基于Matlab的高压直流输电系统建模与仿真VIP

1、 毕业设计（论文） 题目 基于 matlab 的高压直流输电系统建模与仿真 学生姓名 学号 专业 班级 指导教师 评阅教师 完成日期 年月日 毕业设计（论文）课题任务书 （ - 学年） 学院名称： 课题名称基于 matlab 的高压直流输电系统建模与仿真 学生姓名专业学号 指导教师任务书下达时间 课题概述： 要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）： 学位论文原创性声明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。本人完全意识到本

2、声明的法律后果由本人承担。 作者签名：必须本人签字 年 月 日 学位论文版权使用授权书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障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关学位论文管理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 人授权省级优秀学士学位论文评选机构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 ，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名：必须本人签字 年 月 日 导师签名：必须本人签字 年 月 日 目 录 前言 .

3、1 1 绪论.2 1.1 高压直流输电技术的发展概况.2 1.1.1 高压直流输电的发展.2 1.1.2 我国高压直流输电的发展状况.2 1.2 高压直流输电系统的优缺点.3 1.3 高压直流输电的应用.4 2 高压直流输电系统的基本原理.6 2.1 高压直流系统接线和元件.6 2.1.1 高压直流系统接线方式.6 2.1.2 高压直流输电系统的元件.9 2.2 换流器的工作原理.10 2.2.1 换流器的基本电路.11 2.2.2 六脉动整流器的工作原理.12 2.2.3 逆变器的工作原理.14 2.3 十二脉动换流器.14 2.4 直流输电系统的基本控制原理.15 2.5 直流输电系统的基

4、本控制.16 3 高压直流输电系统仿真建模.19 3.1 单极大地回路直流输电系统基本结构（正极）.19 3.2 建模与仿真工具 matlab/simulink 简介.19 3.3 高压直流输电系统建模.20 3.3.1 高压直流输电一次系统建模.20 3.3.2 高压直流输电控制系统建模.21 4 高压直流输电系统仿真结果分析.24 4.1 高压直流输电系统的起停和阶跃相应仿真.24 4.2 pid 算法仿真结果 .26 总结 .29 致 谢 .30 参 考 文 献 .31 32 1 基于基于 matlab 的高压直流输电系统建模与仿真的高压直流输电系统建模与仿真 学 生：周鸣中 指导教师：

5、刘平 （三峡大学 科技学院） 摘摘 要：要：根据题目要求，本论文主要包括以下内容：直流输电的历史、发展情况，直 流输电原理和分类。综合各种情况对高压直流输电与交流输电进行了比较，分析了高 压直流输电的优点及其应用。详细阐述了高压直流输电系统的结构和元件，以及整流 器和逆变器的工作原理及过程。除此之外，对于高压直流输电正极运行时可能出现的 各种故障进行简单的分析。通过采用定直流电压、定交流电压的控制方式，建立了基 于 matlab 的轻型直流输电系统的仿真模型，并以一个单机系统为例，分析了系统的控 制模型。通过对三相接地短路的分析，验证了所建立的仿真模型和控制系统的正确性 和合理性，为进一步研究

6、轻型直流输电系统的物理模型奠定了理论基础。 关键词：关键词：高压直流输电；matlab；仿真分析 abstract: according to the topic request, this paper mainly includes the following contents: historical development, hvdc, hvdc transmission principle and classification. combination of circumstances of hvdc and ac transmission, analyzes the advantage

7、s and the application of high voltage dc transmission. the structure and component of hvdc transmission system in detail, and the working principle and process of the rectifier and the inverter. in addition, a simple analysis of the possible faults of hvdc pole runtime. by using the control method o

8、f dc voltage, ac voltage, establishes the simulation model of hvdc light system based on matlab, and as a stand-alone system as an example, analyzes the control model of the system. through the analysis of three-phase short circuit to ground, validate the simulation model and the control system is c

9、orrect and reasonable, laid the theoretical foundation for the further study on the physical model of the hvdc light system. keywords： hvdc transmission; matlab; simulation analysis 32 1 前言前言 高压直流输电工程自 1954 年在瑞典 gotland 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,目前世界上己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

10、统联网工程中得到较大的发展。 特别是在 20 世纪 80 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 60 年代初才开始。1977 年,在上海建成并 投运了我国第一条 31kv,465mw,长 96km 的地下电缆直流输电试验线路。1987 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 2011 年

