電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計-高壓直流輸電系統(tǒng)的matlab仿真

1、<p>　……………………. ………………. …………………畢 業(yè) 論 文高壓直流輸電系統(tǒng)的MATLAB仿真院 部 機(jī)械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化3班 屆 次 2015屆 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師

2、 </p><p>　裝訂線</p><p>　……………….……. …………. …………. ………</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

3、;p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1選題背景及意義1</p><p>　　1.1.1國外的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2課題設(shè)計目標(biāo)1</p><p>　　1.2.1經(jīng)濟(jì)性1</p>

4、<p>　　1.2.2互聯(lián)性1</p><p>　　1.2.3控制性2</p><p>　　1.3高壓直流輸電的缺點2</p><p>　　2高壓直流輸電控制基本原理3</p><p>　　2.1高壓直流輸電控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2高壓直流輸電控制原理4</p>

5、<p>　　2.3高壓直流輸電控制方式5</p><p>　　2.3.1換流器觸發(fā)控制5</p><p>　　2.3.2換流變壓器控制5</p><p>　　2.4高壓直流輸電控制系統(tǒng)基本組成5</p><p>　　2.4.1換流器觸發(fā)控制基本組成5</p><p>　　2.4.2換流變壓器分接頭

6、控制基本組成6</p><p>　　3高壓直流輸電基本構(gòu)成和工作原理7</p><p>　　3.1直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成方式7</p><p>　　3.1.1單極系統(tǒng)7</p><p>　　3.1.2雙極系統(tǒng)8</p><p>　　3.1.3背靠背直流系統(tǒng)9</p><p>　　3.2高

7、壓直流輸電的基本結(jié)構(gòu)與工作原理9</p><p>　　3.2.1高壓直流輸電的基本結(jié)構(gòu)與工作原理9</p><p>　　3.2.2基于晶閘管的12脈動換流單元10</p><p>　　4高壓直流輸電仿真模型的建立與結(jié)果分析12</p><p>　　4.1高壓直流輸電仿真模型的建立12</p><p>　　4.

8、1.1線路的參數(shù)12</p><p>　　4.1.2整流環(huán)節(jié)簡介13</p><p>　　4.1.3逆變環(huán)節(jié)簡介13</p><p>　　4.1.4濾波器子系統(tǒng)簡介13</p><p>　　4.2仿真結(jié)果分析14</p><p>　　4.2.1穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)波形14</p><p>　　4

9、.2.2 HDVC系統(tǒng)直流線路故障15</p><p>　　4.2.3 HDVC系統(tǒng)交流側(cè)故障17</p><p><b>　　5結(jié)論19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　致 謝21</b></p>

10、;<p><b>　　Contents</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 Introduction1</p><p>　　1.1 Background and significance1</p><p>　　1.1.1 Foreign research1<

11、;/p><p>　　1.1.2 Domestic research1</p><p>　　1.2 Advantages of HDVC1</p><p>　　1.2.1 Economy1</p><p>　　1.2.2 Connection1</p><p>　　1.2.3 Control1</p>

12、<p>　　1.3 Short of HDVC2</p><p>　　2 Basic principle of HDVC control system3</p><p>　　2.1 Hierarchical structure3</p><p>　　2.2 Principle of HDVC control system4</p>

13、<p>　　2.3 Methods of HDVC control5</p><p>　　2.3.1 Converter trigger5</p><p>　　2.3.2 Converter transformer5</p><p>　　2.4 Constitute of HDVC control system5</p><p&

14、gt;　　2.4.1 Consititute of converter trigger5</p><p>　　2.4.2 Consititute of converter transformer6</p><p>　　3 Operational principle of HDVC system7</p><p>　　3.1 Consititute of HDV

15、C system7</p><p>　　3.1.1 System of single-pole7</p><p>　　3.1.2 System of double-pole8</p><p>　　3.1.3 System of back-to-back9</p><p>　　3.2 Operational principle of H

16、DVC system9</p><p>　　3.2.1 Operational principle of HDVC system9</p><p>　　3.2.2 12 pulsation commutation units based on thyristor10</p><p>　　4 Foundation and analysis of simulati

17、on model12</p><p>　　4.1 Foundation of simulation model12</p><p>　　4.1.1 Parameter in lines12</p><p>　　4.1.2 Rectifier13</p><p>　　4.1.3 Inverter13</p><p&

18、gt;　　4.1.4 Filter13</p><p>　　4.2 Analysis of simulation model14</p><p>　　4.2.1 Waveform of steady state system14</p><p>　　4.2.2 Waveform of DC line fault15</p><p>　

19、　4.2.3 Waveform of AC line fault17</p><p>　　5 Conclusion19</p><p>　　Reference documentation20</p><p>　　Appreciation21</p><p>　　高壓直流輸電系統(tǒng)的MATLAB仿真</p><p>

20、;　　摘要：HVDC就是高壓直流輸電的縮寫，不同于傳統(tǒng)的交流輸電，采用高壓直流輸電具有許多交流輸電不具備的特性。比如說，高壓輸電帶來的線路損耗更小、線路允許輸送的容量更大。加之其系統(tǒng)沒有交流輸電那樣復(fù)雜，所以相比之下造價更低，經(jīng)濟(jì)性較直流輸電也有很大優(yōu)勢。因此。HDVC更適用于遠(yuǎn)距離大容量送電。并且由于高壓直流輸電具有經(jīng)濟(jì)性好、造價低的特點，遠(yuǎn)距離大功率輸電更有優(yōu)勢。綜上所述，高壓直流輸電的發(fā)展雖然么有交流輸電那樣順利，但后來者居上，在

