（控制科学与工程专业论文）柔性直流输电系统及其无网侧电动势传感器控制技术的研究.pdf

中南大学硕 学位论文 摘要 摘要 随着风能 太阳能 生物能等可再生能源开发规模的不断扩大 其固有的分散性 小型性 远离负荷中心等特点日益突显出来 基于 变流技术的柔性直流输电技术具有小型 高效 控制灵活等特点 经 济效益和环保价值可观 并能有效地减少输电线路电压降落与闪变 提高电能质量 详细阐述了柔性直流输电系统 v s c h v d c 的组成结构及其功 能 并对整个系统的核心部分 电压源型换流器 v s c 作了重点 研究 对其调相原理和运行特性进行了理论分析和数学推导 从而归 纳出柔性直流输电系统的工作原理 建立了d q 旋转坐标系下精确的 v s c h v d c 数学模型 对电流内环控制器存在的d q 轴相互耦合运用 前馈解耦控制理论 成功地实现了有功功率和无功功率的独立控制 对于功率外环则可以根据不同的控制要求而选择相应的控制策略 在 此基础上 利用m a t l a b7 1 仿真软件搭建了一个新型的柔性直流输 电系统仿真平台 并进行了相关的仿真研究 针对安装网侧电动势传感器对柔性直流输电系统所带来的不稳 定性因素 提出了一种基于柔性直流输电系统的无网侧电动势传感器 控制技术 基于电压源型换流器的电流模型 构造了一个新的可调电 流模型 运用模型参考自适应理论对两个模型之间的电流误差进行 p i 调节 分别推导出了网侧电动势的幅值与相位角辨识率 从而有效 地辨识出了网侧电动势 仿真结果表明 所提出的无网侧电动势传感 器控制技术具有良好的辨识速度 且辨识精度高 系统鲁棒性强 相比于柔性直流输电技术在国外工程上的成功应用 国内基本上 还处于空白 因此设计了一个小容量的柔性直流输电实验系统 实验 结果表明 该实验系统不仅具有良好的稳定性 抗干扰性能也十分优 越 具有很强的鲁棒性 符合工程应用的基本要求 为今后的工程应 用作了良好的铺垫 关键词 柔性直流输电 电压源型换流器 无网侧电动势传感器 模型参考自适应 实验系统 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i n d s o l a ra n do t h e rr e n e w a b l e e n e r g y t h ec h a r a c t e r i s t i co fi n h e r e n td i s p e r s i o n s m a l ls t r u c t u r e f a rf r o m t h el o a dc e n t e r sa n ds oo na r e c o n s t a n t l ye x p o s e d v s c h v d c t e c h n o l o g yh a ss m a l l e f f i c i e n ta n df l e x i b l ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sa n dh a s s i g n i f i c a n te c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lv a l u e r e d u c e st h et r a n s m i s s i o n l i n ev o l t a g ed r o pa n df l i c k e re f f e c t i v e l y i m p r o v e st h ep o w e r q u a l i t y t h eb a s i so ft h ec o m p o s i t i o no ft h ev s c h v d cs y s t e ms t r u c t u r e a n df u n c t i o na r ed e t a i l e dd e s c r i b e d a n dm a d ea ni n d e p t hr e s e a r c ho nt h e c o r eo ft h ew h o l es y s t e m v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r v s c f o c u so nt h e p r i n c i p l e sa n do p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f m o d u l a t i o nt h e o r ya n a l y s i s a n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s t h e nc o n c l u d e dv s c h v d cs y s t e mw o r k i n g p r i n c i p l e e s t a b l i s h e dt h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo fv s c h v d c u n d e rt h ed qr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m