11、到 2020 年的十年间,我国还将建设直流线路 12 条,输 电容量可达 3700 万 kw。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架。 直流输电是目前世界上电力大国解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的 一个重要手段。直流输电将交流电通过换流器变换成直流电，然后通过直流输电线路 送至受电端并通过换流器变成交流电，最终注入交流电网。相对交流输电来说，直流 输电具有输送灵活、损耗小、能够节约输电走廊、能够实现快速控制等优点。直流输 电技术从 20 世纪 50 年代在电力系统中得到应用以来，至今经历了汞弧阀换流和晶闸 管

12、阀换流时期，目前世界上已有 60 多项直流输电过程投入工程，在远距离大容量输电， 海底电缆和地下电缆以及电力系统联网工程得到了较大的发展。特别是在 20 世纪 80 年代以后，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 输电技术的应用和发展。比较明显的是，背靠背非同步联网和多端直流输电工程以及 采用新型半导体器件的轻型直流输电工程，近年来发展很快。随着新型半导体器件在 直流输电工程中的应用，还将推动直流输电技术进一步的发展。中国自 1987 年舟山直 流输电工程投入运行，到 2012 年已有多项直流输电工程相继投入运行，其中包括葛洲 坝-南桥、天生桥-广州、三峡-常州、三

13、峡-广东、贵州-广东、三峡-上海以及灵宝背 靠背等直流输电工程以及舟山及嵊泗海底电缆及架空线混合的小型直流输电工程。直 流输电技术在我国西电东输以及电力系统全国联网工程中将会起到重要的作用。 32 2 1 1 绪论绪论 1.11.1 高压直流输电技术的发展概况高压直流输电技术的发展概况 1.1.11.1.1 高压直流输电的发展高压直流输电的发展 电力技术的发展是从直流输电技术是从 20 世纪 50 年代开始得到应用，并且在近 年来迅速发展的一项新技术。经过半个世纪的发展，高压直流输电(hvdc，high voltage direct current transmission)技术的应用取得了长

14、足的进步。据不完全统 计，目前包括在建工程在内，世界上已有近百个 hvdc 工程，遍布 5 大洲 20 多个国家。 它与交流输电相互配合，构成现代电力传输系统。直流输电的发展大致可分为如下三 个阶段:（1)1954 年以前，试验阶段。由于 50 年代初交流系统高压输电处于发展的黄 金时代，加上当时技术水平的限制，直流输电发展缓慢并且不受重视。 （2)1954 年至 1972 年，发展阶段。1954 年瑞典建成世界上第一条工业直流输电线路，标志着直流输 电进入实用阶段。在这一阶段，直流输电设备的制造技术、施工质量、运行水平都有 了很大的提高。直流输电技术应用到水下输电，不同额定频率交流系统互连，

15、远距离 大功率输电等多个方面。 （3)1972 年至今，快速发展阶段。1972 年晶闸管阀换流器第 一次在工程中应用，取代了汞弧阀，使直流输电技术提高了一大步。直流输电技术得 到了普遍的重视。 1.1.21.1.2 我国高压直流输电的发展状况我国高压直流输电的发展状况 我国对高压直流输电的研究起步较晚，从 60 年代初开始，并由于种种原因中断了 一段时间。70 年代前半期才又先后在浙江、上海、北京、西安等地恢复实验研究工作。 1977 年，在上海建成并投运了我国第一条 31kv，4.65mw，地下电缆长 8.6km 的直 流输电试验线路。1987 年，在浙江舟山投运了1o0kv，100mw，全

16、长 54km 的高压直流 工程，这是我国第一条自行设计、施工、全部设备国产化的线路。1990 年投运的葛洲 坝至上海的电压500kv，传输功率 1200mw，输送距离约 1045km 的高压直流输电线路 是我国当时规模最大的直流工程。它的建成标志着我国高压直流输电技术上了一个台 阶，为今后我国直流输电的建设和发展积累了丰富的经验。2001 年天生桥至广州直流 输电系统投运，其额定工作电压500kv，容量 1800mw，线路长约 965km。南方电网以 它为系统联络线，形成了我国第一个高压大容量交直流并联运行电力系统。20022008 年，又有三峡-广东、贵州-广东、灵宝背靠背、三峡-上海、贵州

17、-广东和高龄背 靠背 6 项直流输电工程投入运行。2020 年前计划建设的直流输电工程有： （1）漫湾、糯扎渡送广东的 3000mw 工程； 32 3 （2）溪落渡、向家坝向华中、华东送电 16000mw； （3）西南水电送江西、福建的 3000mw 项目； （4）广东与海南用宜流电缆联网，输送容量为 1000mw。 目前我国对高压直流输电的应用只能算是试验性阶段，与国外发达国家相比，还 有很大差距。随着我国各大区电力系统的发展，高压直流输电在形成全国互联统一网 中的优越性将日益突出。因此，加速高压直流输电技术的研究和工程建设是一项非常 紧迫的任务。 1.21.2 高压直流输电系统的优缺点高压

