（电力系统及其自动化专业论文）轻型直流输电的数字仿真和控制策略的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着大功率全控型电力电子器件的发展，基于电压源换流器( v s c ) 和脉宽调 制( p w m ) 技术的轻型直流输电( v s c - h v d c ) 技术已经成为现实。本文首先分析了 电压源换流器的稳态功率特性，确定了对应v s c 稳态运行状态的四个变量，并总结 出适用于v s c - h v d c 系统的控制策略。在系统暂态模型的基础上，基于派克变换， 建立了同步旋转d q o 坐标系下的v s c 暂态模型，并设计了相应的解耦控制器，实现 了v s c 交流有功功率和无功功率的独立控制。最后利用p s c a d e m t d c 搭建了简单的 多端v s c - h v d c 的仿真电路模型，设计了v s c 向无源网络供电时的控制策略。仿真 分析了无源阻感负荷功率波动对多端v s c - h v d c 运行特性的影响。 关键词：电压源换流器，脉宽调制，轻型直流输电，解耦控制器，多端直流 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rt u r n o f fp o w e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ， v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) b a s e dh v d c ( v s c - h v d c ) h a s b e e nr e a l i z e d i n t h i s t h e s i s ，t h es t e a d y s t a t ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n t r o lp a t t e r n sa n d s t r a t e g i e so fv s c - h v d ca r ea n a l y z e df i r s t l y t h e nb yc o n s i d e r i n gt h et r a n s i e n t m a t h e m a t i c a lm o d e la n dp a r kt r a n s f o r m a t i o n ，t h et r a n s i e n tm o d e lo fv s ci nd q o f l a m ei se s t a b l i s h e da n di t sd e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri sa l s od e s i g n e d i nd q of l a m ea n d w i t ht h ed e c o u p l i n gc o n t r o l l e r ，v s cc a nc o n t r o li t sa c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r i n d e p e n d e n t l y f i n a l l y , w i t ht h eh e l po fp s c a d e m t d c ，u n d e rd i s t u r b a n c es u c ha s p o w e rv a r i a t i o no fp a s s i v el o a d ，t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i t e r m i n a l v s c h v d ca r es i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e d s o n gx i a o s o 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 il i uz o n g q i a n dp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ， v s c h v d c ，d e c o u p l i n gc o n t r o l l e r ，m u l t i - t e r m i n a lv s c h v d c 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文轻型直流输电的数字仿真和控制策略 的研究，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：皇：盔墨 e l 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：。坠j 盘马 e t 期：盟 导师签名f 扭。 