u s e df e e d f o r w a r dd e c o u p l i n g c o n t r o lt h e o r yt od e c o u p l et h ed qa x i sc o u p l i n go f t h ec u r r e n ti n n e rl o o p c o n t r o l l e r t h e ns u c c e s s f u l l ya c h i e v e dt h ea c t i v ea 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 yc o n t r o l l e d f o ro u t e rp o w e rc o n t r o ll o o pc o u l ds e l e c tt h e a p p r o p r i a t ec o n t r o ls t r a t e g ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s b u i l ta n e w t y p eo fv s c h v d cs y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mu s i n gm a t l a b 7 1 a n dm a d es o m er e l e v a n ts i m u l a t i o nr e s e a r c h t h ei n s t a l l a t i o no ft h es o u r c ev o l t a g es e n s o ri nv s c i i v d cs y s t e m w i l lb r i n gi ns o m ef a c t o r so fi n s t a b i l i t y an e ws o u r c ev o l t a g es e n s o r l e e c o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nt h ev s c h v d cs y s t e mh a sb e e np r o p o s e d i nt h i sp a p e r b a s e do nv o l t a g e s o u r c ec o n v e r t e r sc u r r e n tm o d e l c o n s t r u c t an e wa d ju s t a b l ec u r r e n tm o d e l u s i n gt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e t h e o r y r e g u l a t e dt h e c u r r e n te r r o r sb e t w e e nt h et w om o d e lw i t hp i r e g u l a t o r t h e nd e r i v e dt h er a t eo fs o u r c ev o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s e a n g l er e s p e c t i v e l y t h u s i d e n t i f i e dt h es o u r c e v o l t a g ee f f e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e ds o u r c ev o l t a g es e n s o r l e s s c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sag o o dr e c o g n i t i o nr a t e a n dh i g hi d e n t i f i c a t i o n p r e c i s i o n as t r o n gr o b u s t n e s s c o m p a r e dt ot h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no f v s c h v d ct r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yf o r e i g np r o j e c t s t h e r ei sf e wa p p l i c a t i o no fv s c h v d ci n n c i v i l t h ep a p e rd e s i g n e da s m a l l c a p a c i t yv s c h v d ce x p e r i m e n t a l s y s t e m t h er e l e v a n te x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g n e d e x p e r i m e n t a ls y s t e mn