21、未來的輸電系統(tǒng)中高壓直流輸電必將發(fā)揮著不可替代的作用。西電東送呈現(xiàn)繼續(xù)發(fā)展的趨勢，各個區(qū)域之間的電網(wǎng)聯(lián)通也是一種趨勢，直流輸電工程在這一系列趨勢中占據(jù)主導(dǎo)地位。所以，在這篇文章中，首先對高壓直流輸電的背景和近些年來國內(nèi)外的發(fā)展講解一番，然后大致了解HDVC的特性，包括對結(jié)構(gòu)、原理和控制方法進(jìn)行了解，再者使用Matlab中的Simulink功能對HDVC系統(tǒng)建模，模擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對可能發(fā)生的故障進(jìn)行仿真，然后從仿真波形再研究高壓輸電特

22、性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高壓直流輸電 Matlab Simulink 仿真</p><p>　　Simulation of HVDC transmission system based on MATLAB</p><p>　　Abstract HVDC is short for direct-voltage transmission. Compar

23、ed with normal transmission, stabilization in HVDC will never be a problem. With lower loss in lines, larger capacities in transmission, and better asynchronous networking ability between electrical systems, HDVC has adv

24、antages at interconnection of two systems with different fluency. Above all, with people’s agreement, HDVC systems will make a difference in the future. Thus, as the net connection during areas are built and transmiss<

25、;/p><p>　　Keywords: HVDC; Matlab; Simulink; Simulation</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1選題背景及意義</p><p>　　隨著時代的進(jìn)步，人們對于電力的需求日益加深，電力工業(yè)的發(fā)展也愈來愈快，這就使得人們需要更高質(zhì)量，更大量的電能，

26、于是在輸電的過程中，線路可承載的輸電容量以及輸電效率也愈加重要。在此基礎(chǔ)上，安全可靠的電能，價格低廉且質(zhì)量高的電能，偏僻地方的穩(wěn)定電能則更是難能可貴。因此，高壓直流輸電在現(xiàn)今電力發(fā)展中是十分重要的一環(huán)。</p><p>　　1.1.1國外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　最早出現(xiàn)直流輸電大概要追溯到1882年,法國物理學(xué)家duppler使用位于miesbach的礦井，以1.5～2.0 kV的

27、電壓向遠(yuǎn)在57 kM外的國際展覽供電，這也成為了歷史上直流輸電的首次嘗試。在1912年，直流輸電得到了再一次嘗試的機(jī)會，雖然輸電電壓,功率和直流發(fā)電機(jī)距離分別增加到125 kV、20 MV和225 kM，可是這一次先比之前操作模式復(fù)雜，且輸電穩(wěn)定性不高，所以直流輸電并沒有發(fā)展起來。緊接著，三相交流發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)逐漸取代了直流輸電的地位。再下一次直流輸電被應(yīng)用到工程中是在50年代的汞弧閥的出現(xiàn)，然而汞弧閥的稀少仍然是直流輸電的發(fā)展道路上一塊

28、巨大的絆腳石。時間來到上世紀(jì)末期，雖然信息時代的到來，在電力電子和微電子日新月異的發(fā)展下，直流輸電技術(shù)也逐漸走上了正軌。高新技術(shù)的存在也慢慢為直流輸電的進(jìn)步掃清障礙。縱觀1954年到2000年這50年，高壓直流輸電經(jīng)歷了歷史性的飛躍，世界上直流輸電總?cè)萘砍掷m(xù)增長。在21世紀(jì)之時，直流輸電得到普及，總?cè)萘吭鲩L率也會越來越大。</p><p>　　1.1.2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　

29、其實早在60年代起，我國就緊隨步伐對直流輸電的應(yīng)用進(jìn)行試驗。比如1974年在西安高壓電器研究所建立6脈沖轉(zhuǎn)換器的背靠背轉(zhuǎn)換器試驗站，再比如1977年在上海建立的6脈沖轉(zhuǎn)換器實驗工程。這些試驗都為HVDC在中國的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.2課題設(shè)計目標(biāo)</b></p><p><b>　　1.2.1經(jīng)濟(jì)性</b><

30、/p><p>　　高壓直流輸電線路的成本和消耗較交流線路來說都是很低的,然而換流站的建造成本卻比交流變電站高。這就意味著，同樣的傳輸容量，輸電線路越長，建造成本也就越少。</p><p><b>　　1.2.2互聯(lián)性</b></p><p>　　交流輸電能力的同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性問題一直是詬病，其原因一方面是由不穩(wěn)定的功率角導(dǎo)致,另一方面則是同步電機(jī)的

31、電抗會伴隨傳輸距離的增加而增加,線路消耗大，于是交流輸電能力較弱。而直流輸電的造價與消耗較低，適合大量、遠(yuǎn)距離輸送電力。</p><p>　　通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擴(kuò)張將導(dǎo)致短路容量增加，解決方案就是更換合適的斷路器，而這一舉措并不總是順利的，尋找合適的斷路器不是一件簡單的事情。所以，使用高壓直流互聯(lián)可以避免短路容量增加，避免出現(xiàn)交流系統(tǒng)中的故障擴(kuò)張，同時也是降低短路容量,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方式。</p>

32、<p><b>　　1.2.3控制性</b></p><p>　　直流輸電的控制性是其另一個特征。直流輸電系統(tǒng)擁有直流輸電控制系統(tǒng)，輸電線路兩端的換流器可以做出迅速而精確的反應(yīng)。</p><p>　　1.3高壓直流輸電的缺點</p><p>　?。?）雖然高壓輸電線路的造價較為節(jié)省，可是換流站需投入大量資金，這體現(xiàn)在換流站設(shè)備繁多、造