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 自1 9 5 4 年世界上第一个工业性直流输电工程在瑞典投入商业运行以来，高压 直流输电技术( h v d c ) 已经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结等场合得到了广泛的应用。 直流输电的广泛应用，得益于其在经济与技术方面的诸多优点。与交流输电 相比，直流输电在经济上具有线路造价低、年电能损失小的优点；在技术上，亦有 交流输电无法比拟的优点，如：直流输电不会改变功角关系，因此输送容量和距离 不受同步运行稳定性的限制，用于大容量远距离输电很有利；由直流输电联结两个 不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统，可各自实现调频，便于大 区电网互联时分区调度管理，并可提高两端交流系统互为备用以及事故时紧急支援 的能力，从而提高了系统的稳定性；直流线路导线之间和导线对地之间虽然也存在 着电容，但由于直流线路在正常运行时电压纹波很小，基本没有电容充电电流，因 此长距离电力电缆送电宜采用直流输电；直流输电技术在开发利用新能源、新发电 方式以及新储能方式等方面，也是一种很有效的手段。 尽管直流输电具有显著的技术特点，但由于交直流转换的核心器件一换流器采 用的是半控型晶闸管，这就决定了该项输电技术也存在多处不足，主要为以下两点： ( 1 ) 直流输电受端系统必须是有源交流网络，为换流器中晶闸管的可靠关断 提供换相电流，无法向无源系统输送功率； ( 2 ) 晶闸管换流器在进行换流时需要消耗大量的无功功率( 约占工程输送功 率的4 0 一6 0 ) ，每个换流站均需装设无功补偿设备。 尽管人们对传统直流输电技术进行了不断的改进，但这些改进措施均不能从根 本上解决传统直流输电的不足。 随着电力电子技术的发展，特别是具有可关断能力的电力电子器件的发展，如 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 等，促进了直流输电技术的 一次重大变革。新一代的直流输电技术是以全控型、可关断器件构成的电压源换流 器( v s c ) 以及脉宽调制( p w m ) 控制技术为基础。换流器中全控型器件代替半控型 晶闸管，使得新型直流输电( v s c h v d c ) 具有对其传输有功功率和无功功率进行同 时控制的能力，以及可实现对交流无源网络供电等众多优点。v s c h v d c 输电技术克 服了传统直流输电技术的不足，并扩展了直流输电的应用领域。 华北电力大学硕士学位论文 1 2h v d c 换流技术的发展 换流器是h v d c 系统的核心部件，其容量的提高和性能的改进对h v d c 技术的发 展起着至关重要的作用。二十世纪七十年代初期，随着半控型电力电子器件一可控 硅( s c r ，又称为晶闸管) 替代汞弧阀应用于h v d c 系统后，极大地促进了传统h v d c 输电技术的发展和应用。基于晶闸管的传统h v d c 换流器接线原理如图1 1 所示。 换流器以交流母线电压过零点为基准，经过一定时延后触发导通相应的阀，通过换 流器中两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀 上流过的电流小于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过 顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的导通与关断，从而实现了交流电与直流 电之间的相互转换。 图1 i 基于晶闸管的传统h v d c 换流器接线图 由于晶闸管只是半控型器件，即只能控制其导通而无法控制其关断，关断必须 借助于交流母线电压保持一段时间为零或为负，阀电流小于阀的维持电流后才能使 阀自然关断。因此，采用晶闸管作为换流器件的直流输电技术存在着一些固有的缺 陷心】，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 直流输电系统正常运行时，在整流侧，为了保证可控硅阀可靠的触发导 通，它的触发滞后角应大于其最小值( 3 0 - 5 0 ) ，又考虑到留有调节余地和尽可能提 高功率因数等因素，触发滞后角一般为l o o - 1 5 0 ；在逆变侧，可控硅阀的关断越前 角必须大于其关断余裕角( 关断越前角一般为1 5 0 或更大一些) ，以避免发生换相失 败。因此，直流输电系统运行要吸收大量的无功功率，其数值约为输送有功功率的 4 0 - 6 0 ，这就需要系统装设大量的无功补偿及滤波设备。 ( 2 ) 逆变侧换流器桥阀的换相要借助于其所接交流系统提供的短路电流来实 现换相，因此换流器受端只能是有源交流系统，无法向无源网络送电，直流输电系 统只能将电能由一个交流有源系统送往另一个交流有源系统，无法为孤立负荷供 电。而且，受端有源交流系统的容量必须足够大，否则逆变侧换流器桥阀容易发生 换相失败。 采用人工换相方法一即利用附加的接线和设备，把一定的附加电压迭加到原有 的换相电压上去，以使得触发滞后角和关断越前角小于零，是减少换流器在运行中 华北电力大学硕士学位论文 无功功率消耗的一种很有吸引力的设想。尽管如此，仍然要求交流网络为其提供换 相电流，即要求交流网络为有源网络，其根本原因在于晶闸管为半控型器件，无法 实现自关断。