18、直流输电系统的优缺点 电能的输送最早是通过直流来实现的，但后来由于多相交流电路原理的逐步完善， 出现了交流发电机、变压器和感应电动机，使得交流电的发电、变压、输送、分配及 使用变得更为方便、经济和安全可靠。这样交流电几乎完全替代了直流电，并发展成 今日规模巨大的电力系统。但是随着高电压、大容量晶闸管制造水平的提高及控制理 论和技术的发展，直流输电技术越来越被受到重视。特别是在大功率、远距离、海底 电缆送电和交流系统间非同步互联等方面，直流输电相对交流输电有着明显的优势。 不同于传统的交流输电，直流输电系统具有如下优点： 第一，长距离输电线路建设费用低。对于架空线路，常见三相交流输电线路需要 三

19、根导线，而单极直流输电只需两根导线。当用大地或海水作回路时，仅需一根导线， 架空线的杆塔载荷小，线路所需走廊较窄。在输送相同功率的条件下，直流输电可节 省大量的有色金属、钢材、绝缘材料等。对于电缆线路，直流电缆与交流电缆相比， 其投资和运行费用都更为经济。 第二，适宜于远距离输电。高压交流输电线路单位长度的分布电容较大，为避免 输电线过负荷，其输送的交流容量远低于自然功率。同时，交流输电线路末端或中间 因电容效应而使电压升高，需在线路中安装并联电抗器补偿，以确保其正常运行。而 采用直流输电就无此弊端。 第三，通过直流输电线路连接的两端交流输电系统不需要同步运行，并且输电距 离不受电力系统同步运

20、行稳定性的限制。在电力系统中的所有发电机都要保持同步运 行。如果输送功率过大或输电距离过长，线路两端功角差过大，就不能保证系统运行 的稳定性和可靠性。 第四，调节快速、运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能容易的快速调整有功 功率和实现“潮流翻转” ，这样不仅在正常运行时能保证稳定的输出，而且在事故情况 下，可以由正常的交流系统向另一端事故系统进行紧急支援，从而提高系统的稳定性： 或者在交直流线路并列运行时，当交流线因扰动引起输送功率变换时，可迅速调节直 32 4 流输电的功率，以抵消交流输电系统因扰动引起的功率变换量，从而提高系统运行的 可靠性。 第五，限制系统的短路电流。用交流线路互联的电力

21、系统，电力短路电流随系统 容量的增加而增大。可能会超出部分原有断路器的遮断容量。而利用直流线路连接的 两个交流系统，由于直流联络线的电流能按定值迅速加以控制，因此两个系统各自的 短路容量不会因为互联而有明显的增大。此外，当直流线路发生短路故障时，同样也 可以通过整流器的调节来限制短路电流。在直流线路电容放电电流消失之后，短路电 流的峰值一般可控制到线路额定电流的 1.72 倍。 双极直流输电工程科按极来分期建设，先建一个极单极运行，后再建另一个极。 也可以每极选择两组基本换流单元（串联接线或并联接线） ，第一期先建一组（为输送 容量的 1/4）单极运行；第二期再建一组（为输送容量的 1/2）双

22、极运行；第三期再增 加一组，可双极不对称运行（为输送容量的 3/4） ，当两组换流单元为串联接线时，两 极的电压不对称，为并联接线时，则两极的电流不对称；第四期则整个双极工程完全 建成。直流输电与交流输电相比，也有如下缺点： 1）直流输电换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费 用高、可靠性也较差。通常交流变电站的主要设备是变压器和断路器，而直流换流站 除换流变压器和相应的断路器以外，还有换流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤 波器、无功补偿设备以及各种类型的交流和直流避雷器等。 2)换流器对交流侧来说，除了是一个负荷（在整流站）或电源（在你逆变站）以 外，它还是一个谐波电

23、流源。它畸变交流电流波形，向交流系统发出一系列的高次谐 波电流，同时也畸变了交流电压波形。为减少流入交流系统的谐波电流，保证换流站 交流母线电压的畸变率在允许的范围内，必须装设交流滤波器。 3)晶闸管换流器在进行换流时需要消耗大量的无功功率（占直流输送功率的 40%60%） ，每个换流站均需装设无功补偿设备；当交流滤波器所提供的无功功率不能 满足无功补偿的要求时，还需静电电容器；当换流站接于弱交流系统时，为提高系统 动态电压的稳定性和改善换相条件，有时还需要装设同步调相机或静止无功补偿装置， 这同样要增加换流站的投资和运行费用。当采用新型可关断半导体器件或电容换相换 流器时，无功补偿问题将会得