33、價相對較高等方面。換流站的設(shè)備除換流變壓器外，可控硅換流器和其他相關(guān)設(shè)備的造價也非常之高。</p><p>　　（2）換流器需要安裝濾波器，由于換流器的畸變交流電流產(chǎn)生的高次諧波電流會導(dǎo)致交流電壓也發(fā)生畸變，所以很有必要安裝濾波器使得畸變率可以發(fā)生在可控范圍之內(nèi)。此外，換流器也是諧波電壓源，所以直流線路上也會產(chǎn)生諧波電壓。為了使得諧波電流、電壓在可控范圍內(nèi)，應(yīng)安裝濾波器。</p><p>

34、　?。?）換流站的造價高的原因還有一點就是需要安裝無功功率補(bǔ)償設(shè)備，因為換流站的換流器在運行工作時會消耗無功功率。</p><p>　?。?）在特定工作方式下，會對周邊產(chǎn)生電磁干擾和電化學(xué)腐蝕。</p><p>　?。?）由于性能與制造工藝會對高壓直流輸電的效果產(chǎn)生很大影響，比如容量和輸電形式，所以往往需要良好的直流斷路器。而直流斷路器的技術(shù)相當(dāng)繁雜，造價又很高。再者直流斷路器不易開斷，相

35、比交流系統(tǒng)的介質(zhì)可恢復(fù)以及電弧可熄滅要遜色很多。所以，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性直流斷路器都不如交流斷路器。</p><p>　　2高壓直流輸電控制基本原理</p><p>　　2.1高壓直流輸電控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)能夠正常運行主要依靠著高壓直流輸電控制系統(tǒng)，高壓直流輸電控制系統(tǒng)會按照優(yōu)先級以及一些功能性的原則把控制鏈接到不同的層次。這種分等級的結(jié)構(gòu)更加

36、便于對HDVC控制系統(tǒng)的分析以及使得系統(tǒng)操作維護(hù)更加靈活，將單一故障的影響降至最低，不會牽連至其他環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖2-1高壓直流輸電控制系統(tǒng)按照等級分層</p><p>　　高壓直流輸電控制系統(tǒng)等級分層如圖2-1所示。高壓直流輸電控制系統(tǒng)作為上級可以調(diào)控?fù)Q流站的工作，對正負(fù)換流極加以控制使其能夠高效運行。嚴(yán)格遵守分層結(jié)構(gòu)，由高層次控制低層次，不可逆。極控制分為兩種，一種是換流

37、器控制，還有一種是單獨控制，換流器控制可以改變換流閥的狀態(tài)，而單獨控制則可直接控制控制對象。</p><p>　　在分層結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)控制級是HDVC控制系統(tǒng)的最高控制系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)在通信系統(tǒng)上傳直流輸電系統(tǒng)中的各項參數(shù)，接收中心調(diào)度指令，根據(jù)命令調(diào)整、分配各個系統(tǒng)運行時回路中的功率并控制在范圍之內(nèi)，實現(xiàn)多種包括潮流反轉(zhuǎn)、功率調(diào)制等多種控制，這樣就可以再下一次故障出現(xiàn)時第一時間將進(jìn)行應(yīng)急控制。</p>

38、<p>　　雙極控制級，接收來自換流器的指令，依據(jù)系統(tǒng)控制級的調(diào)度指令，根據(jù)正負(fù)極的功率定值決定運行過程中功率的傳輸方向，平衡正負(fù)極電流并控制交直流系統(tǒng)的無功功率、交流系統(tǒng)母線電壓等，以達(dá)到HDVC系統(tǒng)正負(fù)極運行的協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　極控制級，接收來自雙極控制極的指令，再作用于換流器控制級從而對電流加以控制，負(fù)責(zé)控制正負(fù)極的運行方式和故障處理。</p><p>　　

39、換流器控制級，負(fù)責(zé)觸發(fā)換流器。可進(jìn)行定電流控制、定電壓控制。換流器實現(xiàn)控制的過程是對換流器觸發(fā)角的調(diào)節(jié)以改變HDVC交直流轉(zhuǎn)換過程，從而為HDVC輸出正常的功率、直流電壓提供保證。</p><p>　　單獨控制級可以直接作用于控制對象，它主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭的位置，從而調(diào)節(jié)換流變壓器的輸出電壓。在這個過程中，單獨控制級還起到監(jiān)測的作用。對換流單元冷卻系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等加以控制，以及對交直流開關(guān)場斷路器、濾波

40、器的調(diào)節(jié)可以使換流器觸發(fā)角保持穩(wěn)定，以達(dá)到輸出平穩(wěn)的電壓電流的作用，提高HDVC系統(tǒng)的運行效率。此外，換流變壓器還可以在HDVC系統(tǒng)中起到隔離交直流系統(tǒng)的作用。</p><p>　　換流閥控制級從屬于換流控制級，它將來自換流器控制級的觸發(fā)角信號轉(zhuǎn)換為脈沖，選擇導(dǎo)通還是關(guān)斷換流器中的晶閘管，并起到監(jiān)視的作用，保障晶閘管等元件的運行正常。</p><p>　　2.2高壓直流輸電控制原理<

41、/p><p>　　高壓直流輸電的等效電路如圖2-2，可以分為三部分，兩邊是換流器，兩個換流器由中間的輸電線路相連。在正常工作時，左換流器是整流器，右換流器是逆變器?？梢砸訬點為界將N點左側(cè)劃為整流側(cè)，右側(cè)為逆變側(cè)。由基爾霍夫定律得出：</p><p>　　圖2-2高壓直流輸電系統(tǒng)等效電路圖</p><p><b>　　直流電流: </b>&l

42、t;/p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　整流側(cè)伏安特性：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　逆變側(cè)伏安特性：</b></p><p><b&g

43、t;　?。?-3）</b></p><p>　　其中，和與交流系統(tǒng)電勢相關(guān)：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　式中，-整流側(cè)換流變壓器閥側(cè)空載電壓；-逆變側(cè)換流變壓器閥側(cè)空載電壓；-整流器直流電壓；-逆變器直流電壓；整流側(cè)觸發(fā)角；-逆變側(cè)超前觸發(fā)角；-整流器換相電抗；-逆變器換相電抗；-直流輸電線