为实现h v d c 向无源网络供电，采用具有可关断能力的全控型器件代 替半控型器件才是根本的解决途径。 采用全控型器件的换流器工作时，由于器件的关断可由门极触发脉冲来控制， 不需要所接系统为其提供换相电流。随着i g b t 、g t o 等具有可关断能力的电力电子 器件容量的不断提升以及性能的不断改进，以可关断器件构成的电压源换流器 ( v s c ) 为基础的直流输电技术已经实现。国际上，a b b 公司称其为h v d cl i g h t ， s i e m e n s 公司称其为h v d cp l u s ，相关国际组织建议采用v s c - h v d c ，本文统一用 v s c - h v d c 来表示轻型直流输电技术。由于换流器的阀具有控制导通和控制关断的双 重能力，因此v s c - h v d c 输电技术从根本上克服了传统h v d c 输电的不足，并具有众 多技术优点。 1 3v s g - h v d c 的基本原理 双端v s c - h v d c 输电系统的主电路结构如图1 2 所示。其中电压源换流器的主 要器件包括：全控换流桥、直流侧电容器、交流侧换流变压器或换流电抗器以及交 流滤波器。其中全控换流桥采用三相两电平的拓扑结构，每一桥臂均由多个i g b t 或g t o 等可关断器件组成；直流侧电容器为换流器提供电压支撑、并缓冲桥臂关断 时的冲击电流、减小直流侧谐波；交流侧换流变压器或换流电抗器是v s c 与交流系 统问能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用；交流侧滤波器的作用则是滤除交流 侧谐波。双端电压源换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流状态，另一端 运行于逆变状态，共同实现两端交流系统间有功功率的交换。 交 麟导 = 盈c d 直流输电线 a 跚2 2 寸嗡 路 - _ 一 = 2 c oa c d2：抖幽r 。 交流系统 图1 2 双端v s c h v d c 输电系统 v s c - h v d c 中电压源换流器通常采用脉宽调制控制技术。以正弦脉宽调制( s p w m ) 为例口1 ，其控制原理如图1 3 所示。a b c 三相p w m 的调制参考波岍、“埘和”耐与 三角载波u a i g 进行数值比较，当参考波数值大于三角载波，触发相应的换流桥臂上 开关导通并关断下开关，反之则触发桥臂的下开关导通并关断上开关。在上下桥臂 开关的交替导通与关断下，v s c 交流出口电压将产生幅值为正负u a 2 的脉冲序列， 华北电力大学硕士学位论文 其中蚴为v s c 的直流侧电压。该脉冲序列中的基频电压分量与调制参考波相位一 致，幅值则增加了“j 2 倍。因此，从调制参考波与v s c 出口电压基频分量的关系上 看，v s c 可视为无相位偏移、增益为蚴2 的线性放大器。由于调制参考波的幅值与 相位可通过p w m 的脉宽调制比m ( 即：v s c 出口基频相电压幅值与直流电压的比值) 以及移相角度艿实现调节，因此v s c 出口电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两 个变量进行调节。 当忽略换流变压器、换流电抗器的电阻以及谐波分量时，v s c 交流母线电压基 频分量d 。与出口电压的基频分量以共同作用于换流变压器或换流电抗器的电抗尼 ( 如图1 3 ) ，并决定了v s c 与交流系统问交换的有功功率p 和无功功率q 分别为式 ( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 。 f o 图1 3v s c 交流侧原理图 p = 堕s i n6( 1 1 ) x c 0 = u , ( u , - & c o s8 ) ( 1 2 ) 一xc 从式( 1 1 ) 可以看出，有功功率的传输主要取决于以与矽。之间的相角差艿。 当万大于零，v s c 将从交流系统吸收有功功率，运行于整流状态；当万小于零，v s c 将向交流系统发出有功功率，运行于逆变状态。因此，通过对万的控制，即可以控 制v s c - h v d c 输送有功功率的大小和方向h 1 。 从式( 1 2 ) 可以看出，无功功率的交换主要取决于v s c 出口电压基频分量的 幅值阢，当u u 。c o s 6 大于零时，v s c 吸收无功功率；当u u 。c o s 8 小于零时，v s c 则输出无功功率。因此，通过对敞的控制，即可以控制v s c 吸收或发出无功功率， 实现向交流电网动态补偿无功功率，稳定交流母线电压。 综上所述，由于采用p w m 控制的电压源换流器，可对其出口电压基频分量的幅 值与相位进行调节，因此v s c - h v d c 输电系统中各v s c 在对其输送有功功率进行控 制的同时，还可以控制其与交流系统间交换的无功功率。此外，v s c h v d c 正常稳态 运行时直流网络的有功功率必须保持平衡，即输入直流网络的有功功率必须等于直 华北电力大学硕士学位论文 流网络输出的有功功率加上换流桥和直流网络的有功功率损耗。如果出现任何差 值，都将引起直流电压的升高或降低。为了实现有功功率的自动平衡，在v s c h v d c 系统的控制中，必须选择一端v s c 进行定直流电压控制，充当整个直流网络的有功 功率平衡换流器，其他v s c 则可在其自身容量允许的范围内任意设定有功功率。 