o to n l yh a s g o o ds t a b i l i t y a n t i i n t e r f e r e n c e p e r t o r m a n c e1 sa l s ov e r ys u p e r i o r a n dh a ss t r o n gr o b u s t n e s st om e e tt h e b a s i cr e q u i r e m e n t so f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s m a d eaw e l lb a s i sf o rt h e i l j t u r ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s 一 k e yw o r d s v s c h v d c v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r v s c s o u r c e v o l t a g es e n s o r l e s s m ras e x p e r i m e n t a ls y s t e m i i i 中南大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 自从上世纪五十年代a b b 公司的高压直流输电 h i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e m h v d c 工程在瑞士投入商业运行以来 h v d c 输电技术在海底电缆送电 远距 离大功率输电 不同额定频率或者相同额定频率的交流系统之问联结等场合获得 了广泛地应用 高压直流输电广泛的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输电线路造价低 年电能损失小等优点 在技术 上也有其独特之处 例如 直流输电的输送电能容量和距离不受同步运行稳定性 的限制 对于远距离输电很有利 由直流输电来连接两个交流电力系统时 其两 端的交流系统可不必同步运行 并可各自实现频率调节 因此用直流输电联网 便于分区调度管理 有利于发生故障时交流系统问的快速紧急支援和限制事故的 扩大 也有助于限制短路容量的增大 直流输电在稳态运行时 输电线路不存在 电容电流 因此长距离的电力电缆送电宜采用直流输电 能源开发与环境污染问题的日益严重将使得全球都把未来的能源发展战略 投向了具有可持续发展的新能源开发上来 这样也就给柔性直流输电技术带来了 巨大的契机 此外随着国家对可再生清洁能源的大规模开发与利用 以及能源结 构的不断优化 伴随着风能 太阳能与生物能等可再生能源利用规模的不断扩大 其固有的小型性 分散性 远离负荷中心等特点日益显现出来 但是采用传统的 输电技术则带来了投资规模大 输电效率低等一系列的不利因素 另一方面 变 流技术是国家建设资源节约型和环境友好型社会的一项关键技术 而基于变流技 术的柔性直流输电技术具有小型 高效 控制灵活等特点 经济效益和环保价值 十分可观 能有效地减少输电线路的电压降落和闪变 提高电能质量 作为柔性直流输电技术的基础学科 电力电子的迅猛发展很大程度上提 高了柔性直流输电技术的飞速进步 尤其是基于可关断器件的电压源型换流器条 件已经完全成熟 使得这种基于电压源型换流器的高压直流输电技术逐渐成为了 新型的输电方法 1 9 9 0 年 m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等率先提出了采用p w m 控制的v s c 来进行直流输电的概念 1 2 1 新一代的h v d c 输电技术 v s c h v d c 是以全控型 可关断器件构成的电压源型换流器 v s c 以及 脉冲宽度调制 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m 控制技术为基础的一种新型输 电技术 其中换流器中的全控型器件代替以往半控型的晶闸管 使得v s c h v d c 具有对其传输有功功率与无功功率进行同时 独立控制的能力 以及可以实现对 中南大学硕士学位论文第一章绪论 交流无源网络供电等众多的优点 v s c h v d c 输电技术克服了传统的h v d c 输 电技术的不足之处 扩展了直流输电的应用领域 在我国 为了区别传统基于可 控硅的h v d c 系统与基于f a c t s 技术的灵活交流输电系统 因而国内的专家学 者建议把这种基于v s c 的h v d c 系统称为柔性直流输电系统 v s c h v d co r h v d cf l e x i b l e 1 3 柔性直流输电技术因为其巨大的技术优势因而在大规模工程中的应用越来 越广泛 同时安装传感器所带来的一系列问题也日益突出 比如 安装传感器增 加了系统复杂性和成本 此外传感器测量的信号很容易受到干扰或者信号缺失 这样就会大大地降低系统的可靠性 从而增加了系统的不稳定性 对于柔性直流 输电系统 其控制信号的获取通常是通过三种传感器来分别检测网侧电动势 网 侧交流电流和直流侧的母线电压 其中后面两种传感器对于整个系统的过渡和过 压保护有着极为重要的作用 一般情况下应予以保留 而网侧电动势传感器则可 以通过一般的计算得到 