基于MATLAB的高压直流输电系统的仿真

1、 山东农业大学. . 装订线. . . 毕 业 论 文基于MATLAB的高压直流输电系统的仿真 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化4班 届 次 2015届 学生姓名 尹晓钢 学 号 20116005 指导教师 刘双喜 二一五年六月六日目 录摘要IAbstractII1 引言1 1.1 高压直流输电的发展概况以及特点11.2 仿真的定义和分类1 1.3 选题背景2 1.4 论文的主要内容32 直流输电系统的基本原理3 2.1 直流输电系统的基本组成3 2.2 换流器的工作原理42.2.1 换流器电路的理论分析4 2.2.2 忽略电源电感的电路分析(即Lc=0)5 2.2.3

2、 包括电源电感的电路分析(即Lc0)9 2.3 整流和逆变工作方式分析13 2.3.1 整流的工作方式13 2.3.2 逆变的工作方式13 2.4 总结163 MATLAB仿真16 3.1 MATLAB 简介16 3.2 关于换流器的MATLAB仿真建模17 3.2.1 单相半波可控整流电路18 3.2.2 单相桥式全控整流电路20 3.2.3 基于PWM技术逆变器及其仿真23 3.3 高压直流输电系统的建模仿真25 3.4 高压直流输电系统模型的仿真结果及分析28 3.4.1 稳态仿真与阶跃响应28 3.4.2 直流线路故障时仿真分析29 3.4.3 逆变侧接地故障仿真分析31 3.5 总结

3、32参考文献34致 谢35ContentsAbstractII1 Introduction11.1 The development of HVDC and its characteristics1 1.2 Definition and classification of simulation1 1.3 Background2 1.4 Main contents of the paper32 Basic principle of HVDC transmission system3 2.1 Basic components of DC transmission system3 2.2 Conver

4、ter operating principle42.2.1 Theoretical analysis of converter circuit4 2.2.2 Neglect of the power supply inductance of the circuit analysis(i.e.Lc=0)5 2.2.3 Analysis of including the power circuit inductance (Lc = 0)9 2.3 Analysis of rectification and inverter mode13 2.3.1 Rectifying mode13 2.3.2

5、Inverter mode13 2.4 Summary163 MATLAB Simulation16 3.1 MATLAB16 3.2 Simulation of converter MATLAB17 3.2.1 Single-phase half wave controlled rectifier circuit18 3.2.2 Single phase bridge full controlled rectifier circuit20 3.2.3 Based PWM inverter and its simulation23 3.3 Modeling and Simulation of

6、HVDC system25 3.4 Simulation results and analysis of HVDC power transmission system model28 3.4.1 Steady state simulation and step response28 3.4.2 Simulation analysis of DC line fault29 3.4.3 Simulation and analysis of inverter side ground fault31 3.5 Summary32References34Acknowledgement35基于MATLAB的

7、高压直流输电系统的仿真尹晓钢（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：高压直流输电（HVDC）是具有传输过程中电能损耗量相对较少、电力线路造价成本低、传输稳定性好等优势的利用长距离线路进行大容量输电的一种输电技术。这种输电技术一般被应用在海底电缆输电以及长距离的大容量输电等领域。本篇论文对HVDC（高压直流输电）系统的概况以及基本结构做了比较系统的论述，并且利用MATLAB仿真软件中的Simulink模块库对HVDC系统进行了建模和系统仿真分析。利用仿真所得到的实验结果我们能够比较准确地观察HVDC系统的动态变化特性。关键词：HVDC系统, MATLAB仿真, Simuli

8、nk模块库 IThe simulation of HVDC transmission system based on MATLAB Xiaogang Yin (Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract High voltage direct current (HVDC) transmission with transmission power loss is relatively small, low power

9、 line cost, transmission stability good use long distance line transmission capacity of a transmission technology. The general transmission technology is applied in submarine cable transmission and long distance large capacity transmission etc. This paper overview of HVDC system and the basic struct

10、ure of do the systematic exposition, and the use of MATLAB simulation software Simulink module library system modeling and Simulation of a HVDC system is analyzed. The dynamic characteristics of the experimental results obtained by simulation we can accurately observe the HVDC system.Keywords:HVDC s