24、到解决。 1.31.3 高压直流输电的应用高压直流输电的应用 根据以上分析，现将直流输电的主要应用述如下。 l)远距离大功率输电。 2)直流电缆送电。由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过等价距 32 5 离时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。 3)电力系统联网。 4)现有交流输电线路的增容改造。 5)轻型直流输电（hvdclight） 。 以上五点是直流输电的主要应用。此外，直流输电的应用范围广泛，还可用于磁 流体发电、太阳能电池、燃料电池和热核聚变直接发电等多种新型发电方式的配套和 超导输电等方面。 32 6 2 2 高压直流输电系统的基本原理高压直流输电系统的基本

25、原理 2.12.1 高压直流系统接线和元件高压直流系统接线和元件 2.1.12.1.1 高压直流系统接线方式高压直流系统接线方式 直流输电系统的接线大致可分为三种方式:单极连接，双极连接和背靠背接线方式。 1.单极系统（正极或负极） 单极直流输电系统可以采用正极性和负极性。换流站出线端对地电位为正的称为 正极，为负的称为负极，与正极或负极相连的输电导线称为正极导线或负极导线，也 可以称为正极线路或负极线路。单极系统的接线方式有单极大地（海水）回线方式和 单极金属回线方式两种。 （1）单极大地回线方式 单极连接是用一根架空导线或电缆线，以大地或海水作为返回线路组成直流输电 系统。如图 2.l(a

26、)所示这种方式。由于正常运行时电流需流经大地或海水，因此要注 意接地电极的材料、埋设方法和对地下埋设物的腐蚀以及对地下通讯线路、航海罗盘 的影响等问题，通常用正极接地方式较多。 图 2.1(a) 单极大地回线方式接线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端 交流系统 （2）单极金属回线方式单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路， 见图 2.1（b）,其中一根低绝缘的导线（也称金属返回线）用来代替单极大地回线中的 地回线。这种方式避免了电流从大地或海水中流过，又把某一导线的电位钳位到零。 其缺点是当负荷电流在流过导线时，要产生不小的电

27、压降，所以仍要考虑适当的绝缘 强度。这种方式大多用于无法采用大地或海水作为回路以及作为双极方式的过渡方案。 32 7 图 2.l(b) 单极金属回线方式接线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统； 6-两端交流系统 此外，当双极直流输电工程在单极运行时，还可以接成双导线并联大地回线方式， 其接线图如图 2.1（c）所示。 图 2.1（c）双导线并联大地回线方式接线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统 2.双极系统 双极线路方式有两根不同极性的导线，即一正一负。可具有大地回路或中性回路， 分述

28、如下： （1）双极两端中性点接地方式如图 2.2(a)所示这种方式是将整流站和逆变站的中 性点均接地，双极对地电压分别为+v 和-v。正常运行时，接地点之间没有电流通过。 实际上，由于两侧变压器的阻抗和换流器控制角的不平衡，总有不平衡电流以大地作 为回路流过。当一线路故障切除后，可以利用健全极和大地作为回路，维持单极运行 方式。 图 2.2(a)双极两端中性点接地方式接线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统 （2）双极一端中性点接地方式这种运行方式如图 2.2(b)所示，它是在整流侧或逆 32 8 变侧中性点单端接地，正常运行时和上

29、述方式相同。但是一线故障时，就不可以继续 运行了。 图 2.2(b)双极一端中性点 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统接地 方式接线图 （3）双极金属中性线方式将双极两端的中性点用导线连接起来，就构成双极中性 线方式，见图 2.2(c)所示。这种方式是在整流侧或逆变侧任一端接地，当一极发生故障 时，能用健全极继续输送功率，同时避免了利用大地或海水作为回路的缺点。这种方 式由于增加了一根导线，在经济上将增加一定的投资。 图 2.2(c)双极金属中性线方式接线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统

30、；6-两端交流系统 3.背靠背（back-to-back） ”换流方式 如图 2.3 所示，没有直流输电线路，而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为 “背靠背”换流站。这种方式用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流 系统的互联。背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可以选择低电压大电流，可充 分利用大截面晶闸管的通流能力，同时直流侧设备也因直流电压低而使其造价也相应 降低。背靠背直流输电由于整流器和逆变器均装设在一个阀厅内，直流侧谐波不会造 成对通信线路的干扰，因此可降低对直流侧滤波的要求，省去直流滤波器，减小平波 电抗器的电感值。这样，整个直流系统的绝缘费用可以降低，有色金属的消耗