因此 基于柔性直流输电的无网侧电动势传感器控制技 术将逐渐成为新的研究热点 1 2 课题研究现状 1 2 1 柔性直流输电技术研究现状 1 9 9 0 年m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等率先提出了用脉宽调制技术 p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n p w m 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 h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t h v d c 的概念 由于采用了 绝缘栅双极晶体管 i g b t 或集成门极换流晶闸管 i g c t 等全控型器件 因 此基于v s c 的直流输电 v s c h v d c 系统具有可独立控制调节有功与无功功 率的优点 进而可实现向无源网络送电的目的 其克服了传统上h v d c 的本质 缺陷 把h v d c 的优势扩展到配电网 极大地拓宽了h v d c 的应用范围与应用 领域 柔性直流输电技术与传统的直流输电相比具有显著的优势 主要表现为以下 几点 4 7 1 实现了向无源网供电的可能 由于柔性直流输电系统中的换流站采用 的是可关断器件 因此电流能够进行自行关断 这也就可以实现了无源逆变的工 作方式 因此在没外加换相电压的前提下 也可以顺利地实现孤岛 远距离的孤 立负荷点等输电 2 可以独立地控制有功功率与无功功率 进而能够实现四象限运行方式 使得柔性直流输电系统的控制更加灵活 方便 3 方便于构成多端直流输电系统 v s c h v d c 系统在潮流翻转时直流电 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 流反向 但是直流电压的极性保持不变 这样就有利于构成既能方便地控制潮流 又具有较高可靠性的并联多端直流输电系统 4 不需要在交流侧提供无功功率 同时能够起到s t a t c o m s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r 的作用 实现动态补偿交流母线的无功功率 稳定交 流母线电压 5 不会增加系统短路容量 在增加新的v s c h v d c 线路后 交流系统 的保护整定值以及所用断路器无需再进行更换 6 电压源型换流器 v s c 采用p w m 控制技术 由于开关频率较高 从而避免了大量的谐波产生 在经过低通滤波后便可得到所需要的交流电压 所 需滤波装置的容量大大减小 也不需要专门的换流变压器 7 可以便捷 高效地联接风能 太阳能和生物能等距离偏远 地理分散 等特点的可再生能源或者 绿色 能源 8 输电高压换流站设备模块化 维护方便 安装简单快捷 正是基于上述一系列显著的优势而使得柔性直流输电技术被看成是传统 h v d c 的理想替代品 因此一些国际知名公司如a b b s i e m e n s m i t s u b i s h i 等 都将它纳入了公司重点的研究计划中 国内外许多学者也对它展开了大量的研 究 而从目前所查阅得到的相关文献和研究报告来看 目前对于柔性直流输电技 术的研究热点主要可以归纳如下 1 柔性直流输电技术的数学模型和控制策略的研刭8 1 8 l 这方面的研究已进行了大量的基础研究工作 v s c h v d c 的稳态模型 谐 波模型以及暂态建模等各种数学模型都得到了深入的探讨 两端v s c h v d c 连 接有源交流网络和无源交流网络的控制系统在不同的控制方案中都得到了详细 的研究和仿真验证 电网电压不对称条件下 常规的控制方案会使直流侧产生偶 次谐波分量 且通过p w m 控制 会导致网侧电流畸变 对此 相关学者提出的 采用正序 负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案 理论上比较完善 智能的 控制方案从目前对柔性直流输电系统的控制策略的研究文献可知 主要集中于线 性控制 基于线性系统的鲁棒控制和非线性控制三大类 2 柔性直流输电主电路的拓扑结构研究 1 9 1 2 9 1 柔性直流输电系统最基本的拓扑方式为采用背靠背连接或者利用电缆输电 将两端v s c 换流器连接起来 两个电压源换流器可以连接两个交流网络或者连 接独立的无源网络 而针对于电压源换流器 目前最常用拓扑为两电平六脉波的 三相整流桥结构 为了降低电压源换流器的开关损耗和谐波分量 多电平的v s c 拓扑也得到了相关的研究 而根据目f j 学者对于多电平的v s c 拓扑研究范围来 看 主要集中于两种拓扑方式 箝位型二极管中点筘位 t h ed i o d e c l a m p e d 中南大学硕士学位论文第一章绪论 n e u t r a l p o i n t c l a m p e d n p c 的拓扑方式和悬浮电容 f l y i n gc a p a c i t o r f c 拓 扑方式 此外限制v s c h v d c 应用领域进一步扩大的一个主要问题是其容量还 相对较小 如何提高v s c h v d c 的容量也是v s c h v d c 技术研究的一个重要 方面 针对这方面研究 从一些发表的文献 目前提高v s c h v d c 的措施除了 尽可能多地将v