高压直流输电课程设计报告

1、1 摘要hvdc-vsc 系统是一种基于电压型自换相换流器即电压源换流器(vsc)和由 pwm控制的串联绝缘栅双极晶体管 igbt) 或门极可关断晶闸管 (gto)的新型直流输电技术。由于是一种新的技术， 与其相关的许多技术问题还没有解决或解决的不够好，特别是换流器拓扑结构和控制策略等方面。本文首先对高压直流输电技术的发展应用进行了综述，研究了适用于hvdc-vsc 的电压源换流器的基本特点。其次，分析了电压源换流器的基本原理，对两电平换流器的拓扑结构进行的了详细的分析， 并且由两电平换流器基本结构出发，给出了基于两电平换流器多脉波换流器的组成结构。 然后分析了多电平换流器的拓扑结构，主要包括

2、二极管钳位式多电平换流器、 飞跨电容式多电平换流器及级联式多电平换流器。并且详细讨论了三相三电平换流器的拓扑结构再次，对目前应用较为广泛的两电平换流器的正弦spwm 调制策略原理进行了详细的分析， 建立了基于开关桥臂函数的两电平换流器数学模型。在此基础上， 建立了三电平换流器的正弦spwm 控制策略并且建立了三电平换流器的数学模型介绍了换流器空间矢量调制策略的基本方法。详细分析了电压合成矢量的空闻调制算法，通过矢量在坐标轴上投影的内在联系，实现了开关矢量快速识别通过与 spwm 算法的比较，证明了空间矢量调制算法的快速性与高效性。最后采用matlabsimulink 对各种控制方法进行了仿真，

3、验证了控制算法的正确性，并且建立了基于vsc 的直流输电系统的稳态模型，给出了定直流电压和定直流电流控制端控制量与被控制量之间的关系并且进行了 hvdc-vsc的系统仿真，获得了较理想的输出波形hvdc vsc 的基本原理轻型直流输电技术 (基于电压源换流器的输电技术)，其核心是采用适用于高压大容量输变电的全控型电力电子期间如gto、igbt、igct 等及脉宽调制(pwm)技术的直流输电。目前在 hvdc 一 vsc 中应用较多的是可关断器件igbt，相对于 gto 与 igct，其通断容量小，开关频率高，通断损耗较小，且驱动电路简单。驱动损耗小，使得其在中小容量的hvdc 输电应用场合得到

4、越来越广泛的应用hvdc 系统构成如图所示。换流站的主要设备有换流桥、直流电容器，换流电抗器，交流侧高通滤波器及换流器的控制保护设备等。换流阀由lgbt 元件串联组成， 每个元件反并联一二极管， 起到保护及续流的作用。 直流电容器为换流器提供电压支持， 减少直流测谐波并为控制潮流储存能量。换流电抗器可以阻断以开关频率为基础的谐波电流 高通滤波器可以减少交流母线电压上的谐波成份。142电压源换流器概述电压源换流器 (vsc)可以是整流器， 也可以是逆变器。 主要由换流桥， 换相电容，换流变压器等设备组成 在有些场合， 可以不设换流变压器， 用换流电抗器取代亦可换流桥的桥阀由几十乃至数百个有自关断

5、能力的绝缘栅双极晶体管(igbt 或门关断晶体管 (gto)等全控型器件串联组成，以达到所需要的功率额定值，这些器件开关速度快 频率高，且可以工作在无源逆变方式：每个阀都有反2 向并联连接的二极管， 其是负载向直流侧反馈能量的通道并使负载电流连续。换相电容的作用是为换流器提供电压支持、缓冲桥臂关断时的冲击电流和减少直流侧谐波并储备能量以控制潮流。 由于 hvdc-vsc 的优越性，从 1997 年 3 月 abb公司首次测试成功的安装在瑞典hellsjon的 hvdc-vsc 直流工程至今，已有多条 hvdc-vsc 工程投入商业运行目前，大多数已经投运的hvdcvsc 工程采用的换流桥均为两

6、电平变换器的结构。其研究重点也在基于两电平vsc 的 hvdc-vsc 系统的控制理论和方法 。因 此如 何改 进现 有两 电平换 流器 拓扑 结构 及 其相 应 控 制 策略 来 提 升hvdc-vsc 的传输容量是 hvdc-vsc 技术研究函需解决的一个重要问题。近年来。在高压大功率场合，新型的电力电子变换器一多电平变换器受到了越来越多的关注。所谓多电平变换器的桥臂上有4 个或更多个电力电子器件，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合实现多电平阶梯波输出电压， 可以使波形更加接近正弦波。在过去的两电平变换器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串并联方式， 这就要求开关期间的开关特性

7、要完全一致。并且需要将多个低压小容量的变换器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，或是在两个交流侧分别采用变压器进行升压降压这都需要变压器的支持， 且可能出现中间环节电流过大，系统效率下降等诸多缺点。 因此，人们希望能够通过改进变换器的结构来克服这些缺点。随着以gto、igbt 为代表的第三代电力电子器件的发展，为多电平变换器的研究和应用提供了必要的物质基础一般来说， 多电平换流器电平数越多，所得到的电平阶梯波越多，从而越接近正弦波，从而抑制谐波分量。但是在实际运用过程中， 由于设备的复杂性和控制复杂性的制约，如果能够达到性能指标，并不采用多电平的拓扑结构。 多电平结构中研究最多的是三电平变

8、换器，且已在许多工程中得以应用。目前，电压源换流器的控制主要有消谐波pwm 法(shpwm)、开关频率最优 spwm 法(sf0一 spwm)、正弦脉宽调制 (spwm)、空间矢量调制 (svpwm)等。在轻型高压直流输电系统中， 运用晟多的是正弦脉宽调制， spwm 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需波形，并通过低通滤波器从高频脉冲调制电平中得到期望的基波电压。使用pwm 技术，可以瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功功率与无功功率的独立调节。svpwm 是从工业驱动中交流电机调速中磁通止弦(或磁