31、量和电 能耗损较少。目前世界各国己修建和准备投建的“背靠背”直流工程较多，其主要优 32 9 点是有利于系统增容时限制短路容量，从而不致更换大量的电气设备。背靠背 hvdc 系统可根据互联的目的和要求的可靠性而设计成单极或双极运行。大多数点对点(两端) 带线路的 hvdc 输电系统是双极的，只在偶发事故时作单极运行。 图 2.3 背靠背换流站原理接线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-两端交流系统 2.1.22.1.2 高压直流输电系统的元件高压直流输电系统的元件 hvdc 系统主要由换流站(有整流站和逆变站)和 hvdc 线路组成，主要包括换流 器、直流平波电抗器、交直流滤波

32、器、无功补偿装置、直流输电线路以及电极。下图 是一个双极联络线系的基本组成元件示意图，其他类型的接线，其主要元件与此图所 示基本相同。下面分别介绍如下： 图 2.4 两端高压直流输电系统的主要设备 图 2.4 中主要设备如下： 32 10 (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-直流和直一交流转换。换流器包括 6 脉动或 12 脉动 安排的高压阀。 (3)直流平波电抗器。这些大电抗具有很大的电感值，可以降低直流线路中的谐波 电压和电流，防止逆变器换相

33、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上。对单桥 用交流滤波器吸收 6n1 次谐波，对双桥吸收 12n1 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 6n 次 谐波，双桥时吸收 12n 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

34、占传输功率的 4060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最 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。它们可以是架空线，也可

35、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。 2.2 换流器的工作原理 换流技术是指交流电力与直流电力之间相互交换的技术。换流器是实现这种交直 流变换的主要设备，是直流输电系统中的重要组成部分。换流器的主要元件是阀桥和 32 11 换流变压器。安装在换流站内的换流器既可以运行于将交流变成直流的整流状态，也 可运行于反向变换的逆变状态。运行于前一种状态的换

36、流器称为整流器，运行于后一 种状态的换流器称为逆变器。 2.2.12.2.1 换流器的基本电路换流器的基本电路 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 12 脉动换流电路，但由于 12 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 2.5 所示。其中，ea、eb、ec 为等值交流系统的基波正弦相电动势，l为每相的等值 换相电抗，ld 为平波电抗值。为了阐述简洁明晰，在以下的分析中若非特殊说明采用

37、如下假设条件： (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。 (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(60)的等相位间隔依次轮流触发导通。 32 12 图 2.5 六脉动整流原理接线图 目前，直流输电工程广泛采用的晶闸管换流阀的特点有：换流阀的单向导电性。 换流阀只能在阳极对阴极为正电压时，才单方向导通不可能有反向电流。即直流电 流不可能有负值。换流阀的导通条件是阳极对阴极为正

38、电压和控制极对阴极加能量 足够的正向触发脉冲两个条件，必须同时具备，缺一不可。换流阀一旦导通，它只有 在具备关断条件时才能关断，否则一直处于导通状态。换流阀的控制极无关断能力， 只有当流经换流阀的电流为零时，它才能关断（惟一的关断条件） ，是靠外回路的能力 来进行关断的。换流阀一旦关断，只有在具备上述两个导通条件时，才能导通，否则 一直处于关断状态。因此，以上基本概念对人们分析换流器的正常工况和故障工况都 是很有用的。 2.2.22.2.2 六脉动整流器的工作原理六脉动整流器的工作原理 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

39、成的叠弧，也不考虑阀导通时的触发延迟。此时，每一段导通的阀及输出 整流电压的情况如表 2.1 所示。由该表可见，6 个阀的导通顺序为 v1 一 v2 一 v3 一 32 13 v4 一 v5 一 v6。 表 2.1 单桥整流器等值电流阀工作情况 时段 共阴极组中导通的阀 v1v1v3v3v5v5 共阳极组中导通的阀 v6v2v2v4v4v6 整流输出电压 vd ea-eb=eabea-ec=eaceb-ec=ebceb-ea=ebaec-ea=ecaec-eb=ecb 整流器的输入、输出波形如图 2.6 所示。 图 2.6 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