s c 中的换流器件串 并联使用外 主要采用将多个两电平六脉 动v s c 通过多重化的方法进行联结和控制 比如a b b 主要采用两电平结构或 三电平结构 其提升电压等级是采用最直接的桥臂开关器件串联的方式来实现 3 柔性直流输电技术的应用前景研究 3 0 4 1 根据目前投入运行的柔性直流输电工程可知 其广阔的应用前景使得许多国 内外工程技术人员和学者进行了大量的应用研究工作 不仅充分论证了在风力发 电 太阳能发电 城市柔性并网 海上孤岛等不同的应用场所柔性直流输电的可 行性 并且提出了相应的控制策略和解决方案 在工程应用中得到了很好的实现 由此可以看出 国内外学者在v s c h v d c 系统的建模 控制 保护 应用 等方面均做了许多研究工作 这样也为进一步的研究奠定了良好的基础 当然 v s c h v d c 技术作为一个比较新的输配电技术 研究时间还不长 尚有许多问 题有待更深入的研究 探讨和解决 1 2 2 柔性直流输电无传感器技术的研究现状 在柔性直流输电系统中 由于所用到的高精度传感器存在着价格昂贵 并且 使用的传感器各类多 增加了系统的设计成本和结构的复杂性 从而使得整个系 统显得过于庞大和复杂 另一方面 柔性直流输电技术多应用于风力发电场 海 上发电场 孤岛和太阳能发电场等恶劣工作环境之中 对整个系统的可靠性要求 非常高 而在此特定条件下 传感器很容易受到系统的干扰而产生不必要的信号 丢失或者产生假信号的现象 对于传感器的可靠性考验也显得尤为突出 由此也 相应的增加了系统的不稳定性因素 很难保证系统的可靠运行 工程风险也相应 的增加 因此如何避免对于传感器故障所带来的影响则应该成为当f j 国内外学者 研究的重要的课题 目前国内外关于无传感器技术的研究文献更多的是集中于p w m 整流器的 无传感器控制技术 对于p w m 整流器所需的网侧电动势 网侧电流和直流侧的 母线电压三种传感器都作了深入的研究 尤以无网侧电动势传感器技术与无网侧 电流传感器技术为研究的热点 提出了许多成熟 可靠的两类无传感器技术的算 法 并得到相应的仿真实验验证 4 2 1 5 0 1 如在无网侧电动势传感器的p w m 整流 控制中利用交流电流偏差调节法重构了网侧电动势的幅值和相角 从而来实现 p w m 整流中的无网侧电动势传感器控制技术 通过p w m 整流器的开关状态和 测量的直流母线电流重构了网侧电流的幅值和相角 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 相对于p w m 整流无传感器控制技术 针对于柔性直流输电无传感器控制技 术的文献基本上没有 柔性直流输电技术由于其无与伦比的优点而具有不可替代 性 因此对于柔性直流输电无传感器控制技术的研究将会是一个全新的 有重要 研究价值的新型课题 1 2 3 已有的柔性直流输电 v s c h v d c 工程 至从1 9 9 7 年瑞典的h e l l s j 6 n 柔性直流输电工程试验成功丌始 截止到目前 世界上已投入运行的v s c h v d c 工程有9 项 同时还有3 项在建的工程 1 瑞典h e l l s j 6 n 柔性直流输电工程是世界上首个v s c h v d c 工业试验工 程 设计的额定容量为3 m w 直流电流1 5 0 a 直流电压 1 0 k v 试验的线路 选择为h e l l s j 6 n 附近的一条l o k m 长 电压等级为1 0 k v 的交流线路 该工程自 从1 9 9 7 年3 月建成后完成了一系列复杂的试验计划 并获得了详细的 v s c h v d c 传输有功功率和作为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 瑞典果特兰岛 g o t l a n d v s c h v d c 工程正式投入运 行 这是世界上第1 个实现商业化运行的v s c h v d c 工程 其设计的额定容量 为5 4 m w 两端联结的交流电网电压为8 0 k v 直流电压 8 0 k v 直流电流为 3 5 0 a 直流输电线路的长度2 7 0 k m 该系统为风力场发电提供电压支持并且 采用的是地下电缆来传输电能 这对环境的影响较小 3 2 0 0 0 年4 月 澳大利亚投运的将n e ws o u t hw a l e s 电网和q u e e n s l a n d 电网联接起来的d i r e c t l i n kv s c h v d c 工程 并且在两个电网之间进行相关电力 市场交易 输电线路传输的电能根据n e m m c o n a t i o n a le l e c t r i c i t ym a r k e t m a n a g e m e n tc o m p a n yl i m i t e d 市场的价格决定 从而输送的功率需要在每5 分 钟改变1 次 额定容量为1 8 0 m w 3 6 0m w 联结的两端交流电压分别为 1 3 2 1 1 0 k v 直流电压为 8 0 k v 直流电流为3 4 2 a 直流输电线路为6 5 9 k m 的地下电缆 该工程的主要目的是解决异步联网中有关电力交易的快速控制问题 以及满足环境的要求 4 2 0 0 0 年8 月 在丹麦修建的世界上首个用于风力发电的v s c h v d c 示范工程 t j 霉r e b o r g 工程正式投运 