44、路等值電阻；-整流側(cè)交流系統(tǒng)電勢；-逆變側(cè)交流系統(tǒng)電勢。</p><p>　　在公式2-1中，、和為恒定值，因此直流電壓、直流電流的大小僅與換流器觸發(fā)角、整流側(cè)系統(tǒng)電勢和逆變側(cè)系統(tǒng)有關(guān)。</p><p>　　2.3高壓直流輸電控制方式</p><p>　　整個高壓直流輸電的控制都是在HDVC控制系統(tǒng)等級分層的基礎(chǔ)上完成的，其控制方式之一是換流器控制級對換流器觸發(fā)的控

45、制，另一個是單獨控制級對于換流變壓器分接頭的控制。前者主要以調(diào)節(jié)觸發(fā)角的方式用于換流器的運行控制，后者以調(diào)整接頭位置來交流系統(tǒng)電勢。</p><p>　　2.3.1換流器觸發(fā)控制</p><p>　　換流器觸發(fā)角對HDVC系統(tǒng)中的運行至關(guān)重要。這種控制方式往往響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間很短，并且調(diào)節(jié)范圍較大。當(dāng)特殊情況發(fā)生時，比如HDVC系統(tǒng)因某些原因而電壓電流變化過快，換流器觸發(fā)控制可以做出調(diào)

46、整以保證系統(tǒng)平穩(wěn)。</p><p>　　2.3.2換流變壓器控制</p><p>　　HDVC控制系統(tǒng)可對換流器觸發(fā)角或直流電壓進(jìn)行控制，通過改變換流變壓器分接頭位置來改變換流器的電勢。</p><p>　　然而這種控制方式響應(yīng)速度比較緩慢，需要3～10s能對分接頭的位置進(jìn)行一次調(diào)整。并且相比換流器觸發(fā)控制，這種控制方式由于諸多限制，比如分接頭位置和變壓器本身的原因

47、，導(dǎo)致控制調(diào)節(jié)范圍相對小一些，所以只能不是主要控制方式。只有在系統(tǒng)電壓變化較為緩慢的時候，換流變壓器分接頭才會發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)系統(tǒng)并使系統(tǒng)回到正常工作。然而對于迅速發(fā)生的暫態(tài)變化，分接頭往往不發(fā)生作用。這種控制的差異性也就意味著需要兩個控制方式一同發(fā)生作用，在暫態(tài)變化和緩慢變化時都能確保HDVC系統(tǒng)穩(wěn)定運行，發(fā)生故障時可迅速恢復(fù)，使系統(tǒng)能夠高效運轉(zhuǎn)。 </p><p>　　2.4高壓直流輸電控制系統(tǒng)基本組成<

48、/p><p>　　2.4.1換流器觸發(fā)控制基本組成</p><p>　　（1）整流側(cè)最小觸發(fā)角控制</p><p>　　系統(tǒng)運作時，換流器觸發(fā)角不能低于某一特定值，這是因為晶閘管上的電壓過低會導(dǎo)致晶閘管導(dǎo)通的性能變差，對換流過程產(chǎn)生不利影響。所以設(shè)定最小觸發(fā)角的必要性就是能夠使得換流閥工作正常。另外一個作用是，在系統(tǒng)意外發(fā)生故障時，觸發(fā)角降低至最小值可以將故障影響降至最

49、低，然而過小的觸發(fā)角在故障清除一切恢復(fù)正常以后又會產(chǎn)生過電流，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　?。?）逆變側(cè)最大觸發(fā)角控制</p><p>　　最大觸發(fā)角的限制值也是必需的，因為在某些情況下，控制器超調(diào)將導(dǎo)致觸發(fā)角超出范圍，同樣會使得換相失敗。</p><p><b>　　（3）電流限制控制</b></p><p>

50、　　設(shè)置最大電流限制可以避免系統(tǒng)過負(fù)荷運行，設(shè)置最小電流限制可以避免由于非正常干擾引起的系統(tǒng)輸送功率中斷。</p><p><b>　?。?）定電流控制</b></p><p>　　定電流控制可以對運行電流、直流輸送功率、直流功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，能迅速對故障電流進(jìn)行限制，從而起到保護(hù)換流閥等設(shè)備的作用，提高整體的安全性。</p><p><b&

51、gt;　　（5）定電壓控制</b></p><p>　　定電壓控制顧名思義就是對直流電壓的控制，使其能夠平穩(wěn)，保持直流電流恒定。逆變側(cè)也可以減小整流側(cè)因故障引起的過電壓對HDVC系統(tǒng)的影響。</p><p><b>　?。?）裕度控制</b></p><p>　　將整流側(cè)電流整定值設(shè)定比你逆變側(cè)電流整定值高出一個電流裕度可以避免由定

52、電流控制和定電壓控制同時發(fā)生導(dǎo)致的系統(tǒng)異常。通常來講，電流裕額為額定電流值的10％。另一方面，將逆變側(cè)電壓整定值設(shè)定比整流側(cè)低一個電壓裕度（HDVC電壓降）可以防止整流側(cè)和逆變側(cè)的定電壓控制同時作用。</p><p>　　2.4.2換流變壓器分接頭控制基本組成</p><p>　　換流變壓器分接頭控制使HDVC系統(tǒng)高效運行，保障設(shè)備的安全。主要途徑是調(diào)整接頭位置來影響交流側(cè)電勢并使觸發(fā)角以