11、ystem; MATLAB simulation; Simulink module libraryII1 引言1.1 高压直流输电的发展概况以及特点 电能是我们在日常生产生活之中必不可少的能源之一。在最开始的阶段我们使用的输电方式是直流输电，但随着时间的推移直流输电已经不能够满足人们对供电的需求，因此出现了交流输电。但是到了如今的世界，交流输电又暴露出了许多缺陷，于是直流输电又重新进入了人们的视野。 直流输电技术在发展过程中也面临着许多挑战。在直流输电的过程之中需要设置换流站，但换流站与交流输电过程中设置的变电所相比要更加的复杂，价格也更高。直流输电的过程之中需要安装无功补偿装置以此来补偿换流

12、装置在换流过程中所需要的部分无功功率；其次还要安装滤波器，因为换流装置工作时会产生谐波。当大地和海水等特殊的介质被用来作为直流输电过程中的回路的时候，将会对由金属介质构成的部件造成不同程度的腐蚀，我们需要采取一些必要的保护措施来减少这种状况。 当前，电力电子技术正处于快速发展阶段，大功率可控硅材料的价格降低、稳定性提高，直流输电技术不断改善，电力系统之中肯定会更多的用到直流输电技术。直流输电技术的进步与众多科学技术的发展是紧密相关的，目前出现了一些新式的发电技术-太阳能电池发电、燃料电池发电、磁流体发电等，这些发电方式产生的电能都是直流电，因此要通过直流输电的方式进行传输，然后通过逆变器逆变后

13、进入交流系统。在今后的输电过程中一定是直流、交流混合的方式。 直流输电技术相对于交流输电技术而言具有以下几点优点：直流输电的过程之中电能的损耗量相对较小；直流输电对通信系统的干扰较小；在输送相同大小的功率的情况下，直流输电线路相比于其他类型的输电线路而言造价成本比较低，输电线路结构也相对更为简单；当系统达到稳定状态时，输电线路之中不会出现电容电流、电抗电压，在输电过程中也不必进行无功补偿；对于两端的交流系统而言他们不必同步运行，直流输电能够使不同频率的交流系统实现非同步互联；交流输电过程中自身存在稳定性的问题，这在直流输电过程中是不存在的，而且电力系统同步运行的稳定性对输送的距离和功率不会造成

14、影响；在直流输电过程中线路功率和线路电流的控制与调节相对容易。 直流输电技术的主要应用领域：长距离大容量的输电系统；相同频率或者不同频率的非周期运行的交流系统间的相互连接；利用电缆线路的海底输电；新能源输电领域；利用电缆给大城市输送电能的情况；在交流系统互联等情况下对短路电流进行限制1。1.2 仿真的定义和分类 仿真技术是目前科学领域进行研究的重要手段之一，仿真在我们的日常生活中随处可见。“仿真是指以相似性原理、控制论、信息技术以及有关领域的相关知识作为基础，以计算机和各种专用的物理设备作为工具，利用系统模型对真实系统进行实验研究的一门综合性技术。仿真的主要用途：优化系统设计，验证系统设计的正

15、确，系统故障再现发现故障原因，对系统或其子系统进行性能评价和分析。仿真的基本步骤：建立系统的数学模型，建立仿真模型，编制仿真程序，调试程序验证模型实验结果分析并确定实验方案。仿真的分类方式有多种，按照实现方式的不同可以分为三种：物理仿真，它是指当在研究一些实体模型的时候，能够使原系统的各种状态得以重现。数学仿真，它是通过数学的语言去描述一个系统，并在计算机上编制相应的程序对真实系统进行探究的过程。混合仿真（数学物理仿真），它相对于前两种仿真有更高的仿真可信度，对于模型难以建立的实体，在研究过程中可以将实体和数学、物理模型结合在一起组成比较复杂的仿真系统，这种在仿真过程中存在实体的仿真就是数学物

16、理仿真。按照仿真时钟与系统实际时钟的关系又可以分为实时仿真、欠实时仿真、超实时仿真。 随着仿真技术的不断发展，仿真技术的应用更加多样化、全面化。现今仿真技术的主要应用领域：军事领域，如武器装备研制、军事训练、先进概念与军事需求分析等；工业领域，由于工业系统的复杂性、大型化，处于安全性、经济性考虑，仿真技术被广泛的应用在工业领域的各个部门；其他领域，如医学仿真2。”1.3 选题背景 1954年在瑞典由阿西亚公司(ASEA, 今ABB集团)建成了第一条属于商业化性质的高压直流输电线路，这条输电线路连接着哥特兰岛和瑞典国家本土，是一条具有重大意义的线路。高压直流输电技术的发展在我国起步较晚。舟山直流