其设计额定容量8 m v a r 7 2 m w 直流 电压为 9 k v 直流电流为3 5 8 a 输电距离为2 4 3 k m 该工程主要目的是为 了解决风力发电所引起的无功功率与电压问题 5 2 0 0 0 年9 月 由a e p e p r i 和a b b 三个公司联合在美国的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 技术而实现电网背靠背异步互联的柔性直 流输电工程 该工程增大了向e a g l ep a s s 的输电能力 解决了e a g l ep a s s 交流电 网中的电压支撑问题 同时也为美国与墨西哥电网之间电力市场交易提供了雄厚 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的技术支持 该工程设计的最大可传输功率为3 6 m w 或者是以s t a t c o m 方 式运行为两端联结的交流电网提供3 6 m v a r 的无功补偿容量 两端交流电网电压 1 3 8 k v 直流额定电压为 1 5 9 k v 直流电流达到1 1 k a 6 2 0 0 2 年7 月建成投运的美国c r o s ss o u n d 柔性直流输电工程将n e w y o r k 和n e we n g l a n d 两个电网非同期联网 直流传输线路采用的是2 x 4 0 k m 的 海底电缆 两端交流电压分别为3 4 5k v 与1 3 8 k v 该工程设计的额定容量为 3 3 0 m w 直流电压 1 5 0 k v 直流电流这1 1 7 5 a 此工程选择v s c h v d c 主要 目的是考虑到电力交易与长远距离的海底电缆输电 7 2 0 0 2 年8 月建成投运的澳大利亚m u r r a y l i n k 直流输电工程 其额定容 量2 2 0 m w 两端的交流电网电压为1 3 2 2 2 0 k v 直流电压为 1 5 0 k v 直流电流 7 3 9 a 输电线路为2 1 8 0 k m 地下电缆 该工程是当今世界上输电线路最长的地 下电缆输电项目 工程的主要目的是电力市场交易和满足长远距离电缆进行输电 的需要 8 2 0 0 5 年2 月挪威的t r o l lav s c h v d c 工程建成投运 该工程实现了 向海上天然气钻井平台用电设备供电 其额定功率为2 4 2 m w 联结的两端交 流电压为1 3 2 5 6 k v 直流电压 6 0 k v 直流电流为3 5 0 a 输电线路为4 7 0 k m 的海底电缆 此工程采用v s c h v d c 输电技术主要是考虑到长距离海底电缆输 电与环境保护的需要 此外 海上钻井平台上的电动机需要变频 0 6 3 h z 调 速 运行电压在0 一5 6 k v 的范围内变化 并且换流器空间和重量都受到了很大 的限制 9 2 0 0 6 年1 2 月连接爱沙尼亚与芬兰的e s t l i n kv s c h v d c 工程建成投运 该工程的主要目的是将波罗的海诸国的电力输送进入北欧电力市场 其额定功率 为3 5 0 m w 两端交流电压3 3 0 4 0 0 k v 直流电压 1 5 0 k v 输电线路2 3 l k m 的地下电缆与2 7 4 k m 的海底电缆 该工程采用v s c h v d c 主要是考虑到长距 离海底电缆输电与非同步电网互联 1 0 v a l h a l lv s c h v d c 工程预计将于2 0 1 0 年建成投运 该工程的主要目 的是从挪威海岸l i s t a 向北海中的v a l h a l l 钻井平台进行供电 额定功率为7 8 m w 两端交流电压为3 0 0 1l k v 直流电压为 1 5 0 k v 输电线路为2 9 2 k m 海底电缆 该工程采用v s c h v d c 主要是考虑到降低制造成本 提高钻进油田的运行效率 以及减少温室气体的排放而保护环境 1 1 n o r d e o nlv s c h v d c 工程预计将于2 0 1 0 年投运 该柔性直流输 电工程将目前世界最大的离岸风电场b o r k u m2 的电能输送至德国电网 其额定 功率为4 0 0 m w 两端交流电压为3 8 0 1 7 0 k v 直流电压为 1 5 0 k v 输电线路分 别为2 x 7 5 k m 的地下电缆与2 1 2 8 k m 的海底电缆 该工程采用v s c h v d c 的 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 主要目的是考虑长远距离的电缆输电 1 2 c a p r i v il i n ki n t e r c o n n e c t o rv s c h v d c 工程预计将于2 0 1 0 年投运 该工程联结了位于纳米比亚的两个弱电网 使得它们能在非洲南部进行正常的电 力交易 其额定功率为3 0 0 m w 两端交流电压为4 0 0 3 3 0 k v 而直流电压达到 了 3 5 0 k v 这也是目前v s c h v d c 工程中的最高直流电压 输电线路为9 7 0 k m 的架空线路 该工程采用v s c h v d c 的主要是考虑到长距离弱系统之间的互联 提高系统稳定性 1 3 课题的研究意义与目的 基于开发可再生新能源和智能电网控制的背景下 柔性直流输电技术对于小 型性 