電力電子高壓直流輸電報告課件

1、一、高壓直流輸電的簡介 高壓直流輸電是電力電子技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，與其他的應(yīng)用技術(shù)相比，實(shí)用化較早，電壓與功率等級最高。高壓直流輸電是指將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流器轉(zhuǎn)變成直流電（即整流），然后通過輸電線路把直流電送入受電端，再把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姽┙o用戶使用（即逆變）。相控整流及有源逆變是其理論基礎(chǔ)與核心技術(shù)。高壓直流輸電具有傳輸功率大、線路造價低、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前解決高電壓大容量長距離輸電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。二、高壓直流輸電的特點(diǎn) 與交流輸電相比，高壓直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)如下：高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)（1） 直流輸電架空線路的造價低、損耗小。（2） 高壓直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定性問

2、題，直流電纜中不存在電容電流，因此有利于遠(yuǎn)距離大容量送電（3） 高壓直流輸電可以實(shí)現(xiàn)額定頻率不同的電網(wǎng)的互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)額定頻率相同但非同步運(yùn)行的電網(wǎng)的互聯(lián)。（4） 采用高壓直流輸電易于實(shí)現(xiàn)地下或海底電纜輸電。（5） 高壓直流輸電容易進(jìn)行潮流控制，并且響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精確，操作方便。而交流線路的潮流控制比較困難（6） 高壓直流輸電工程便于分級分期建設(shè)和增容擴(kuò)建，有利于及早發(fā)揮投資效益。高壓直流輸電的缺點(diǎn)（1） 直流輸電的換流站比交流變電站設(shè)備多、造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高。（2） 換流器工作時需要消耗較多的無功，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。（3） 換流器工作時，在直流側(cè)和交流側(cè)均產(chǎn)生諧波，必須裝設(shè)諧波

3、裝置，使換流站的造價，占地面積和運(yùn)行費(fèi)用大幅度提高（4） 直流電流沒有電流的過零點(diǎn)，滅弧較難。因此高壓直流短路器制造困難，不能形成直流電網(wǎng)。（5） 直流輸電利用大地（或海水）為回路會產(chǎn)生一系列技術(shù)性問題。如接地極附近直流電對金屬構(gòu)件的電腐蝕問題，對通信系統(tǒng)干擾等、單極運(yùn)行時變壓器的直流偏磁而引起的噪聲等問題。三、高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件（1） 換流器。換流器由閥橋和帶載抽頭切換器的整流變壓器構(gòu)成。閥橋?yàn)楦邏洪y構(gòu)成的6脈波或12脈波的整流器或逆變器。換流器的任務(wù)是完成交直或直交轉(zhuǎn)換。（2） 濾波器。換流器在交流和直流兩側(cè)均產(chǎn)生諧波，會導(dǎo)致電容器和附近的電機(jī)過熱，并且會干擾通信系統(tǒng)。因此，在交

4、流側(cè)和直流側(cè)都裝有濾波裝置。（3） 平波電抗器。平波電抗器電感值很大，在直流輸電中有著非常重要的作用：降低直流線路中的諧波電壓和電流。限制直流線路短路期間的峰值電流。防止逆變器換向失敗。防止負(fù)荷電流不連續(xù)。（4） 無功功率源。穩(wěn)態(tài)條件下，換流器所消耗的無功功率是傳輸功率的50%左右，在暫態(tài)情況下，無功功率的消耗更大。因此，必須在換流器附近提供無功電流。（5） 直流輸電線。直流輸電線既可以是架空線，也可以是電纜。（6） 電極。大多數(shù)的直流聯(lián)絡(luò)線設(shè)計線設(shè)計采用大地作為中性導(dǎo)線，與大地相連接的導(dǎo)體（即電極）需要有較大的表面積，以便使電流密度和表面電壓梯度較小。（7） 交流斷路器。為了排除變壓器故障和

5、使直流聯(lián)絡(luò)線停運(yùn)，在交流側(cè)裝有斷路器。四、基本模塊化分析換流器 換流器的功能是實(shí)現(xiàn)交流直流或直流交流的交換，是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。換流器的主要元件是閥橋和換流變壓器。換流器作為直流輸電最基礎(chǔ)的功能模塊，是直流輸電得以實(shí)現(xiàn)的最根本的條件。在仿真設(shè)計中，也是必須以換流器為中心。在設(shè)計12脈波換流器時，首先要實(shí)現(xiàn)6脈動換流器的功能。這里首先介紹6脈動換流器。6脈波換流器分為6脈波整流器和6脈波逆變器（1）6脈波換流整流器圖16脈波換流器其實(shí)是課本上第二章介紹的三相橋式全控整流電路，電路圖如圖1。這里以電阻性負(fù)載為例，各元件參數(shù)均為默認(rèn)值，只為測試功能。三相交流電源相電壓彼此相差120度，線電壓彼

6、此相差60度，一個周期六個脈波。下面介紹各個元件的功能三相電源經(jīng)過變壓器到副邊經(jīng)過晶閘管整流成六脈波，其中變壓器用的星星連接，晶閘管模塊用的是三相晶閘管構(gòu)成的集成模塊。其中晶閘管的觸發(fā)角需要用Alpha Controller構(gòu)成的觸發(fā)角模塊。通過書中介紹，觸發(fā)角=0度時，恰好，所以這里的電壓傳感器測量的是a,c兩點(diǎn)間的電壓。由于實(shí)際中線路感抗、變壓器漏抗的存在，原邊電壓不可避免會出現(xiàn)高次諧波，這里選用二階低通濾波器，濾去含有的高次諧波，減少測量誤差。之后接入一個由運(yùn)放構(gòu)成的過零比較器，接入Alpha Controller的同步信號輸入端。將一個恒壓源接入Alpha Controller的Alp