17、输电工程，该工程是我国在1989年建成的一项输电工程，它是凭借我国自身的科技与智慧建造的，它是我国能够自主建造大型高压直流输电工程的象征。舟山直流输电工程于1984年进行动工，1987年进入试运行阶段，直到1989年它才正式的投入了运行，它的输电线路全长达到54Km，具体规模为1100 KV, 500 A, 100 MW。 嗓泅直流输电工程（从上海到嗓泅岛的直流输电工程）是我国于2002年建设完成的，它是一项双极海底电缆直流工程，在整个设计、制造、建设过程中我国都投入了大量的人力物力，该工程位于海底部分的电缆长度为59.7Km，输电线路全长达66.2Km，具体规模为双极500 KV,60 MW

18、,600 A。我国在1989年从外国引进了第一个高压直流输电工程-葛南高压直流输电系统（它的起点为葛洲坝终点为上海南桥），该工程在1989年进入单极运行状态1990年双极投入运行。我国的高压直流输电技术在21世纪进入了快速发展阶段，依次建成了从天生桥到广州 、从贵州到广东从、从三峡到广东和三峡到常州的多项高压直流输电工程。 在当下中国电力网络规模越来越大，电力系统不断完善，因此对仿真技术的要求也相应不断提高。仿真过程面对的是整个大的电力系统而不是简单的几个重要元件，所以仿真技术必须拥有直接仿真模拟大规模电力网络的能力。在我国下一阶段的发展过程中，高压直流输电技术将会成为我国在输电技术领域的龙头

19、，所以必须确保其在输电过程中的稳定性，利用仿真技术对高压直流输电过程进行仿真研究将是我们实现安全稳定输电的重要工具。实时电力系统仿真是目前电力系统研究、规划、设计、调试及运行服务不可缺少的工具之一。1.4 论文的主要内容 本篇论文主要讲述了关于高压直流输电系统的基本结构和建模仿真的过程，主要是通过MATLAB仿真工具对系统进行分析并进行建模仿真得出相应的波形。首先对高压直流输电系统在当下的发展概况进行了比较简略的介绍与分析，让我们对HVDC系统有一个初步的认识便于我们更好的理解系统稳定的重要性。在论文中介绍了仿真的概念以及意义，仿真是现代科技中非常重要的一种工具，它可以避免我们进行危险性较大或

20、难以实现的实体试验而是通过计算机软件进行相应的仿真分析，大大减小了实验成本与复杂度。第二部分介绍了HVDC系统的基本组成，对各个组成部件进行了简单的介绍，其中换流站作为输电系统的重要组成部分，它是系统能够稳定工作的关键所在，这里对换流站的工作原理进行了详细的分析3。第三部分主要是建模仿真过程。首先对MATLAB软件进行了简要的介绍，它作为数学三大软件之一功能非常强大，如果我们能够掌握它的使用将会对我们以后的工作学习生活有很大的帮助。我们利用MATLAB软件自带的Simulink仿真模块库对整流电路和逆变电路进行了相应的仿真，这是难度比较小的仿真过程，但也值得我们注意。接下来我们对HVDC系统的

21、基本组成进行了分析然后建立了相应的系统模型，并对不同工作情况下的仿真结果进行了分析，让我们对HVDC系统有了更深的认识。2 直流输电系统的基本原理2.1 直流输电系统的基本组成“简单的两端HVDC(高压直流输电）系统由两端的交流系统、中间部分的直流输电线路和换流站构成，交流系统1发出交流电，交流电通过整流站的整流作用之后被转化成了直流电而后在直流输电线路之中进行传输，而后直流电通过逆变站的逆变作用又被转化成了交流电然后传送给交流系统2，这就是直流输电系统在正常工作情况下的基本运行原理。在上述过程中可以通过对换流站中的换流器的控制来对直流输电过程中直流输电线路两端的直流电压和其中的直流电流进行快

22、速的调节。通常来说，直流电压是通过逆变站来控制的，直流电流（或功率）是通过整流站来控制的，这样便实现了输送功率的可控调节4。”直流输电系统例图如图2-1图2-1 高压直流输电系统 HVDC（高压直流输电）系统的主要构成包括以下部分：整流站、逆变站、直流输电线路、交直流两侧的电力滤波器、换流变压器、平波电抗器、无功功率补偿设备以及一些起保护和控制作用的装置等。 整流站的主要作用为在HVDC（高压直流输电）系统之中将交流侧传送过来的交流电转化成直流电，它对于保证电力系统运行的安全可靠及电能质量也有重要意义。逆变站与整流站主要区别在于它是将直流输电线路中的直流电转化为交流电供给交流系统。逆变站和整流