40、形(b)直流输出电压的波形 输入波形中的 c1c6 为自然换相点。由图 2.6 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 v1v2 一 v3 一 v4 一 v5 一 v6 的顺 序，相位依次差 60；共阴极组从 v1、v3、v5 的脉冲依次差 120，共阳极组 v2、v4、v6 也依次差 120；同一组的上下两个桥臂，即 v1 与 v4，v3 与 v6，v5 与 v2，脉冲相差 180。 32 14 (3)在整

41、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 vd 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。 2.2.32.2.3 逆变器的工作原理逆变器的工作原理 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流电 压处于负半周时使阀导通，此时 vd90。 ，直流平均电压 vd 为负值，vd 此时起一个反 电势的作用。逆变器的等效电路如图 2.7 所示。 图 2.7 逆变器原理接线图 2.32.3 十二脉动

42、换流器十二脉动换流器 实际应用中，要求将两个或多个换流桥串接以获得所要求的较高的直流电压。12 脉动换流器是由两个 6 脉动换流器在直流侧串联而成，其交流侧通过换流变压器的网 侧绕组而并联。换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，而另一个为三角形接线，从 而使两个 6 脉动换流器的交流侧，得到相位相差为 30 的换相电压。12 脉动换流器可 以采用两组双绕组的换流变压器，也可以采用一组三绕组的换流变压器。图 2.8 给出了 32 15 当采用两组双绕组变压器时的 12 脉动换流器原理接线图。 图 2.8 12 脉动换流器原理接线图 12 脉动换流器由 viv12 共 12 个换流阀所组成，图 2.

43、13 中所给出的换流序号为 其导通的顺序号。在每一个工频周期内有 12 个换流阀轮流导通。它需要 12 个与交流 系统同步的按序触发脉冲。脉冲之间的间距为 30。 12 脉动换流器的优点之一是其直流电压质量好，所含的谐波成分少。其直流电压 为两个换相电压相差 30 的 6 脉动换流器的直流电压之和，在每个工频周期内有 12 个 脉动数，因此称为 12 脉动换流器。直流电压中仅含有 12k 次的谐波，而每个 6 脉动换 流器直流电压中的 6（2k1）次的谐波，因彼此的相位相反而互相抵消，在直流电压 中则不再出现，因此有效地改善了直流侧的谐波性能。12 脉动换流器的另一个优点是 其交流电流质量好，

44、谐波成分少。交流电流中仅含 12k1 次的谐波，每个 6 脉动换流 器交流电流中的 6（2kl）1 次的谐波，在两个换流变压器之间环流，而不进人交流 电网，12 脉动换流器的交流电流中将不含这些谐波，因此也有效地改善了交流侧的谐 波性能。对于采用一组三绕组换流变压器的 12 脉动换流器，其变压器网侧绕组中也不 含 6（2k1）1 次的谐彼，因为每个这种次数的谐波在它的两个阀侧绕组中的相位 相反，因此在变压器的主磁通中互相抵消，在网侧绕组中则不再出现。因此，大部分 直流输电工程均选择 12 脉动换流器作为基本换流单元，从而可简化滤波装置，节省换 流站造价。 32 16 2.42.4 直流输电系统

45、的基本控制原理直流输电系统的基本控制原理 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，结合前面的分析，图 2.4 所 示双极直流输电线路的一个极或者一个单极直流输电线路可以用图 2.9 所示的等值电路 来表示。 图 2.9 高压直流系统等值电路图 2.52.5 直流输电系统的基本控制直流输电系统的基本控制 高压直流输电系统是高度可控的，其运行依赖于这种可控性的正确应

46、用，以保证 系统有期望的性能。高压直流输电系统采用分层控制方式，目的在于使系统高效稳定 的运行和保持功率控制的最大灵活性，同时保证设备的安全。系统中最底层的控制就 是整流器的本地控制(极控制)。 根据上述分析和图 2.9 可得出直流输电系统简单等值电路图和电压分布图，如图 2.10(a)和(b)所示。 32 17 (a)等值电路 (b)电压分布 图 2.15 hvdc 输电联络线 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)。具体的说，改变直流电流(或功率)可以从两个方面来进行调节： (1)调节整流器的触发延迟角 或逆变器的熄弧角 (越前角声)

47、，即调节加到换 流阀控制极的触发脉冲相位。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。 (2)调节换流器的交流电势。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，是直流输电系统的辅助调节方式。出于以下几个目的，必须 保持输电系统送端和受端的功率因数尽可能的高: 1)在给定变压器和阀的电流电压额定值的条件下，使换流器的功率较高； 2)减轻阀上的压力； 3)减少与直流系统连接的交流系统的损耗； 4)在负荷增加时，使交流终端的电压降最小； 5)减少换流器损耗的无功功率。 要得到高功率因数，必须保持整流器的触发延迟角 和逆变器的熄弧角尽可能 的