1 4v s c - h v d c 输电系统的技术特点与应用领域 1 4 1v s c - h v d c 的技术特点 由于v s c h v d c 中交直流转换的核心部件一电压源换流器与传统h v d c 中的换流 器存在显著的差异，因此与传统h v d c 相比，v s c - h v d c 具有如下一些显著的技术优 势5 一： ( 1 ) v s c 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换向电压， 从而克服了传统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 可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。 而传统h v d c 的控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率。 ( 3 ) 潮流翻转时直流电流反向，与传统h v d c 恰好相反。该特点有利于构成既 能方便地控制潮流又能有较高可靠性的并联多端直流系统。 ( 4 ) 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，即 动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。这意味着如果v s c 容量允许，故 障时v s c h v d c 系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功 率的紧急支援，从而提高交流系统的电压和功角稳定性。 ( 5 ) 由于v s c 交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量。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无需改变。 ( 6 ) v s c 通常采用s p w m 技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可得到 所需的交流电压，可以不用换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。 ( 7 ) v s c - h v d c 换流站之间无需快速通信，各换流站可相互独立地控制。 此外，在同等容量下v s c - h v d c 换流站的占地面积显著小于传统h v d c 换流站。 1 4 2v s c - h v d c 的应用领域 由于v s c - h v d c 具有独特的技术优势，因此可在以下应用领域发挥其积极的作 用： ( 1 ) 代替本地发电装置，向偏远地区、岛屿等小容量负荷供电。偏远的小城 镇、村庄以及远离大陆电网的海上岛屿、石油钻井平台等负荷，其负荷容量通常较 华北电力大学硕士学位论文 小且波动较大，因此通过长距离的交流线路对这些地区供电既不经济有时又受交流 传输功率极限的限制，因而不是一个较好的选择。传统的h v d c 不能向无源网路供 电，而采用v s c h v d c 输电技术，可向无源网络供电且不受输电距离的限制，几个 兆瓦到数百兆瓦都符合v s c - h v d c 的经济输电范围。因此，从技术和经济性角度考 虑，采用v s c - h v d c 技术向这类负荷供电是一种理想的选择。 ( 2 ) 城市配电网的增容改造。随着大中型城市用电负荷的迅猛增长，原有架 空配电网络的输电容量已经不能满足用电负荷需求。然而，由于空间的限制，增加 新的架空输电走廊代价很高，甚至根本不可能。另一方面，交流长距离输电线路对 地有电容充电电流，需要添加相应的补偿装置，如并联电抗器。v s c h v d c 可采用地 埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，且适合长距离电力传输。 ( 3 ) 提高配电网电能质量。非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量 问题，如谐波污染、电压间断、电压凹陷或凸起以及波形闪变等，使一些敏感设备 如工业过程控制装置、现代化办公设备、电子安全系统等失灵，造成巨大的经济损 失。v s c - h v d c 输电可快速控制有功功率和无功功率，并能够保持电压基本不变，使 电压、电流满足电能质量的要求，v s c - h v d c 是未来改善配电网电能质量的有效措施。 ( 4 ) v s c h v d c 可用于不同额定频率和相同额定频率交流系统间的互联，改善 系统的运行性能。 ( 5 ) 满足电力市场交易对输电网络的要求，能够很好地适应电力市场对电能 传输的要求，提高电能交易的自由度。 随着电力电子技术的进步，全控型器件的性能和容量的不断提高，v s c h v d c 系统将不断向输电网扩展，并有可能最终取代传统h v d c 应用到输配电的各个领域 中去。 1 5v s c - h v d c 的研究现状 1 5 1 已经投运的v s c - h v d c 工程 从1 9 9 7 年瑞典的h e l l s j o n 工程试验成功，到现在已经有多条v s c h v d c 线路 相继投入商业运行。 ( 1 ) h e l l s j o n 工程是世界上第一个v s c h v d c 工业试验工程，额定容量为3 m w ， 直流电流1 5 0 a ，直流电压l o k v ，试验线路选择h e l l s j o n 附近一条l o k m 长的l o k v 交流线路。该工程自1 9 9 7 年3 月建成后完成了复杂的实验计划，获得了详细的 v s c - h v d c 传输功率和作为s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s t a t o r ) 运行的技术数据。 ( 2 ) 1 9 9 9 年6 月，瑞典哥特兰( g o t l a n d ) v s c - h v d c 工程投入运行。这是世 界上第一个商业化运行的v s c - h v d c 工程，额定容量为5 4 m w ，两端的交流电网电压 华北电力大学硕士学位论文 8 0 k v ，直流电压8 0 k v ，直流电流3 5 0 a ，输电线路长度2 7 0 k m 。该系统为风力发 电提供电压支撑且采用地下电缆传输电能，对环境的影响较小。 ( 3 ) 2 0 0 0 年，澳大利亚投运的d i r e c tl i n kv s c - h v d c 工程将n e ws o u t h w a l e s 电网和q u e e n sl a n d 电网连接起来，并在两个电网之间进行电力市场交流，线路传 输的功率由市场交易的结果决定。该工程额定容量1 8 0 m w ，两端交流电压1 3 2 1 l o k v ， 直流电压8 0 k v ，直流电流3 4 2 a ，输电线路为6 x 5 9 k m 地下电缆，工程主要目的是 解决异步联网中电力交易的快速控制问题和满足环境要求。 ( 4 ) 2 0 0 0 年6 月，丹麦投运的第一个用于风力发电的v s c h v d c 示范工程 t j a r e b o r g 工程正式投运，额定容量8 m v a 7 2 m w ，直流电压9 k v ，直流电流3 5 8 a ， 输电距离2 x 4 3 k m 。该工程主要为了解决风力发电引起的无功功率和电压问题。 ( 5 ) 2 0 0 0 年9 月，由e p r i 、a p e 和a b b 联合在美国的e a g l ep a s s 建设了世界 上第一个采用v s c - h v d c 技术实现电网背靠背异步互联的工程。该工程增加了向 e a g l ep a s s 的输电能力，解决了e a g l ep a s s 电网的电压支撑问题，同时也为美国 与墨西哥电网之间电力市场交易提供技术支持。该工程的最大可传输功率为3 6 m w ， 或以s t a t c o m 方式运行，为两端电网提供3 6 m v a r 的无功补偿容量。该工程两端交 流电网电压1 3 8 k v ，直流额定电压1 5 9 k v ，直流电流1i o o a 。 ( 6 ) 2 0 0 2 年7 月投运的美国c r o s ss o u n dv s c - h v d c 工程将n e wy o r k 和n e w e n g l a n d 电网非同期联网，直流传输线采用2 4 0 k m 海底电缆，两端交流电压 3 4 5 1 3 8 k v ，工程额定容量3 3 0 m w ，直流电压1 5 0 k v ，直流电流11 7 5 a 。选择v s c h v d c 主要是考虑到电力交易和长距离的海底电缆输电。 ( 7 ) 2 0 0 2 年8 月投运的澳大利亚m u r r a yl i n k 直流工程，额定容量2 2 0 m w ， 两端的交流网络电压1 3 2 2 2 0 k v ，直流电压1 5 0 k v ，直流电流7 3 9 a ，直流输电线 路为2 x1 8 0 k m 地下电缆，该工程是目前世界上最长的地下电缆输电项目，工程的目 的是电力市场交易和将澳大利亚南部r i v e rl a n d 电网与v i c t o r i a 电网非同期互联。 ( 8 ) 挪威t r o l lav s c - h v d c 工程于2 0 0 5 年投运，该工程向海上天然气钻井 平台上的用电设备，额定功率2 x 4 5 m w ，两端的交流电压1 3 2 5 6 k v ，直流电压6 0 k v ， 直流电流3 5 0 a ，直流输电线路为4 x 7 0 k m 海底电缆。该工程采用v s c h v d c 技术主 要考虑到长距离海底电缆输电和环境保护要求。此外钻井平台上的同步电动机需要 变频( o 6 3 h z ) 调速，运行电压在o 5 6 k v 范围内变化，而且换流器空间和重量都 受到限制。 1 5 2v s c - h v d c 的研究现状 在v s c - h v d c 输电系统的工程研发过程中，对其进行的理论研究处于相对滞后 的状况。直至1 9 9 7 年世界上第一个v s c h v d c 输电工程一h e l i s j o n 工程成功投运， 华北电力大学硕十学位论文 并呈现出良好的运行特性之后，人们才逐渐认识到v s c h v d c 输电技术的巨大潜力 并给予了越来越多的关注。在我国，该项研究还处于起步阶段，很多技术方面的问 题还未解决好。 ( 1 ) v s c h v d c 的稳态控制策略研究还不够深入。在这方面的研究中，很多文 献都提到有功功率和无功功率是可以独立控制的，有的文献也提出了v s c h v d c 能 够实现有功无功的解耦控制。但文 8 ，9 中提出的解耦控制是不完整、不确切的。 ( 2 ) v s c - h v d c 系统故障时的保护策略解决得还不够好。v s c h v d c 作为电力系 统重要的有功传输装置，要求它能够长期可靠地运行，在交流系统发生各类故障时， 不仅要确保装置自身不受损害，必要时还要为故障的交流系统给予及时的救援。因 此，对v s c h v d c 系统故障时保护策略的研究显得格外重要。文 1 0 仅研究了交流 系统发生故障时的一些过电压、过电流保护策略；文 1 1 采用停运v s c h v d c 的方 法来应付一些故障，这使v s c - h v d c 无法发挥对交流系统故障提供紧急支援的优势。 ( 3 ) 与两端直流输电相比，m t d c ( m u l t i t e r m i n a lh v d c ) 的输电能力更强， 运行方式也更灵活，尤其是基于v s c 构成的v s c m t d c 系统，其优势更加明显，但 对其接线方式及控制策略的研究还相对较少。 1 6 本论文的主要工作 作为一项新型的输电技术，虽然v s c h v d c 已经成功的投入到实际运行中，但 对其进行的理论研究仍然处于相对滞后的状态。 在我国，为建设坚强、灵活、可控的国家电网，提高电网的整体科技含量，国 家电网公司已将v s c - h v d c 输电技术列入了国网公司科技“十一五规划，并于2 0 0 6 年6 月制定出了针对v s c - h v d c 关键技术的详细研究框架n 羽，其中建立v s c h v d c 数 学模型以及仿真方法是其中的重要组成部分。 本文的主要工作有： ( 1 ) 在认真分析现有各种仿真工具的基础上，针对目前p s c a d e m t d c 软件只 有英文版本的情况，详细介绍了适用于对v s c h v d c 模型进行仿真的p s c a d e m t d c 软件，对其运行环境、元件模型及电力网络求解模块作了详尽的介绍。 ( 2 ) 基于派克坐标变换，建立了d q o 坐标系下的v s c 暂态模型，并设计了相 应的前馈解耦控制器，仿真结果表明，配置前馈解耦控制器后，v s c 与交流系统交 换的有功功率和无功功率实现了相互独立地控制，且系统具有较好的动态品质。 ( 3 ) 利用p s c a d e m t d c 搭建了多端v s c h v d c 的仿真电路，设计了v s c 向无源 网络供电时的控制系统。仿真分析了无源阻感负荷功率波动对多端v s c - h v d c 运行 特性的影响，结果表明，扰动发生后各v s c 交流侧和直流侧均能够稳定运行，且v s c 能向无源负荷提供幅值恒定，三相对称的交流电压。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电磁暂态仿真软件p s a c d e m t d c 电磁暂态仿真程序e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t si n c l u d i n gd c ) 是目 前世界上被广泛使用的电磁暂态仿真程序之一。由d e n n isw o o d f o r d 博士于1 9 7 6 年在加拿大曼托尼水利局开发完成了初版，多年来在d e n n i sw o o d f o r d 的领导下不 断完善e m t d c 的元件模型库和功能，使之发展为既可以研究交直流电力系统问题， 又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具。该软件具有精确的直流元件 模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能，是进行直流系统分析和工程 研究的有力工具。特别是其图形界面p s c a d 的开发成功，使得用户能更加方便的使 用e m t d c 以进行电力系统仿真计算，而且该软件可以作为实时数字仿真器的前置端。 图2 1p s c a d 与e m t d c 的关系 e m t d c 作为计算引擎n 引，是整个软件的核心。主要完成：读入网络参数，并依 据其模型进行数学处理；模拟网络中的开关动作并修改节点导纳矩阵；根据仿真系 统定义完成控制系统的介入；求解网络并输出变量等功能。 p s c a d ( p o w e rs y s t e mc a d ) 是e m t d c 的图形用户界面g u i ( g r a p h i cu s e r i n t e r f a c e ) 1 4 o 通过p s c a d ，用户可以在一个完全集合的图形环境下构造仿真电路， 运行、分析结果和处理数据，保证并提高了研究工作的质量和效率。在线画图、控 制、监测功能使得用户可以在仿真进行过程中修改系统参数，并直接观察仿真结果。 p s c a d 和e m t d c 的关系如图2 1 所示。 