23、站都属于换流站之一。 换流变压器(Converter Transformer) 在通常的情况下是处于交流系统与换流桥之间的位置，它能够将交流母线与换流桥两者连接在一起。换流变压器是换流单元的重要组成部分，它和换流桥共同组成了换流单元的主体。 直流输电线路在HVDC（高压直流输电）系统中的主要功能是稳定的传送直流电作为电能传送的通道，它主要处于整流站与逆变站之间的位置，线路一般较长。直流输电线的分类：架空输电线路，电缆，架空-电缆混合输电线路。 平波电抗器一般安装在整流后的直流输电线路中，它的主要功能是减小在整流过程之后所得到的直流电的电压、电流的波动幅度，以尽可能得到理想的直流电。 “无功功率

24、补偿装置相当于一个无功电源，为直流输电线路提供其所需要的无功功率。在电力系统之中主要有无功动态式补偿装置与无功静止式补偿装置两种无功补偿设备。无功静止式补偿装置主要包括并联电容器和并联电抗器，无功动态式补偿装置主要是指调相机（同步补偿机)和SVS5（静止型无功动态补偿装置）。” 电力滤波器主要分为无源滤波器和有源滤波器两种不同类型的滤波器。“无源电力滤波器现在被广泛的应用，它是一种非常重要的用来抑制谐波手段，它可以按照人们的意愿来抑制具体次数的谐波，它与电容电感的原理类似。无源滤波设备的成本一般较低，结构简单，但也存在一些缺陷。有源电力滤波器是一种新型的电力电子设备之一，它可以起到动态抑制谐波

25、和补偿无功功率（对大小频率都变化的谐波进行抑制及变化的无功进行补偿）的作用。有源电力滤波器正如它的名称，在它工作过程中需要电源，它克服了某些滤波器的缺点，实现了动态补偿6。”2.2 换流器的工作原理2.2.1 换流器电路的理论分析 高压直流换流器(包括整流和逆变)的结构有很多种（单相全波结构、单相桥式结构、三相半波结构、三相全波结构），但在目前情况下我们常用的是三相全波结构，即6脉动换流器。其结构图如图2-2所示图2-2 三相桥式全波直流换流器原理结构 在上图中Ua为A相交流电压，Ub为B相交流电压，Uc为C相交流电压，Ua、Ub和Uc相位依次相差120。如果令Ua=Emsin(+150)，那

26、么Ub=Emsin(+30),Uc=Em sin(-90)。VT1,VT3,VT5为共阴极阀；VT2,VT4,VT6为共阳极阀。2.2.2 忽略电源电感的电路分析(即Lc=0) 为了方便我们在接下来的过程之中进行分析，在这里我们先假设每相电路之中的电感是不存在，即Lc=0。（一） 无触发延迟（触发角） 在没有触发延迟的情况之下，晶闸管一旦承受正向的阳极电压，触发脉冲不会延迟而是立刻作用在门极上。 下面我们通过观察图2-3来进行分析图2-3 A,B,C三相电压 VT1、VT3和VT5为共阴极阀，所以和三相线路之中电压最高的那一相线路相连接的晶闸管会处于导通状态，而其余的两个晶闸管处于关断状态。V

27、T4、VT6和VT2为共阳极阀，所以和三相线路之中电压最低的那一相线路相连接的晶闸管处于导通状态，而其余的两个晶闸管处于关断状态。得到结论：我们只需通过分析三相电压之间的关系从而可以方便的判断出哪两个晶闸管处于导通状态。例如在时刻，三相电压中A相的电压是最高的，B相的电压是最低的，因此共阴极阀VT1、VT3和VT5中的V1阀处于导通状态，共阳极阀VT2、VT4和VT6阀中的VT6阀处于导通状态。 根据上面得到的晶闸管导通规律可知，每个晶闸管在一个周期之内的导通时间段是120，而且晶闸管VT1VT6是按照顺序依次导通的，相互之间相隔的时间是60。（举例，如VT1在-1200的时间段之内处于导通状

28、态，VT2在-6060的时间段之内处于导通状态，每个晶闸管导通的时间段都是120。VT1导通的起始时刻为-120，VT2导通的起始时刻为-60，VT1和VT2的导通时刻正好相差了60）。关于6脉动换流器输出的直流电压Ud的波形从图2-2我们可以看出Ud与m点和n点的电位有关，Ud=Um-Un。在一个周期内对直流输出电压Ud进行分析：时刻：时刻：时刻：时刻：时刻：时刻： 以时刻为例，此时可以进行如下的推导：=Emsin(+150)-Emsin(+30) = 2Emcos(+90)sin60 = Em cos(+90) （-120,-60） (2-1) = Em cos （-30,30） 再以时刻