48、小。为了确保触发前阀上有足够的电压，整流器有一个最小 角限制，约为 5。 32 18 还必须留一些升高整流器电压的裕度来控制直流功率潮流。 对于逆变器，必须维持一个确定的最小熄弧角以避免换相失败。确保换相完成且 有足够的裕度很重要，这样可以保证在 =180。或 =0换相电压反向之前去游离。 因为即使换相己经开始，直流电流和交流电压仍有可能改变，所以在最小了角限制的 基础上必须有足够的换相裕度，一般 15左右。 32 19 3 3 高压直流输电系统仿真建模高压直流输电系统仿真建模 3.13.1 单极大地回路直流输电系统基本结构（正极）单极大地回路直流输电系统基本结构（正极） 直流输电工程可分为两

49、端直流输电系统和多端直流输电系统两大类。两端输电系 统只有一个送端和一个受端，它与交流系统只有两个连接端口，是最简单的直流输电 系统。两端直流输电系统的构成主要由整流站、逆变站和直流输电线路三部分。对于 可进行功率反送的两端直流输电工程，其换流站既可作为整流站运行，又可作为逆变 站运行。整流站和逆变站的主接线和一次设备基本相同，但是控制和保护系统的功能 不同。送端和受端的交流系统与直流输电系统有着密切联系，为整流器和逆变器提供 换向电压，创造实现换流条件。同时送端为直流输电提供电源，提供传输功率；受端 系统相当于负荷，接收直流输电送来的功率。直流输电的保护和控制系统，则是实现 直流输电正常启动

50、与停运、正常运行、运行参数改变与自动调节、故障处理与保护等 的必要条件。因此，总的来说一个两端直流输电工程，除了换流站以及直流输电线路 外，还需要有满足运行要求的控制保护系统，另外为了提高直流输电运行的可靠性和 灵活性，还需要有接地极线以及接地极引线。本次设计对高压单极大地回路直流输电 系统正极进行建模。根据工程中的常用的主接线，其一次系统仿真建模中应该包括 rl、rc 简单元件、电源、输电线路、换流变压器和阀组、交直流滤波器等模型。正 极大地回路直流输电系统结构如图 3.1 所示。 图 3.1 单极大地回流直流输电系统的基本结构（正极） 3.23.2 建模与仿真工具建模与仿真工具 matla

51、b/simulinkmatlab/simulink 简介简介 matlab 是 math works 公司于 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学 软件，被誉为“巨人肩上的工具” 。 matlab 的含义是矩阵实验室（matrix laboratory） 。 它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友 好的用户环境。在这个环境下，对所要求求解的问题，用户只需要简单地列出数学表 达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。matlab 的推出得到了各个领域专家学者 32 20 的广泛关注，其强大的扩展功能更为各个工程领域提供了分析和设计的基础。 matl

52、ab 包括被称作工具箱（toolbox）的各类应用问题的求解工具。随着 matlab 版本的不断升 级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此应用范围也越来越广泛，成为涉及数 值分析的各类设计不可或缺的工具。 matlab 产品族由以下产品构成： matlab：matlab toolbox：matlab compiler；simulink；stateflow；real- time workshop；simulink blockset。simulink 是基于 matlab 的框图设计环境，可以用 来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数 学来描述的系统进行建模

53、，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、 船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混 杂系统等。本文利用 simulink 和 psb(power system blockset)相结合的建模方法，直接 利用 psb 中已有的电力元件搭建 hvdc 电力原型系统。强大的数学运算能力、丰富的 绘图功能和语言的高度集成是 matlab/simulink 的突出特性，不论是电力网络、电力 电子还是各种控制系统它都能利用相应的 psb 工具，在同一个框图下通过各种变步长 积分用状态变量法对交直流输电系统进行仿真；同时 simulink 图形界面为用户提供了

54、 良好的仿真环境，可实时地显示结果。这样既快捷直观，又能突出主要研究问题， 3.33.3 高压直流输电系统建模高压直流输电系统建模 3.3.13.3.1 高压直流输电一次系统建模高压直流输电一次系统建模 cigre 直流联络线研究委员会控制组 14.02 于 1991 年提出了第一个用于 hvdc 控制研究的标准模型。其主要目的是便于用各种计算机程序和仿真器在相似的主电路 模型基础上，进行不同的直流控制设备和控制策略性能的比较研究。第一个标准模型 出版以后，已发现滤波器参数必须改善，以弥补原来没有考虑周到的地方。其次，原 来的标准模型选用是电缆结构参数。因此，修改的模型中代之以双极远距离架空线