分散性 远离负荷中心的电能传输具有交流输电和传统直流输电无可比拟 的显著优势 它不仅成功实现了有功功率与无功功率的独立解耦控制 同时也实 现了对无源网络的供电 甚至具备s t a t c o m 等无功补偿的特征 从而可以实现 对动态无功功率的补偿 因此柔性直流输电技术的相关研究正渐渐成为国内外的 研究热点 无传感器控制技术在柔性直流输电系统中的应用基本上还处于空白 针对安 装传感器所带来的系统结构复杂度和不稳定性因素的增加 无传感器控制技术在 柔性直流输电系统中的应用将具有非常重要的科研和工程价值 本文提出了一种 新型的基于柔性直流输电系统的无网侧电动势传感器技术 在d q 旋转坐标系下 建立了以网侧电流为状态变量的电压源型换流器 v s c 数学模型 而针对此数 学模型构造了一个全新的可调电流模型 运用模型参考自适应控制理论 推导出 了相应的网侧电动势的幅值和相位角辨识率 通过对参考电流模型与可调电流模 型的电流差值进行p i 调节从而得到了辨识的网侧电动势 尽管柔性直流输电技术具有巨大的工程应用前景 但在国内的工程应用还处 于空白 为了能够尽早实现柔性直流输电的工程化 搭建一套小容量的柔性直流 输电实验系统进行相关的实验研究是非常必要的 为今后的工程应用作了良好的 实验探索 积累的相关理论和实验经验也起了良好的铺垫作用 1 4 论文的主要内容和安排 第二章介绍了柔性直流输电系统的基本结构 并详细描述了其组成部分和相 应的功能 对整个系统最关键的电压源型换流器 v s c 作了深入的研究 并针 对其调相原理和运行特性进行了数学推导和分析 从而得出柔性直流输电系统的 基本原理 第三章给出了柔性直流输电系统的数学模型 由于在a b c 三相静止坐标系下 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的存在着大量的耦合 不利于能量的四象限控制 因此将通过坐标转换建立了在 d q 旋转坐标系下的柔性直流输电系统模型 并顺利实现了有功电流和无功电流 的解耦 从而也达到了有功功率和无功功率单独控制的目的 围绕有功电流和无 功电流的解耦 设计了以电流内环和功率外环为基础的双闭环控制方式 详细推 导了电流内环控制器以及多种外环功率控制器的控制策略 相应的仿真结果也验 证了柔性直流输电系统模型的准确性以及控制策略的优越性 第四章提出了一种新型的基于柔性直流输电系统无网侧传感器控制技术 建 立d q 旋转坐标系下以网侧电流为状态变量的v s c 电流参考模型 基于此参考模 型设计了全新的可调电流模型 运用模型参考自适应理论 分别推导出了网侧电 动势的幅值和相位角的自适应辨识率 通过对两个模型的网侧电流进行差值比较 从而得到了辨识的网侧电动势 并对提出的无网侧电动势传感器控制技术进行了 仿真研究 第五章针对柔性直流输电工程广阔的应用前景 设计了一个简要的实验系统 来验证本文所提出的柔性直流输电系统以及相关的控制策略的准确性 大量的实 验数据和波形图也充分说明本文所设计的柔性直流输电系统的准确性 第六章为工作总结和展望 8 中南大学硕士学位论文第二章柔性直流输电系统的基本原理 第二章柔性直流输电系统的基本原理 传统高压直流输电技术所采用的是无自关断能力的晶闸管所组成的电网换 相换流器来进行换流 而柔性直流输电技术 v s c h v d c 采用的是具有自关 断能力的高频电子器件来进行换流 因此这两种直流输电技术有着本质上的区 别 而为了能够更好地理解柔性直流输电系统的运行特性与控制特性 本章将从 电压源型换流器 v s c 的单相电路结构入手来阐述柔性直流输电系统基本的运 行原理 2 1 柔性直流输电系统组成结构 伴随着功率半导体开关器件性能的不断提高 电力电子技术同时也取得了长 足和快速的发展 电力电子器件已从早期的电力电子装置所广泛运用的半控型功 率半导体开关 酱通晶闸管 t h y r i s t o r 发展到如今性能优越的全控型开关 如绝缘栅双极型晶体管 i g b t 功率半导体可关断器件技术的不断进步 促进 了以电力电子为核心的变流技术的飞速发展 使得高压直流输电技术出现了一次 重大变革 新型一代的h v d c 输电技术 是以全控型 可关断器件而构成的电 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 为基础 在换流器中全控型器 件代替了传统的半控型品闸管 使得v s c h v d c 输电系统具备对其传输有功功 率和无功功率进行同时控制的能力 以及可以实现对交流无源网络供电等众多优 占1 5 1 5 2 1 矗 o y 换流站 j j 一 y s c 换流站 图2 1 联结两端有源交流电网的柔性直流输电系统结构示意图 图2 1 所示为联结两端有源交流电网的柔性直流输电系统主要设备以及系统 构成示意图 其中v s c 换流站的主要设备包含了全控换流器 直流电容器 换 相电抗器 换流变压器以及交流滤波器等 各个主要设备的结构与作用是 9 中南大学硕士学位论文第二章柔性直流输电系统的基本原理 电压源型换流器 v s c 它是整个柔性直流输电系统的核心部件 其桥臂 由大功率可控 关断型电力电子器件 如i g b t i g c t 和反向并联二极管所组 成 而为了提高v s c 的容量 通常所采用的方法主要有 桥臂器件的串并联 多电平v s c 拓扑结构 换流器单元模块的串并联形式等 换流变压器 尽管v s c h v d c 