29、为例， = Em sin(+150)- Em sin(-90) = Em2cos(+30) sin120 = Em cos(+30) （-60,0） (2-2) = Em cos （-30,30） 通过计算上式在整个周期内都成立则Ud的波形图如下：图2-4 Ud的波形图 直流电压和线电压60时段内的具体情况有关，从而能够得出平均直流电压： (2-3) 我们可以通过相电压有效值或线电压有效值来进行表示（相电压一般是指单相电压即火线对零线之间的电压，常用220V。线电压一般是指三根相线之中任意两者之间的电压，常用380V。），交流电压的峰值为相电压有效值的倍，则（为相电压有效值，为线电压有效值）

30、(2-4) 我们经过对Ud（输出平均直流电压）的推导从而能够比较容易的得出晶闸管所承受的电压的具体波形。晶闸管处于导通状态时，它两端的电压我们可以认为是等于零的；当晶闸管处于关断状态的时候，共阳极组和共阴极组的晶闸管必定各有一个是处于导通状态的。它们的两端电压中有一端的电压为导通的晶闸管所在相的相电压，另一端的电压是它本身所在的相线的相电压，晶闸管两端的电压和平均直流电压是相同的，我们便能够推断出晶闸管所承受是电压波形如下：图2-5 阀VT1所承受的电压波形图（电阻负载，） 从图2-5可以看出当晶闸管VT1导通时所承受电压为0，当VT1关断时所承受电压与之前推导的Ud波形类似。如果我们将每个晶

31、闸管所承受的电压的波形都画出来，输出直流电压Ud就是最上面由虚线画出来的部分。晶闸管所承受的电压峰值V=Em。 (2-5)（二） 有触发延迟（触发角） 当存在触发延迟的时候，虽然晶闸管承受正向阳极电压但是它也不能够马上导通，而是延迟一段时间之后晶闸管门极才会接到触发脉冲。在应用过程中我们用字母来表示“延迟触发角度”。 以VT1，VT3阀为例，在正常情况下（)，VT1于=-120时刻进行触发，VT3于=0时刻进行触发。如果有了触发延迟角度时，那么VT1将会在=-120+时刻进行触发，而VT3将会在=0+时刻进行触发。与无触发延迟时相比，存在触发延迟角的情况下每个晶闸管阀的导通时刻都延迟了角度。

32、图2-2中的点C、C0至C8都属于自然换相点（过零点），在无触发延迟时，每一个晶闸管都是在自然换相点开始换相的。下面进行具体分析，在点C1处，此时晶闸管VT1处于导通状态，这时m点电位是；当时，晶闸管VT3的阳极电压为，然而在这时因为晶闸管VT1仍处于导通的状态所以晶闸管VT3的阴极电压是。从图2-2我们可以看出此时。由于存在触发延迟的作用，触发脉冲并没有发送到晶闸管VT3的门极，所以晶闸管VT3并不符合导通的条件仍然处于截止状态。当C1+时，触发脉冲被发送到晶闸管VT3的门极，如果的条件，晶闸管VT3可以导通m点点位变为；如果180，即使触发脉冲发送到晶闸管VT3的门极，但由于，VT3也不会

33、导通。我们可以知道应该在0到180之间的范围内变化。根据上述分析，可得出输出直流电压Ud： 以C1时刻的分界点为例：当时，Ud=Em cos(wt+30)。当时，Ud= Em cos(wt-30)。 我们可得知，原来的时间段被分为了两部分，因此Ud(直流输电电压)的波形会与无触发延迟时的波形图有着一些不同之处。当延迟触发角度为时，Ud（输出的平均直流电压）为(根据，+ 区间的时段来进行分析)： (2-6) 之前没有触发延迟时,由此可见，当晶闸管延迟的触发角度为时，输出的平均直流电压Ud会减小为之前的倍。 延迟触发角度的取值区间为0,180，所以的变化范围为-1到1，于是Ud的值在到 的范围之内