53、及直流電壓不偏于正常值。</p><p><b>　?。?）定角度控制</b></p><p>　　過大的整流側(cè)觸發(fā)角會使得系統(tǒng)功率因數(shù)變低，從而增大無功功率，然而觸發(fā)角太小導(dǎo)致的過電流也會導(dǎo)致HDVC系統(tǒng)的不可靠。過大的逆變側(cè)觸發(fā)角會引起換向失敗，然而觸發(fā)角太小的狀態(tài)又無法保持HDVC系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。因此定角度控制的必要性就是能夠?qū)⒂|發(fā)角保持在合理的控制范圍內(nèi)，使其

54、與參考值的誤差不至于太大，并且在誤差超出太多時能夠調(diào)整分解頭位置。</p><p><b>　?。?）定電壓控制</b></p><p>　　定電壓控制同樣也是能夠修正直流電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的誤差，當(dāng)這種誤差大過了合理的范圍，通過改變分接頭位置來調(diào)整電壓值，使其能夠一直保持在額定值附近。然而相比較于定角度控制，這種控制方式的動作次數(shù)不夠多，這就會使得調(diào)節(jié)幅度過大，每一

55、次變換時變化較大，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有不利的影響。</p><p>　　在整流側(cè)分接頭控制使用定角度控制，在逆變側(cè)分接頭控制處使用定電壓控制，這樣能使控制效果達(dá)到最佳。</p><p>　　3高壓直流輸電基本構(gòu)成和工作原理</p><p>　　3.1直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成方式</p><p>　　直流系統(tǒng)大抵包括二端和多端，其中在這篇文章中主要研究的

56、是二端直流系統(tǒng)，構(gòu)成方式可以三種，分別是單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)以及背靠背直流系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.1.1單極系統(tǒng)</b></p><p>　　單極直流輸電系統(tǒng)，在接地端如果對地電位為正則是正極，反之為負(fù)則是負(fù)極。因此單極直流輸電系統(tǒng)的運行方式由出線端的極性決定，正極或負(fù)極運行方式。然而，由于在正極導(dǎo)線處可能產(chǎn)生的電暈和電磁干擾相比較于負(fù)極性導(dǎo)線更大一些，

57、并且雷電基本上屬于負(fù)極性，正極導(dǎo)線遇到雷電閃絡(luò)的可能性會比負(fù)極導(dǎo)線要高，所以在鋪設(shè)架空線路時，采用負(fù)極性相比較來說更安全一點。單極系統(tǒng)接線方式可分為兩種：</p><p>　　圖3-1單極大地回線方式</p><p>　　圖3-2單極金屬回線方式</p><p>　?。?）單極大地回線方式，如圖3-1。</p><p>　　單極大地回線方式即

58、為接地方式，是直接使用導(dǎo)線與大地(或海水)構(gòu)成單極回路的接地方式。直流輸電工程的運行電流即為接地處通過導(dǎo)線連接大地(或海水)的電流。這種回線方式顯而易見的有點就是十分簡單，而且造價相對較低，但相應(yīng)的對接地極要求會高一些，這就導(dǎo)致了其不夠靈活，可靠性也不高。再者，經(jīng)常有較大直流電流流經(jīng)地下也容易導(dǎo)致腐蝕地下設(shè)備元件。</p><p>　?。?）單極金屬回線方式，如圖3-2。</p><p>

59、　　與大地回線方式不同，單極金屬回線方式是通過兩根導(dǎo)線直接形成單極回路。但是金屬返回線也是要接地的，這樣可提高系統(tǒng)運行的安全性。這種方式的應(yīng)用一般來講是針對無法使用大地或海水為回線的系統(tǒng)中使用，以及在接地極不容易選擇和輸電距離過短的單極直流輸電工程中使用。相比于單極大地回線方式，由于地中無電流，所以不會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。</p><p><b>　　3.1.2雙極系統(tǒng)</b></p>

60、;<p>　　雙極系統(tǒng)接線方式，這種方式在直流輸電工程中較為常見，它有三種接地方式： </p><p>　　圖3-3雙極兩端中性點接地方式</p><p>　　圖3-4雙極一端中性點接地方式</p><p>　　圖3-5雙極金屬中線方式</p><p>　?。?）雙極兩端中性點接地方式，如圖3-3。</p><

61、;p>　　雙極兩端中性點接地方式，其實可以看成是由兩個單極大地回線系統(tǒng)組成，它們獨立運行，并且它們接地正負(fù)兩級在大地回線中是相反的，于是差值就形成了大地間的電流。這種接地方式在直流輸電工程采用較多。兩極間電壓和電流未必是相等的，當(dāng)兩極間電壓和電流相等時，這種方式就叫做雙極對稱運行方式；同理，兩極間電壓和電流不相等時，這種方式就叫做不對稱運行方式。由于這種接地方式是由兩個獨立的單極系統(tǒng)組成，所以當(dāng)其中一個極因故不能工作時，它就變成了

62、單極方式。</p><p>　?。?）雙極一端中性點接地方式，如圖3-4。</p><p>　　這種接地方式不能用于大地接線，是由于只有一端換流站的中性點接地。這樣的好處是這種接地方式在運行時，大地中沒有電流流過。不同于兩端中性點接地方式更加可靠、靈活，這種接地方式在一極發(fā)生不能工作的時候不能依靠單極繼續(xù)工作，必須將整個雙極系統(tǒng)停止。</p><p>　　（3）雙極

63、金屬中線方式，如圖3-5。</p><p>　　雙極金屬中線方式與兩端中性點接地方式有點類似，不同的是它可以看做是由兩個單極金屬回線系統(tǒng)組成，可獨立運行。這種方式與兩端中性點接地方式相同的是，在一極發(fā)生故障不能工作時，單極依然可以以金屬回線方式工作，甚至在換流站中一個極發(fā)生不能工作時，還可以轉(zhuǎn)為單極雙導(dǎo)線并聯(lián)金屬回線方式，靈活性較高。缺點也是顯而易見，構(gòu)造復(fù)雜，制造成本較高。</p><p&g

