电流 控制,整流器进入定触发角控制,建立电压。 除了有上述定电流、定熄弧角基本调节方式外,也有定电流和定电压的方式作 为基本调节方式。此种方式是用一个闭环电压控制以保持直流线路某点的电压恒 定,来取代调节熄弧角到固定值( c e a ) 。定电压控制和定y 角控制类似,都是逆变器 常见的控制方式。但与定y 角控制相比,定电压控制方式有利于提高换流站交流电 压的稳定性。例如由于某种扰动使逆变站交流母线的电压下降时,为了保持直流电 压,逆变器的电压调节器将自动地减少角,从而使逆变器的功率因数提高,消耗 的无功功率减小,有利于防止交流电压进一步下降或阻尼电压的振荡。如果逆变侧 采用定熄弧角调节,则当交流电压下降时,它将增大角以保持熄弧角不变,因此 逆变器的功率因数下降,消耗的无功功率增大,从而交流电压进一步下降,在某种 条件下甚至形成恶性循环,最终导致交流电压崩溃。定电压调节的另一个优点是, 在轻负载( 直流电流小于额定值) 运行时,由于逆变侧的熄弧角比满载运行时为大, 对防止换相失败更为有利。 基于此,本文采用的基本控制方式为整流侧定电流控制,逆变侧定电压控制, 控制框图如下图2 1 3 所示。 由于换流阀具有单向导电的特性,电流只能从同一方向流过换流器。利用换流 器的这一特性,使它在直流线路的一端按整流器运行,而另一端按逆变器运行,这 样就可以传输并控制从一个交流系统( 发送端) 到另一个交流系统( 接收端) 的功 率。整流侧采用定电流控制,逆变侧采用定电压控制,可以使得直流系统按一定的 功率传输,这也是直流输电系统的一般要求【4 4 】 【4 5 1 。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 2 4 小结 图2 一1 3 基本控制原理图 本章主要介绍了直流输电系统的基本原理。直流输电是将发电厂发出的交流电 经过升压后,由整流器转换为直流,通过直流线路送到受端,再经过逆变器转换成 交流,供给受端的交流系统。通过延迟触发角的控制,换流装置可运行在整流状念, 也可运行在逆变状态。这两种状态都需要吸取无功功率。换流站对交流系统是谐波 电流源,对直流系统则是谐波电压源。换流站的交流侧和直流侧都必须装设滤波装 置,交流侧的滤波装置除吸收谐波外,还提供部分基波无功功率。整流侧的定电流 控制,逆变侧的定电压控制,是两端直流输电系统正常运行时的基本控制方式。并 在高压直流输电线路等效电路的基础上建立了高压直流输电系统的数学模型。 1 8 华北电力入学硕+ 学位论文 第三章系统仿真的设计思想 3 1 系统仿真的算法和基本思想 对系统仿真的算法采用h w d o m m e
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