34、。当90时的取值为负值，于是Ud表示的是直流到交流，这是和整流状态恰好相反的逆变状态。当正好等于90时，Ud此时等于0，这种状态叫做零功率状态。由此可见，当等于90时的状态是整流和逆变的临界状态。当等于180时，刚好是和等于0的状态相反，输出的直流电压波形和等于0时的输出波形正好相反，这时的工作状态为正弦波负半轴的6脉动逆变器。 每一个晶闸管阀在导通的时候流过的电流为Id在截止的之后流过的电流为零.每个阀还是导通120，然而只是波形的相位发生了变化即移动了角度，其它的参数都没有发生变化。2.2.3 包括电源电感的电路分析(即Lc0)（一） 换相过程 （1）因为Lc（交流电源电感）的存在，所以每

35、相线路中的电流不可能发生瞬时的变换，电流的变换需要一个过程，换相过程需要一定量的时间，于是我们就把这个时间称之为换相时间（或叠弧时间），把这个时间段相对应的角度我们称之为换相角（或叠弧角），为了方便使用在一般情况下我们用字母来表示换相角。 （2）当（0，60）时，在换相的过程之中仅有三个晶闸管能够在同一时刻处于导通的状态，在相邻的两次换相过程之中仅有两个晶闸管能够在同一时刻处于导通的状态。 （3）当（60，120）时，在换相的过程之中将会会出现三个晶闸管和四个晶闸管同是导通的状况，这是一种非正常的工作状态。因为，如果有四个晶闸管在同一时刻处于导通的状态，必定将会出现位于同一相的两个晶闸管在同一

36、时刻处于导通状态的状况，这时将会发生短路状况。因此，在正常运行情况下必须能够满足换相角的变化范围为060。在一般情况下角度的变化范围为从15到25，在下面分析的各种电路也都满足在060的区间之内变化。（二） 电路的分析 (1)电流分析 以晶闸管VT1到晶闸管VT3的换相过程为例来进行分析，当考虑存在（换相延迟角度）时，换相将会在等于的时刻开始进行，在等于（+）的时刻换相过程结束，VT1换相到VT3。角度=+被我们称之为熄弧角。此换相过程的中VT1和VT3的电路图如图2-6图2-6 换相过程的中VT1和VT3的电路图 (2-7) 而： 根据相关的推导，可以得出 (2-8)而： 当=+时，即： (

37、2-9) (2-10)从而得出换相角 ，从上述的公式之中我们能够知道换相角的大小与延迟触发角、电源电感Lc、直流输出电流Id和有关。 (2)电压分析在换相的过程之中，将会出现三个晶闸管在同一时刻处于导通的状态，我们以晶闸管VT1和VT3作为例子来分析由于电源电感的存在产生的叠弧现象对线路电压可能造成的影响。在换相的过程之中，晶闸管VT1和VT3是在同一时刻导通的，我们把m点此时的电压记为Um。 (2-11)而， 所以， 从而可以得出： (2-12)上式说明在延迟触发角度之后到角度=（+）的时间范围内，m点的电压将不是之前的，会变化为因为交流电三相电压之间特殊的相位关系会有ea+eb+ec=0）

38、。依次类推，可以画出m点和n点的电压波形图，如下所示：图2-7 m点和n点的电压波形图 根据上图我们能够得出，在叠弧电压的影响之下，输出的平均直流电压下降了， (2-13) 则，平均压降为 所以，此时输出的平均直流电压当换相结束时， 也就是当=+的时候， ， (2-14)则，平均压降 这时输出的Ud（平均直流电压）也能用下式来表示： (2-15)在上面公式之中，我们可以把看做为线路电阻Rc，线路电阻Rc有时也被称之为“等效换相电阻”，但是Rc不会消耗功率，我们把Rc作为解释换相叠弧现象导致压降变化现象的原因。2.3 整流和逆变工作方式分析2.3.1 整流的工作方式换流器在进行整流过程中，将交流

39、电转化为了直流电，之后经过直流输电线路将直流电传送给逆变器端。延迟触发角度要求应该小于90。在正常运行的过程中，整流器的交流电压与延迟触发角度是一定的。 Rc可以看做是换流转化到阀侧的等值换相电感，这充分说明了换相电感对于直流输出电压Ud的影响，导致Ud的数值减小了RcId 。我们通过公式 能够得到整流器输出端的特性曲线图(处于正常运行状态情况下，换相角度满足60),我们有时也叫做“等外特性曲线图”。图2-8 整流器输出端的特性曲线图 当（换相延迟角度）大小一定时，因为Id的增大，会导致Ud的减小；图中,如果角度变大，那么输出端的直流电压Ud将会变小。2.3.2 逆变的工作方式 逆变过程其实就