64、t;　　3.1.3背靠背直流系統(tǒng)</p><p>　　背靠背直流系統(tǒng)，如圖3-6，是無直流線路的直流系統(tǒng)，也經(jīng)常被稱作非同步聯(lián)絡(luò)站，這是因為無論頻率是否相同，它會對交流系統(tǒng)進(jìn)行非同步練習(xí)。在這種直流系統(tǒng)中，整流器和逆變器的直流側(cè)的閉環(huán)回路是由平波電抗器相連而形成的。</p><p>　　圖3-6背靠背直流輸電系統(tǒng)</p><p>　　3.2高壓直流輸電的基本結(jié)構(gòu)與工

65、作原理</p><p>　　3.2.1高壓直流輸電的基本結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p>　　圖3-7為HDVC的基本結(jié)構(gòu)，其中包括三部分，分別是整流側(cè)、直流輸電線路和逆變側(cè)。組成的設(shè)備分別是換流變壓器、濾波器、換流器、平波電抗器。</p><p>　　圖3-7高壓直流輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　整流器和逆變器均為換流器，在整個過程中

66、，整流器首先將交流系統(tǒng)I輸出的交流電在轉(zhuǎn)化為直流電再輸出到直流輸電線路中，緊接著逆變側(cè)再將由直流輸電線路中輸出的電流轉(zhuǎn)化為交流電，于是交流系統(tǒng)II中接收的電流是由逆變側(cè)轉(zhuǎn)化完的交流電。兩個換流器可控制著整個過程中的交直流轉(zhuǎn)換，原理是改變觸發(fā)角對換流器中晶閘管的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。決定換流器是處于交流轉(zhuǎn)直流的整流狀態(tài)，還是處于直流轉(zhuǎn)交流的逆變狀態(tài)。</p><p>　　圖3-7中分別表明的1、2、3代表著換流變壓器、

67、換流器、平波電抗器。其中，在交直流電網(wǎng)互聯(lián)及直流輸電的過程換流變壓器起著十分重要的作用，它能使整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，換流器的換相電壓便是由換流變壓器提供。以及，換流變壓器還可限制故障電流，使交直流系統(tǒng)之間隔離，在應(yīng)對雷電沖擊的過電壓還會有緩沖的用處。</p><p>　　換流器控制系統(tǒng)在整個系統(tǒng)的運行中起著十分重要的作用，保障HDVC的安全性、穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)由于故障等一系列原因無法達(dá)到正常預(yù)期的效果時，控制

68、系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)換流器觸發(fā)角和換流變壓器的輸出電壓，這樣不僅可以改善對HDVC的運行情況，在故障后也可以使系統(tǒng)盡可能迅速恢復(fù)。因此，換流器的控制系統(tǒng)是整個HDVC系統(tǒng)中的核心成分，在這次仿真建模中，HDVC的控制系統(tǒng)是主要的研究內(nèi)容之一。 </p><p>　　3.2.2基于晶閘管的12脈動換流單元</p><p>　　圖3-8即為基于晶閘管閥的12脈動換流單元：</p><

69、;p>　　圖3-8基于晶閘管的12脈動換流單元</p><p>　　它由以下幾部分組成：</p><p>　?。?）換流變壓器：作為中轉(zhuǎn)站將左邊交流電壓轉(zhuǎn)化為整流電壓，而后再將電壓用逆變器轉(zhuǎn)化，得到右邊交流系統(tǒng)應(yīng)接收的電壓。</p><p>　　（2）換流器：換流器的組成結(jié)構(gòu)為晶閘管，整個過程的整流和逆變都是在換流器完成的。通常來講，換流器每橋有6脈沖換流器，

70、成三相橋式電路的形式，可分為單橋、雙橋。</p><p>　?。?）平波電抗器：通過控制系統(tǒng)受到干擾時直流電流的變化來將直流電壓電流的波動降至最低。</p><p>　?。?）濾波器：可分為直流側(cè)濾波器和交流側(cè)濾波器。直流側(cè)濾波器是控制流入直流線路的諧波電流，位于直流線上。而交流側(cè)濾波器除了可以用來控制流入交流線路中的諧波電流外，還可對換流器上的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，所以通常位于換流變壓器的交

71、流側(cè)母線。</p><p>　　如上工作原理所示，12脈動換流單元其實可以看做是由兩個6脈動換流單元所組成，它們之間存在電壓相位差，為了得到這個電壓相位差，12脈動換流單元的閥側(cè)繞組必須采用不同的接線方式，即一變是三角形接線而另外一邊是星形接線。</p><p>　　12脈動換流器安裝濾波器主要是因為可以因此來簡化濾波器件，從而對設(shè)備占地要求不再那么嚴(yán)格，將成本降至最低。安裝濾波器的原因是

72、特征諧波會在交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生，比如11次和13次的特征諧波，這就需要安裝11次和13次的濾波器在交流側(cè)和直流側(cè)。</p><p>　　4高壓直流輸電仿真模型的建立與結(jié)果分析</p><p>　　4.1高壓直流輸電仿真模型的建立</p><p>　　可以使用Matlab中的Simulink功能建立HDVC的仿真模型，選取PSB（power system block）

73、中的仿真模塊拖動至相應(yīng)位置并連接即可完成對高壓直流輸電系統(tǒng)跟控制器模型創(chuàng)建。以下模型就是使用12脈沖晶閘管變換器建立的。如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1高壓直流輸電仿真模型</p><p>　　圖4-1中，EM、EN分別為交流系統(tǒng)，EM是500 kV、5 000 MV·A、50 Hz的交流系統(tǒng)，EN是345 kV、10 000 MV·A、50 Hz的交流系