华北电力大学硕j j 学位论文 2 2p s o a d 介绍 2 2 1p s o a d 运行环境 p s c a d 运行时的主界面如图2 2 所示，主要包括：主菜单、工具栏、工作区窗 口、输出窗口和编辑器窗口。 一、主菜单( m e n u s ) 主界面左上方的是主菜单，包括：文件、编辑、浏览、编译、窗口和帮助等选 项。同时p s c a d 还提供鼠标右键弹出菜单功能。 二、工具栏( t o o lb a r ) 工具栏包含p s c a d 常用命令的快捷键，通过使用工具栏中的快捷键，用户可以 方便快捷地完成仿真中的各步骤工作。p s c a d 工具栏包括： 1 ) 主工具栏：含有新建、打开、保存、打印、运行、暂停等按钮； 2 ) 状态栏：含有显示鼠标、位置坐标、仿真运行、元件旋转等按钮； 3 ) 电力调色板：在界面的右侧，含有各种电力系统简单元件按钮，如：电阻、 电容、电抗、线路等； 4 ) 控制调色板：在界面的右侧，含有各种控制元件按钮，例如：整型和实型常 数、输出通道、控制转换开关、刻度盘等按钮； 5 ) 画图板：含有各种图形、线条、文字框等按钮； 6 ) 参数栏：含有增加文本域、增加输入域等按钮； 7 ) s c r i p t 栏：含有增加、删除元件属性段等按钮； 其中，后三种工具栏只有在进行元件属性定义、编辑时才会激活，主要用于定 义新元件的属性和编辑己定义元件的属性。 图2 2p s c a d 的主界面 1 0 华北电力大学硕士学位论文 三、工作区窗口( w o r k s p a c ew i n d o w ) 工具栏左下方为工作区窗口，其中显示元件模型库和已装载的工程。当某个工 程被装载后，名字就会显示在窗口中，被激活的工程图标为蓝色，未激活的工程图 标为灰色，只有被激活的工程才能够编译运行。 工作区窗口可以移动并改变大小。显示在工作区的工程包含一些关于该工程定 义、模块、记录的信息，以树状结构陈列，称作工程树。包括：主页分支、定义分 支和记录分支。主页分支显示出工程中包含的子工程和组成模块；定义分支显示工 程中包含模块的定义；记录分支主要显示工程中包含的输出或在线控制。 四、输出窗口( o u t p u tw i n d o w ) 界面左下方的小窗口为输出窗口，p s c a d e m t d c 在编译、运行中产生的状态、 警告、错误等信息都在此窗口中显示。信息以消息树的形式显示，并且双击错误信 息后能自动定位到系统图上出错的支路或元件位置，方便使用者调试程序。当含有 多个子工程时，可以利用搜索功能确定出错元件或支路的位置。 五、编辑器窗口( d e s i g ne d i t o rw i n d o w ) 主界面右侧的大窗口为设计编辑器窗口。编辑器窗口是p s c a d 运行环境中最重 要的部分，仿真电路图的绘制、参数的编辑、仿真运行和仿真结果直观输出等大部 分工作都在此窗口中进行。 编辑器窗口分为8 个子窗口，分别为：电路( c i r c u i t ) 、图形( g r a p h i c ) 、参 数( p a r a m e t e r s ) 、s c r i p t 、f o r t r a n 、数据( d a t a ) 、信号( s i g n a l s ) 、节点( n o d e s ) 子窗口。可通过点击窗口底部的标签条进入各子窗口。其中图形、参数、s c r i p t 子窗口只有在进行元件或模块定义时才被激活。 各子窗口功能如下： 1 ) 电路( c i r c u i t ) 子窗口：电路窗口是打开一个工程时的默认窗口，使用p s c a d 设计仿真系统的大部分工作都在此窗口完成，包括：控制系统和仿真系统电 路的设计，输出变量及输出方式的设置等； 2 ) 图形( g r a p h i c ) 子窗口：图形窗口用于元件或模块定义时的外观图形编辑； 3 ) 参数( p a r a m e t e r s ) 子窗口：参数窗口用于元件或模块的参数定义编辑； 4 ) s c r i p t 子窗口：s c r i p t 子窗口用于加入、编辑、删除元件或模块的定义中的代 码； 5 ) f o r t r a n 子窗口：f o r t r a n 窗口是一个文本浏览器，允许用户浏览电路窗口 中显示的工程中的f o r t r a n 代码，并且这些代码为只读数据，不可修改； 6 ) 数据浏览( d a t a ) 子窗口：数据浏览子窗口是一个文本浏览器，允许用户浏 览电路窗口中显示的工程的输入数据，并且这些数据为只读数据，不可修改； 7 ) 信号浏览( s i g n a l s ) 子窗口：信号浏览子窗口是一个文本浏览器，详细列 出了工程中所有可获得的输出信号信息； 华北电力大学硕士学位论文 8 ) 节点浏览( n o d e s ) 子窗口：节点浏览子窗口是一个文本浏览器，详细列出 了工程中电力网络的节点信息。 2 2 2p $ c a d 元件模型库 p s c a d 提供大量经过严格测试的电力系统元件模型，从简单的无源元件和控制 元件到发电机、f a c t s 器件、传输线等复杂的元件模型，都包含在p s c a d 的元件模 型库之中。此外，用户可以根据需要自定义某些特殊元件，使用p s c a d 已有的元件 组装生成或直接自定义生成。