55、的 单极等值参数。 1.修改的交流滤波器结构 新的交流滤波器的每个支路如图 3.2 所示。它具有如下特性：（1）特征谐波和较 低次谐波应当被一个支路吸收；（2）每个滤波器支路应当有相同的参数，每个支路的 额定功率为 0.25p.u.（以额定直流功率为基值） 。因此，两个相等的滤波器支路并联， 以达到额定功率 0.5p.u。 32 21 图 3.2 新的交流滤波器 这些滤波器的参数列于表 4.1 中。 表 3.1 新的交流滤波器参数 整流器（345kv）逆变器（230kv） r11=83.0r11=36.9 r3=50.0r3=27.2 l11=15.1mhl11=6.71mh l3=9.69m

56、hl3=4.31mh c11=6.57fc11=14.78f c3=78.9fc3=177.5f 2.修改的输电线路结构 原来提出的电缆结构的电容大，于线路电感和平波电抗器连接后，将出现接近于 基频的串联谐振。这种影响与交流侧二次谐波并联谐振一齐作用，使直流控制比较困 难。因此，重新选择了双极 500kv 直流线路结构的 850mile（1mile=1.609344km）单 极等值，它产生与原来结构相似的谐振点。其参数如下： r=0.04496/mile，l=3.5989mh/mile，c=0.01610uf/mile 长度 =850mile，ls=597mh(整流器)，ls=597mh（逆变

57、器） 3.修改的标准模型结构 修改的标准模型加入了修正的交流滤波器和新的远距离直流输电线路，如图 3.3 所示。 图 3.3 新的标准模型 3.3.23.3.2 高压直流输电控制系统建模高压直流输电控制系统建模 32 22 国际大电网会议(cigre)直流输电标准测试系统（cigre hvdc benchmark model） 是用于直流输电（hvdc）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，但运行条件比较困难。由图 3.5 可以看出，直流输电控制系统的控 制输入量除了从主控制层传递下来的

58、以下对总体框图中的各个控制环节分别进行分析。 图 3.4 cigre 直流输电标准测试系统控制器总体框图 cigre 直流输电标准测试系统的控制器详细框图，综合以上各控制环节，可以得 到 cigre 直流输电标准测试系统的控制器详细框图，如图 3.5 所示。 图 3.5 cigre 直流输电标准测试系统的控制器详细框图 为减少冗余，将系统相关模块进行封装，最后系统模型如下图所示： 32 23 图 3.6 高压直流输电线路系统模型 32 24 4 4 高压直流输电系统仿真结果分析高压直流输电系统仿真结果分析 4.14.1 高压直流输电系统的起停和阶跃相应仿真高压直流输电系统的起停和阶跃相应仿真

59、直流电压标幺值基值取为 500kv，直流电流基准值取 2ka，仿真过程中的直流电压 电流均用标幺值表示。 仿真时，首先使系统进入稳态，之后对参考电流和参考电压进 行一系列动作，见表 4.1. 表 4.1 系统控制参数随时间变化表 序号时刻/s动作 10 电压参考值为 1p.u 20.02 变换器导通，电流增大到最小稳态电流参考值 30.4 电流按指定的斜率增多到设定值 40.7 参考电流下降 0.2p.u 50.8 参考电流恢复到设定值 61.0 参考电压由 1p.u 跌落到 0.9p.u 71.1 参考电压恢复到 1p.u 81.4 变换器关断 91.6 强迫设置触发延迟角到指定值 101.

60、7 关断变换器 设置好各子系统的参数后，即可开始仿真。打开整流器和逆变器示波器，得到电 压和电流波形如图 4.1 所示。如图 4.1(a)所示为整流侧得到的相关波形，从上到下依 次为以标幺值表示的直流侧线路电压、标幺值表示的直流侧线路电流和实际参考电流、 以角度表示的第一个触发延迟角、整流器控制状态。如图 4.1（b）所示为逆变侧得到 的相关波形，从上到下依次以标幺值表示的直流侧线路电压和直流侧参考电压、标幺 值表示的直流侧线路电流和实际参考电流。以角度表示的第一个触发延迟角、逆变器 控制状态、熄弧角参考值和最小熄弧角。 32 25 (a)整流侧得到的相关波形 32 26 (b)逆变侧得到的相