9、通轨迹为圆)的思想发展出来的一种数字化技术，它通过 park 坐标变换（或称为空间矢量变换)，把三相电压合成一个空间矢量加以处理。相对于spwm 控制方法， svpwm 总谐波畸变少，波形质量高，电压利用率高，控制响应速度快且中点电压易于控制。基于这些特点，svpwm在电力电子装置中得到了广泛的应用。仿真软件 matlabsimulink 介绍matlab 是一种科学计算软件，是以矩阵为基础的交互式程序计算语言。由于它使用方便、 输入便捷、 运算高效、适应科技人员的思维方式，并且具有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎。simuiink 是基于框图的仿真平台， simulin

10、k 挂接在 matlab 环境里，以 matlab的强大计算功能为基础。以直观的模块图框进行仿真和计算。silnulink 提供了各3 种仿真工具， 尤其是它不断扩展的、 内容丰富的模块库， 为系统的仿真提供了极大的便利。在simulink 平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真 在 simulink 平台上，仿真模型的可读性很强， 这就避免了在 matlab窗口中使用 matlab 命令和函数仿真时需要记忆大量m 函数的麻烦simulink 原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、 易拓展，并且可以解决matlab 不易解决的非线性，变系数等问

11、题。它能支持连续系统和离散系统的仿真， 并且支持多种采样频率系统的仿真，从而实现较大， 较复杂系统的仿真。采用 simulink 环境中的电力系统模块库（power system blockset ）的模块，可以方便地进行rlc 电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。psb库提供了电力系统仿真通用的元件和装置，包括如下电力系统元件： 集中参数电阻 r、电感 k 电容 c； 单相和三相的电压源、电流源、受控源； 单相和三相的变压器 (包括双绕组和三绕组 )； 多相分布参数线路模型和电缆模型； 单相和二相逻辑控制断路器， 用于模拟网络连接的改变及各种类型的短路故障； 电机集包括简化的和

12、详细的同步电机，异步电机、 励磁机、永磁同步电机和涡轮机等， 不但可以摸拟三相同步电动机、二相感应电动机、 而且可以模拟汽轮机和水轮机的调速器及交流励磁器的动态特性； 继电器模型，模拟继电保护特性； 灵活交流输电 (facts)模型库， 包括统一整流桥和逆变桥及避雷器模型库，可以模拟 facts 元件(如 svc)特性； 测量元件库、包括单相电压表、电流表、瞬时有功功率，无功功率、频率表、相位表、快速傅里叶变换（fft） ，总体谐波扭矩 (thd)，单相，二相电压电流的有名值等； 变换元件库，包括 abc-dq0、和 dqoabc变换； 控制元件库，包括离散的比例积分控制器(pi)，离散的比例

13、积分微分控制器(pid)一阶、二阶滤波器以及一相/三相锁相环等； 逻辑元件库，包括常用的逻辑控制单元： 三相的 rlc 支路和负载等； 电力电子集包括通用的半导体元件如二极管、晶闸管、gto、igbt、统一三相桥等，每个元件 (除二极管外 )均有 simulink 门极控制输入端和siiilulink输出端，可显示开关的电压和电流值，可以进行电力电子仿真、facts 的特性的研究； 利用 simulink 二次开发功能，用户可方便地编辑出更复杂的元件模型和集成参数对话框。每 一 个 模 块 有 一 个simulink输 出 来 显 示 内 部 变 最 状 态 值 。 在matlab/simul

14、ink 中通过点击和拖拽可用psb 库内的模型来建立电力系统仿真原理图，并利用模型元件的对话框来改置相关参数。使用 simulink 提供的测量环节和示波器模型， 可显示观测点处的仿真结果和模型。每次仿真开始时都要执行初始化过程。来计算电路状态参数、检验电路是否符合电气规则。psb图形界面利用对话框来设置电容电压和电感电流初始条件，这样可从初始条件仿真或从稳4 定状态下仿真同样可显示所有模块状态参数值。5 6 6 脉波7 8 9 整流侧传统 pi 控制器的设计传统 pi 控制 器 的仿 真 图如 图 4-4 所示 ，其中 输入e为电 流偏 差ri（ddrefii） ；为触发角调整值。图 4-4

15、 传统 pi 控制器的仿真图fig.4-4 the simulation diagram of pi controller 工程上采用的 pi 控制器通常设置成固定的增益结构，即固定比例系数pk、积分系数ik为常数。所以它的设计过程实际上就是设置和调整控制器的参数，使控制系统的过渡达到满意的品质。国内外对于pi 参数整定研究提出了多种参数整定的方法，如临界比例度法；参数优化法；基于模式识别专用系统法以及基于自身控制行为的控制器参数在线整定方法。本论文主要采用临界比例度法。临界比例度法是由齐格勒 （ziegler）和尼科尔斯 （nichols）提出的一种 pid10 参数工程整定方法。这种方法是

16、基于闭环响应的方法，在闭合的控制系统中，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度，用k表示，相邻的两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期，用kt表示，通过计算即可求出控制器的整定参数。这种方法基于频率响应的分析。其步骤如下：1、将调节器的积分时间it置于最大（it） ，微分时间dt置零，比例度适当，将系统投入运行。2、将比例度逐渐减小， 得到等幅振荡过程， 记下临界比例度k和临界振荡周期kt值。3、根据k、kt值，采用下表的经验公式，计算出调节器各个参数，即、it、dt的值。表 4-1 临界比例度法参数整定经验公式tab.4-1experiential formula of critical