p s c a d 元件库提供的电力系统元件模型主要包括： 集中参数电阻r 、电感l 、电容c 时变电阻r 、电感l 、电容c 单相和三相电压源、电流源、多相谐波源 单相和三相变压器( 包括双绕组和三绕组) 各种类型的线路和电缆模型( 包括大多数精确的时域线路模型) 开关和断路器 二极管、晶闸管和g t o 模拟和数字控制功能模型 交直流电机及励磁、调速器、稳定器 模拟表计及其它测量元件 单相和三相故障模型 通用直流、交流控制系统模型 高压直流输电( h v d c ) 、静止无功补偿器( s v c ) 和其它柔性交流输电( f a c t s ) 器件 继电器模型、模拟继电保护特性 逻辑电路模型库，包括多种逻辑控制单元 控制面板，包括：滑动触头( s l i d e r ) 、开关( s w i t c h ) 、按钮( b u t t o n ) 2 2 3p s g a d 用户自定义模块 p s c a d 的元件模型库虽然包含了大多数电力系统元件，但是很多时候用户的工 程中往往需要一些结构复杂或是功能特殊的元件，此时p s c a d 的元件模型库不能完 全满足用户的需要。为弥补自带元件库的不足，p s c a d 允许用户根据需要自定义模 块，这些模块可简单也可复杂，完全由用户的工作需要决定。用户只需将定义好的 元件模型添加到仿真系统中，就可同p s c a d 的元件模型库中的元件一样使用。 在p s c a d 旧版本中，用户模块的定义是在c o m p o n e n tw o r k s h o p 中完成的，在 最新的p s c a d 4 0 中，元件模型定义可直接在编辑器窗口中完成，编辑器窗口中涉 华北电力大学硕士学位论文 及到元件模型定义或编辑的子窗口有：图形子窗口、参数子窗口和s c r i p t 子窗口。 具体定义步骤如下： 1 ) 图形绘制：元件模型图形的绘制在图形子窗口中进行，使用点、线条、矩形、 椭圆和弧等图元完成元件模型外观的绘制。各种图元的属性可根据需要设置，例如： 大小、线形、颜色等； 2 ) 参数栏定义：元件模型的输入参数栏定义在参数子窗口中进行，通过添加多 个类( c a t e g o r i e s ) 完成模块的参数栏定义。类中可定义的参数栏分为三种，包括： 文本框( t e x tb o x ) 、输入域( i n p u tf i e l d ) 和选项框( c h o i c eb o x ) 。文本框主 要用于添加输入参数的描述性说明；输入域用于添加元件必要的数值输入；选项框 用于设置元件中需要的一些条件设置。 3 ) s c r i p t 定义：s c r i p t 定义是模块定义的核心部分，决定用户定义模块的功 能。通过写入大量代码而组成各种段( s e g m e n t s ) ，主要包括：f o r t r a n 段( f o r t r a n s e g m e n t s ) ，计算段( c o m p u t a t i o n ss e g m e n t s ) ，支路段( b r a n c hs e g m e n t s ) ，主 动态程序段( d s d y n ) ，输出定义段( d s o u t ) ，数据检查段( c h e c k s ) ，帮助段( h e l p ) ， 说明段( c o m m e n t s ) 等。每一个段执行一种功能，一般一个元件的s c r i p t 定义不 会用到所有类型的段，只会用到相关类型的段，例如：变压器段一般只用在耦合元 件定义中。段主要由用户模块的功能来决定，实际上是一些文本文件，按一定顺序 排列。经常使用的段主要有：f o r t r a n 段、计算段和支路段。其中：计算段主要定 义对输入模块数据的处理；支路段用来定义电力节点之间元件的类型，如：电阻、 电容、电感或开关，从而形成复杂电力网络：f o r t r a n 段主要放置定义元件属性的 f o r t r a n 代码，代码可以是标准的f o r t r a n 代码，也可以是p s c a ds c r i p t 格式的代 码，或者二者混合形成。 2 3e m t d c 介绍 理解复杂系统行为的一个有效方法就是研究它对于扰动和参数变化的响应。计 算机仿真通过观察所得响应的时域瞬时值、有效值或频率分量，获得对系统特性的 了解，是研究这些响应的有力工具。 e m t d c 应用混合步长求解微分方程组，获得系统的时域解，最适合电力系统时 域连续响应仿真。作为电磁暂态计算引擎，e m t d c 广泛应用于交流、直流系统的仿 真研究。 2 3 1e m t d c 典型研究方向 经过3 0 多年的发展，p s c a d e m t d c 的功能不断加强，成为一种功能强大的仿真 软件，被广泛应用于电力系统设计、运行、管理、科研、教育等方面，以下是一些 1 3 华北电力大学硕士学位论文 典型的研究方向： 包括旋转电机、励磁、调速器、汽轮机、变压器、输电线路、电缆和负荷 的交流系统的故障研究 继电保护整定 故障或开关动作引起的过电压 变压器、断路器的绝缘试验 变压器冲击测试 包含电机、传输线路和h v d c 系统得次同步谐振 f a c t s 、h v d c 控制系统设计、协调 控制器参数优化 雷击、断路器故障、开关闭合 滤波器设计评估 谐波分析 新电路和控制理论的测试 柴油机组、风力机组对系统的冲击影响 2 3 2e m t d c 的数学模型 与e m t p 相比，e m t d c 程序的原理或数学模型没有