74、統(tǒng)，這兩個交流系統(tǒng)的頻率是50 Hz，伴隨有3次諧波，且均保持80°的相角，它們之間通過1 000 MW的直流輸電線路相連。其中還有兩個變換器以及兩個斷路器模塊，兩個變換器間有300 kM的線路以及0.5 H的平波電抗器組成，而兩個斷路器模塊的作用是對整流器直流側(cè)和逆變器交流側(cè)故障進(jìn)行模擬。</p><p>　　4.1.1線路的參數(shù)</p><p>　　直流輸電線路的參數(shù)：<

75、;/p><p>　　線路電阻：R = 0.015Ω/km；</p><p>　　線路電感：L = 0.792mH/km；</p><p>　　線路電容：C = 14.4nF/km；</p><p>　　線路長度：300 km。</p><p>　　交流系統(tǒng)EM側(cè)參數(shù)如下：</p><p>　　線路電

76、阻：R = 26.07Ω；</p><p>　　線路電感：L = 48.86mH。</p><p>　　交流系統(tǒng)EN側(cè)參數(shù)如下：</p><p>　　線路電阻：R = 6.205Ω；</p><p>　　線路電感：L = 13.96mH；</p><p>　　平波電抗器的電感：L = 0.5H。 </p>

77、<p>　　4.1.2整流環(huán)節(jié)簡介</p><p>　　在4-2中，使用的是三相三繞組變壓器模塊，使用Y0-Y-形接線方式聯(lián)接，變換器變壓器中整流器電壓倍數(shù)為0.90，而逆變器的電壓倍數(shù)選擇0.96。</p><p>　　圖4-2整流環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　接著對“整流環(huán)節(jié)（Rectifier）”子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，得到圖4-3展示的結(jié)構(gòu)。在這

78、個結(jié)構(gòu)中，12脈沖變換器是由兩個通用橋模塊串聯(lián)成，形成整流器。</p><p>　　圖4-3整流器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu) </p><p>　　4.1.3逆變環(huán)節(jié)簡介</p><p>　　“逆變環(huán)節(jié)（Inverter）”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，比如變壓器模塊，接線方式，12脈沖變換器均可以參考“整流環(huán)節(jié)”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整流器通過整流器控制和保護(hù)子系統(tǒng)來保護(hù)，相應(yīng)的逆變器是由逆變器控制和保護(hù)子

79、系統(tǒng)來保護(hù)。 </p><p>　　4.1.4濾波器子系統(tǒng)簡介</p><p>　　上面提到的濾波器可以降低諧波對系統(tǒng)運行的影響，同時還可以補(bǔ)償無功功率?？梢源蜷_圖4-1中的濾波器子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。從圖4-4中可以發(fā)現(xiàn)交流濾波器電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以下4個器件分別是150 Mvar的無功補(bǔ)償設(shè)備，Q=100的11次和Q=100的13次單調(diào)諧濾波器，以及Q=3的24次諧波濾波器。</p>

80、;<p>　　圖4-4交流濾波器子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　4.2仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　按照圖4-1的模型連接好并且設(shè)置好一系列的參數(shù)，接下來就可以進(jìn)行仿真了。仿真內(nèi)容是觀察穩(wěn)態(tài)波形，對常見故障進(jìn)行模擬。</p><p>　　4.2.1穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)波形</p><p>　　圖4-

81、5、圖4-6是電壓、電流波形的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果：</p><p>　　圖4-5穩(wěn)態(tài)仿真整流側(cè)波形</p><p>　　圖4-6穩(wěn)態(tài)仿真逆變側(cè)波形</p><p>　　其中，表示直流側(cè)線路電壓，表示直流側(cè)線路電流，表示實際參考電流，均為標(biāo)幺值，為整流器的觸發(fā)延遲角。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，直流電壓為1.0 p.u.，直流電流為1.0 p.u.。 </p><

82、;p>　　4.2.2 HDVC系統(tǒng)直流線路故障</p><p>　　對直流側(cè)斷路器模塊進(jìn)行設(shè)置，控制它在0.7 s時導(dǎo)通，0.8s時斷開，接地時間為0.1s。圖4-7、圖4-8為仿真波形：</p><p>　　圖4-7直流線路故障時整流側(cè)波形</p><p>　　圖4-8直流線路故障時逆變側(cè)波形</p><p>　　由圖4-7可見，當(dāng)t

83、=0.6s系統(tǒng)發(fā)生接地故障時直流側(cè)電流會突然增長到2.2 p.u.，直流側(cè)電壓也突然降為0。使用VDCOL子系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)后，參考電流可下降到0.3 p.u.。t=0.77s時，觸發(fā)延遲會被鎖定為166°，整流器轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)。接著故障電流會下降，過零點時故障電流熄滅，這是因為由于直流側(cè)線路電壓在故障發(fā)生時變?yōu)樨?fù)值，導(dǎo)致了線路的方向顛倒，本應(yīng)送入直流系統(tǒng)的能量向相反方向流通，回到交流系統(tǒng)。t=0.82s時，解除鎖定觸發(fā)延遲角，0

84、.5s后整個系統(tǒng)恢復(fù)正常。 </p><p>　　4.2.3 HDVC系統(tǒng)交流側(cè)故障</p><p>　　用a相接地故障來研究交流側(cè)故障，在直流側(cè)斷路器導(dǎo)通動作取消的前提之下，使逆變器斷路器在0.7s時導(dǎo)通，0.8s時斷開，0.1 s的接地時間：</p><p>　　圖4-9接地故障整流側(cè)波形</p><p>　　圖4-10接地故障逆變側(cè)波形