40、是把直流电转化为交流电的工作过程，在直流输电的工程之中，我们可以把逆变器看做受端，而整流侧相当于供端。在这里逆变器虽然作为受端，但大多数的逆变器是有源的。有源逆变器要求与其相连接的受端交流系统一定要有交流电源。 实际情况下的工作过程之中，直流输电线路上存在着平波电抗器等滤波设备，输出电压在经过滤波作用后，将会以平均直流电压Ud的方式输出。因此，考虑到延迟触发角度(此时不考虑换相电感)，当90时，取负值，根据晶闸管导通的方向送出直流电流，我们可以看做是负荷向换流器输送功率。（我们可以把有源负荷看做是整流端的输出直流电压，它能够给逆变器端输送功率。） 接下来我们将对整体电路进行分析（这里对逆变器端

41、进行一下重点分析）： 图2-9 换流器电路图 假设此时A相的VT1阀导通，如果规定此时A相的电流方向为正，那么B相的电流与C相的电流的方向和A相电流方向相反，我们看做负值。图2-10 换流器电路图 若A相的VT4阀导通，那么，此时A相的电流方向为负，则B相的电流和C相的电流方向为正。 综上所述，我们能够知道，在不同的时刻A相、B相和C相中的电流是有正值也有负值的，也就是交流电。当电流经过晶闸管侧的绕组的时候，换流站的网侧也可以感应到相应的电流，于是把直流功率转化为了交流电功率。 在这里我们能够知道，整流站也好逆变站也罢，其实其原理是极其相似的。我们可以把他们都看做是整流过程，它们都是由交流电源

42、来提供相应的换相电压，而后经过换相过程，把交流电转化为了直流电。但在经过逆变过程后，虽然电流转化为了直流电，但由于它的电压与电流方向的原因，是由直流输出端向交流输入端流动，因此被看成了直流逆变为交流电。 经过上述的分析，我们能够看出逆变站要想稳定的正常工作，必须满足一下的几条要求： （1）一个提供换相电压的有源交流系统。 （2）一个直流电源（其实就是上述分析过程中那个能提供电源“虚拟负荷”），而且它的极性应该和晶闸管导通的方向相同。 经过分析之后我们能够知道，所谓的直流电源其实是整流端的输出直流电压和逆变端的输出直流电压之间电压差，也就是： 我们要注意的是V逆变为一个负值，因此我们能够把整流端

43、和逆变端输出直流电压的绝对值之和看做是直流输电线路整体的电压值。 （3）最后一条但也是非常重要的一条，延迟触发角度必须满足大于90（在换相角度等于0条件下）。 如果在换相角度0的情况下，整流和逆变的转折位置就不再是触发延迟角度等于90的情况了。整流过程和逆变过程的主要不同之处为通过换相作用后输出的直流电压Vmn。若是Vmn为正值，该端将被看做是整流端；若是Vmn为负值，该端将被看做是逆变端。我们能够推断出，整流过程和逆变过程的“转折位置”在于Vmn等于零。通过之前的分析，在换相角度0,而且有延迟触发角度的条件之下，直流输出电压 ， (2-16) 当时，即则， 即在换相角度0的影响下，整流过程与

44、逆变过程的转折位置由等于90转移到了等于处。这也就满足了当触发延迟角度等于90的时刻，一定是工作在逆变状态了。 当我们对整流器端进行描述时，通常是用（触发延迟角度）和（换相角度）来表示。从而，为了便于描述逆变器端，我们也能够利用相关的参数来进行描述，这些参数主要是指逆变角和关断角。 逆变器端的（逆变角）是：以发出触发脉冲时的时刻记直到落后自然换相点180的时刻为止这之间的电气角度；关断角我们看做是晶闸管关断的时刻(即阀上电流为零)起直到落后自然换相点180的时刻为止这之间的电气角度。我们能够得到以下的结论： 那么，通过我们之前的分析，逆变器端的输出直流电压能够用下式来表示： (2-17) 亦可

45、以表示为： (2-18) 2.4 总结该章节的主要内容是对高压直流输电的基本原理做了简要的分析。主要就是讲述了换流器在整流和逆变过程中的电路以及波形的分析，可以作为进一步提升和学习高压直流输电技术的理论基础。同时，在现代的高压直流输电技术中，并不是单桥运行，通常都是采用多桥换流器。即：将多个6脉动换流器经过串联等形式以便获得更高的输出电压。3 MATLAB仿真3.1 MATLAB 简介 “MATLAB是在1984年由两位美国人Jack Little和Cleve Moler基于工程、数学和计算机科学的背景而开发出来的一种高级语言。他们成立了MathWorks公司，主要针对MATLAB的深层研发和