系统理论上可以不需要换流变压器 但是在 实际工程中大都装配了三个单相变压器或者是一个三相变压器 在通常情况下 变压器连接交流电网侧的绕组 一次侧 采用星形接法 而靠近换流器侧的绕组 二次侧 则采用三角形接法或者是星形接法 这种接线方式的主要优势是 其 一 可以减少系统的谐波分量与直流分量 其二 可以减少系统的开关损耗并且 提高换流器的功率传输能力 v s c 换流站的开关调制采用了不同的零序分量注 入方法 换相电抗器 v s c 换流器的交流输出侧所对应的每一相分别安装了一个换 相电抗器 换相电抗器是v s c 换流器的关键组成部分 换流电抗器与换流变压 器联系所组成的等效电抗是v s c 与交流系统之间能量传输的关键部分 即不仅 仅决定了v s c 的功率传输能力 同时也为四象限功率独立控制的实现起着至关 重要的作用 此外 换相电抗器既能抑制v s c 输出电流和电压中的开关谐波 又能够起到抑制短路电流的作用 直流侧电容器 直流侧电容是v s c 的直流侧储能元件 它可以缓冲桥臂开 断的冲击电流 并为受端站提供稳定的电压支撑以及减少系统直流侧的电压谐 波 此外 直流侧电容的大小一方面决定其抑制直流电压波动的能力和交流系统 故障条件下系统的生存能力 另一方面也会影响v s c 控制系统的动态响应特性 在相同直流电压条件下 三电平二极管筘位型v s c 开关器件所承受的电压应力 为两电平v s c 的一半 如果开关器件满足要求 那么三电平拓扑中直流电容选 取要求与裕量等可低于两电平的拓扑结构 因此 对直流侧电容的参数须进行优 化设计 交流滤波器 与基于半控型开关器件晶阐管的传统h v d c 系统不同 柔性 直流输电系统采用p w m 控制技术 由于v s c 的开关频率较高 因此其输出的 交流电压和电流中低次谐波含量较少 再加上换流电抗器对输出电流同样具有滤 波的作用 使得电流的谐波含量较容易符合相关的谐波标准 但是 在没有任何 滤波装置的情况下 v s c 输出的交流电压和电流中还是含有一定量的高次谐波 而且其总的谐波畸变率尚不能达到相关的谐波标准 对此 通常会选择安装交流 滤波器加以抑制 交流滤波器的容量 型式与换流器所采用的拓扑结构 主电路 的参数选择 开关频率及其调制方式等因素有关 一般说来 二极管箝位型三电 平v s c 的谐波特性比两电平v s c 要优异 在相同的开关频率下 三电平拓扑结 1 0 中南大学硕士学位论文第二章柔性直流输电系统的基本原理 构所选滤波器的容量可小于两电平拓扑 随着调制策略的不断发展 在两电平 v s c 运用优化的p w m 调制方式时 由于其谐波特性明显改进 交流滤波器容量 也可以相应地取得较低 因此 在选择交流滤波器参数时 要视上面所述具体情 况而定 直流输电线路 除了背靠背系统外 v s c h v d c 两侧的换流器是通过电缆 线或架空线进行连接 为了减少输电线路的故障 从a b b 公司目前建成投运的 工程来看 基本上都是采用电缆作为直流输电的线路 直流输电线路采用架空线 o h l o v e r h e a dl i n e 仍然具有经济性与环境方面的优点 尤其是当转化已有 的交流线路为直流功用时 当采用架空线路时 故障发生概率较高 由于目前直 流断路器的不成熟 因此直流侧故障还不能由直流断路器断开 短路电流对于换 流阀的安全运行也相当不利 当采用架空线路时 对主电路参数的优化 配合以 及控制器的性能提出了更高的要求 2 2 电压源型换流器 v s c 的调相原理 柔性直流输电系统整流侧与逆变侧两端均采用电压源型换流器 v s c 来 进行换流 则整流侧和逆变侧的v s c 具有相同的物理结构 其中v s c 主电路拓 扑结构图如图2 2 所示 图中屹 虬 虬为三相对称交流电网电压 乇 f c 为三相交流电网相电流 s s 为换流器可关断器件的开关信号 s 口 b c 1 上桥臂开关管导通 下桥臂开关管关断 s 0 下桥臂开关 管导通 上桥臂开关管关断 为直流母线电压 足 厶为滤波电抗器的电 阻和电感 c 为直流侧电容 u u 吮为换流器的输入电压 c n o 图2 2 电压源型换流器主电路拓扑图 在此 为了便于分析接下来的问题以及加深对三相v s c 工作原理的理解 下面将以v s c 的a 相等效电路为例来详细分析其基本的工作原理 为了简化 中南大学硕士学位论文第二章柔性直流输电系统的基本原理 忽略下标s 来对其进行分析 v s c 的a 相等效电路如图2 3 所示 r n x q d l 图2 3v s c 的a 相等效电路 图中比为v s c 所连的交流系统母线 a 相的平均电压 吒为换流器的a 相输入电压 由基尔霍夫电压定理可以得出图2 3 中所示各个元件的电压关系 u s o u i r x j u u n i o r d 由式 2 1 可以得出吒 吒和d 肠这三者之间的向量关系 所示 图中缈为电阻电压降心乞和吒这二者之间的夹角 2 1 如图2 4 a 在实际的工程应用中 电阻r 的值一般而言相对较小 在一定的误差范围 内因此可以忽略不计 即图2 4 a 中的r t 0 由此得到图2 4 b 和图2 4 c 图2 4 b 表示的是d 吒 t 滞后于d 9 0 度 整流器吸收感性无功功率 图2 4 c 表示的是d 0 时 则表示的是v s c 1 作于整流状态且吸收有功功率 相反 当万 0 时 v s c 吸收无功功率 而当u 一以c o s 8 0 时 v s c 发出无 功