85、</p><p>　　由圖4-9、圖4-10可以發(fā)現(xiàn)，故障會引起導(dǎo)致?lián)Q向失?。ó?dāng)逆變器兩個閥進(jìn)行換相時，因換相過程未能進(jìn)行完畢，或者預(yù)計關(guān)斷的閥關(guān)斷后，在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)加在該閥上的電壓為正時，立即重新導(dǎo)通，則發(fā)生了倒換相，使預(yù)計開通的閥重新關(guān)斷，這種現(xiàn)象稱之為換相失?。铱梢钥吹街绷麟妷弘娏靼l(fā)生振蕩。發(fā)生換向失敗的原因是在故障剛剛發(fā)生時，因為在反向電壓期間系統(tǒng)喪失阻斷能力，如若在閥上施加正向

86、電壓，系統(tǒng)將再次導(dǎo)通。此時，直流電流迅速增長到2 p.u.。在t=0.8s時開始恢復(fù)，接著參考電流調(diào)節(jié)為0.3 p.u.，再經(jīng)0.35s后系統(tǒng)恢復(fù)正常。</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　這次設(shè)計的題目是高壓直流輸電系統(tǒng)的MATLAB仿真，所以主要針對的是高壓直流輸電系統(tǒng)的介紹以及各個故障波形的研究，是使用MATLAB中的Simulink

87、功能對HDVC系統(tǒng)建模以及仿真的一個過程。</p><p>　　高壓直流輸電的歷史也很悠久，尤其是在現(xiàn)在技術(shù)較為成熟的前提下，逐漸體現(xiàn)出了優(yōu)于交流輸電的特點。而且HDVC的成本較低，可控性良好，在遠(yuǎn)距離大功率輸電的選擇上幾乎已經(jīng)優(yōu)于交流輸電。在未來我國的西電東送以及其他輸電項目中，高壓直流輸電變的愈來愈重要。</p><p>　　高壓直流輸電系統(tǒng)中主要是由四部分組成：換流變壓器、換流器等換

88、流裝置，以及濾波器和平波電抗器等用以調(diào)節(jié)保持運行穩(wěn)定的裝置。高壓直流輸電系統(tǒng)中大多采用6脈動換流單元和12脈動換流單元，各個換流單元可獨立運行，多單元連接在其中一個單元發(fā)生故障時仍可以繼續(xù)工作。</p><p>　　高壓直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)日趨完善，結(jié)構(gòu)不再像以往那樣復(fù)雜，而且造價也日趨變低，但仍然需要許多設(shè)備支持。換流閥、換流變壓器等是交直流電間互相轉(zhuǎn)換的前提。交流無功補(bǔ)償裝置用以補(bǔ)償無功功率，平波電抗器和交直流

89、濾波器用以消除諧波，此外，還有遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，交直流開關(guān)設(shè)備等輔助設(shè)備。</p><p>　　HDVC系統(tǒng)由三部分組成，兩端分別是換流站，兩個換流站由中間的直流線路連接。換流站中的設(shè)備均對系統(tǒng)的正常運行發(fā)揮著作用，不同的設(shè)備發(fā)生故障對于波形的影響也是不同的。于是在本文中挑選了幾個較為常見的故障在Simulink的模型中仿真。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

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95、Ali-Zada,K.Rajdabl, R.Al–Zada．A FACTS Technique for Converting Existing AC Transmission into HVDC．[M]．2001 IEEE</p><p>　　[18] FARUQUE M O，ZHAN Y Y DINAVAHI V．Detailed Modeling of CIGRE HVDC Benchmark System

96、Using PSCAD／EMTDC and PSB／SIMULINK[J]．IEEE Transactions on Power Delivery, 2006</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　最早得知要做畢業(yè)設(shè)計時還是在三個月之前，而如今我已臨近畢業(yè)，正可謂時間從指縫中流逝。三個月過去了，這一篇高壓直流輸電的畢業(yè)設(shè)計也臨近尾聲。在此次本次

97、畢業(yè)設(shè)計論文中，導(dǎo)師給了我極大的幫助，包括選題、論證方式以及結(jié)論分析。在整個畢業(yè)設(shè)計論文的進(jìn)行過程中，我遇到了許多困難，包括對知識背景的不熟悉，以及最初接觸課題時無從下手。但是經(jīng)過了三個月的學(xué)習(xí)，我對高壓輸電這方面的知識又有了新的更為系統(tǒng)的了解，這離不開自身的努力同時也離不開導(dǎo)師給我的極大幫助。</p><p>　　此外，在畢業(yè)論文設(shè)計之中，伴隨了我四年大學(xué)生活的朋友們也給了我極大的幫助。雖然我們在進(jìn)行不同的課題

98、，可是在這三個月之中，我們互相交流彼此的認(rèn)知，潛移默化之中開拓了自己的視野，隱形中幫助彼此解決了許多論文設(shè)計中的困難。所以在臨近畢業(yè)之時我想借此表達(dá)向你們誠摯的感謝，是因為有你們的陪伴，是因為有和你們一起探討知識的經(jīng)歷，我們才會彼此進(jìn)步、彼此成長，解決這一路上遇到的艱難險阻。</p><p>　　還有即將就要成為我母校的山東農(nóng)業(yè)大學(xué)。在這大學(xué)四年里，我從懵懂的高中生成長為了對自己、對社會、對世界有一定看法的成年人

99、。在這個大熔爐之中，我不僅學(xué)到了許多專業(yè)知識讓我獲得了一技之長，也在和大家的交流中逐漸成長為一位思想完善的人。這讓我在進(jìn)入社會之前能夠歷練自己，做好踏入社會的充分準(zhǔn)備。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計論文要完成了，我的大學(xué)生活也要結(jié)束了。感謝一路上陪伴我的家人朋友，感謝一路上幫助我的師長同學(xué)。人生就是一個學(xué)習(xí)的過程，希望在以后的道路中我也可以像現(xiàn)在一樣，篤定、認(rèn)真、靜下心來學(xué)習(xí)，也希望大家能在將來的生活中一切順利，