46、推广。MATLAB是一个交互的系统，它在科学计算及工程领域产生了重大影响，现在已经成为了科学研究和工程项目的基本工具。MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的简称，它属于三大数学软件之一（三大数学软件还包括Mathematica、Maple）。MATLAB可以划分为MATLAB产品族和Simulink产品族两大部分。MATLAB产品族包含统计与数据分析、数学与优化、应用开发、计算生物、财务建模与分析等模块；Simulink是MATLAB的一种可视化的仿真工具采用模块化建模方式。Simulink产品族包括图形模拟、定点模型、物理模型、验证测试等模块。矩阵是MATLAB的基

47、本数据单位，它与数学和工程中指令表达式的常用形式很类似，所以我们更习惯用MATLAB来解决问题，它相对C,FORTRAN等语言要更加简便。 早在二十世纪七十年代时期，为了减轻学生编程的负担，美国新墨西哥大学计算机系主任Cleve Moler用FORTRAN编写了史上最早的MATLAB。并通过1984年Little、Moler、Steve Bangert合作成立的MathWorks公司将MATLAB正式推入世界市场，直至二十世纪九十年代，MATLAB已经成功成为国际控制界的标准计算软件7。” 应用:MATLAB产品族有以下几种用途： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 对控制系统进行设计和

48、仿真 数字图像处理 数字信号处理 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 MATLAB特点：此高级语言可用于技术计算 代码、文件和数据可以在此开发环境中被有效的管理 数学函数应用范围广泛二维和三维图形函数可用于可视化数据 用户可以方便的构建图形用户界面 通过函数可以将基于MATLAB的算法和C、C+等外部的语言和应用程序集成。 MATLAB的优势：编程环境的优化与工作平台的完善、简单易用的程序语言、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集合工具箱、实用的程序接口和发布平台、强大的计算机数据处理能力8 。3.2 关于换流器的MATLAB仿真建模 单击桌面MATLAB快捷方式打开MATLAB软件之后，找到

49、Simulink图标单击打开Simulink模块库，会弹出Simulink模块浏览器（Simulink Library Browser）窗口，它包含很多的模块库按照树状排列（在这里我们不一一介绍了），找到其中的电力系统模块库（Power System Blocks）可双击打开也可右键单击打开，则MATLAB将自动弹出电力系统工具箱元件库窗口,如下图图3-1 电力系统工具箱元件库 “电力系统工具箱元件库中包含着很多的子模块库，大致分为电力电子模块库（Power Electronics）、基础电路模块库（Elements）、连接器模块库（Connectors）、测量模块库（Measurements

50、）、电机模块库（Machines）、电源模块库（Electrical Sources）、附加功率模块库（Power Extras）等9”。这些模块库中的模块可以让我们更加方便的建立电力系统仿真模型，我们可以根据电力系统的结构然后找到相应的模块拖到相应的工作窗口中连接起来即可。3.2.1 单相半波可控整流电路 半波整流电路是比较简单的整流电路可以将交流电转化为直流电，它可以通过二极管（单向导电性）或晶闸管来实现整流的功能，我们以晶闸管电路为例进行分析，单相半波可控整流电路的电路图如下：图3-2 单相半波可控整流电路 利用模块库建立仿真模型如下（负载选用阻感负载）： 图3-3 单相半波可控整流电路

51、仿真模块图接下来介绍主要的仿真参数设置情况，双击相应的模块我们能够得到模块的参数设置对话框，“晶闸管模块的参数设置：RonInductance Lon（元件内电感）=0H； Forward voltage Vf（元件的正向管压降）=0.8V；Snubber capacitance Cs（缓冲电容）=4e-6F；Snubber resistance Rs（缓冲电阻）=20； Resistance Ron（元件内电阻）=0.001；串联的RLC模块的参数设置：L=0.01H ；R=1；Simulink Configuration parameters设置情况：Solver采用ode23tb算法，Relative tolerance（相对误差）参数设置为1e-3,Start time（开始仿真时间）设置为0，Stop time（停止仿真时间）设置为0.110。”在设置好各个模块的参数之后启动开始仿真按钮可得到图3-5所示的仿真结果图3-4 脉冲发生器参数设置 仿真所得图像结果： 图3-5 单相半波可控整流电路仿真波形图3.2.2单相桥式全控整流电路 “