7、ha輸入端，通過改變參數(shù)來改變其觸發(fā)角，將一個階躍信號接入Alpha Controller的使能輸入端，保證其Alpha Controller一直工作。下面來測試6脈波整流器的功能觸發(fā)角=0度時的波形，如圖2圖2由圖2可知，在一個周期內(nèi)（0.02s）有六個脈波，但是由于本身器件的傳輸時延，產(chǎn)生的波形不是完全的正弦信號。觸發(fā)角=30度時的波形，如圖3圖3觸發(fā)角=60度時的波形，如圖4圖4觸發(fā)角=120度時的波形，如圖5圖5圖6圖6中的幅值0.0025接近為0，與書中所述相符電阻性負(fù)載時，的移相范圍為，綜合上面幾幅圖像，可以得到如下結(jié)果。（2）6脈波逆變器逆變器與整流器不同之處在有兩點(diǎn)觸發(fā)角不同。

8、整流器的觸發(fā)角，逆變器的觸發(fā)角.逆變器的直流側(cè)應(yīng)有能提供逆變能量的直流電動勢,極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致,其值大于變流器直流側(cè)的平均電壓.6脈波逆變器的電路圖如圖7圖7想要改變觸發(fā)角,調(diào)節(jié)Alpha controller的Alpha輸入端，即恒壓源的參數(shù)想要在直流側(cè)產(chǎn)生所需的電動勢，需要加入了如圖的電動勢，并使其大于經(jīng)過變壓器降壓的三相電壓的幅值。測試6脈波逆變器的功能，波形如圖8。圖8在一個周期有六個脈波，幅值為負(fù)值，滿足逆變要求。在設(shè)計好6脈波整流器和6脈波逆變器之后，需要設(shè)計12脈波換流器（3）無反饋12脈波整流器這里首先采用開環(huán)方式（無反饋方式），且先設(shè)計單極性系統(tǒng)。12脈波整流器電路圖

9、如圖9：圖9要想得到12脈波整流器，需要進(jìn)行以下步驟：（1） 將一個6脈波的相位不變，將另一個6脈波的相位移相30度，為后面兩個脈波疊加提供基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)的具體步驟：將第二個6脈波的變壓器變成星三角連接。這樣第二個6脈波的變壓器變換后的電壓信號滯后第一個6脈波的變壓器變換后的電壓信號30度，但是這樣會使幅值減小到原信號的幅值的。為了使幅值保持不變，改變星三角的變壓器的副邊與原邊之比為原來的。（2） 由于第二個6脈波的相位滯后30度，所以第二個晶閘管的觸發(fā)角也要滯后第一個晶閘管的觸發(fā)角30度。實(shí)現(xiàn)的具體步驟：將圖中所示的恒流源幅值升高30。（3） 要想使兩個6脈波信號疊加成12脈波信號，需要將第一個

10、晶閘管的負(fù)極性輸出端口與第二個晶閘管的正極性輸出端口相連。完成上述步驟后，測試其功能，波形如圖10：圖10 這樣可以看到圖10中上方的波形為兩個晶閘管模塊整流的各自的電壓波形，在一個周期里有6個脈波，圖10中下面的波形為要求的12脈波整流波形。下面對圖10的兩個波形做進(jìn)一步分析：圖11兩個信號彼此間相差，換算成角度，滿足星三角變換的相移要求。（4）無反饋12脈波逆變器在得到12脈波整流器成功之后，仿照相同的步驟，將6脈波逆變器改變成12脈波逆變器。12脈波逆變器如圖12所示圖12觸發(fā)角及電動勢選用上面已經(jīng)介紹，這里不再贅述。測試其逆變器功能，得到的波形如圖13所示：圖13得到了12脈波的逆變波

11、形。（5）采用開環(huán)方式下實(shí)現(xiàn)的12脈波直流輸電系統(tǒng)。這里首先需要將前面實(shí)現(xiàn)的12脈波整流器和12脈波逆變器連接在一起，如圖14。圖14由于此系統(tǒng)連線雜亂，且多為重復(fù)部分，因此決定對其進(jìn)行模塊化操作，得到封裝后的電路圖如圖15：圖15 首先，要想得到雙極HVDC系統(tǒng)，必須將第一個單級HVDC系統(tǒng)的整流模塊（逆變模塊）的負(fù)極輸出端（輸入端）接到第二個整流模塊的正極輸出端（輸入端），并使其接地。這里的12脈波整流模塊電路如圖16：圖1612脈波逆變模塊電路如圖17：圖17濾波模塊在下面介紹參數(shù)的時候會介紹，這里首先測試模塊化電路實(shí)現(xiàn)的輸電功能，如圖18：圖18通過對比發(fā)現(xiàn)傳輸時電能有所損耗，不過整流

12、、逆變后均為12脈波，且經(jīng)過傳輸后，電壓變化更加平穩(wěn)可靠。五、反饋調(diào)節(jié)控制方式： 直流輸電系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)，是通過改變線路兩端換流器的觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)的，它能執(zhí)行快速和多種方式的調(diào)節(jié)，不僅能保證直流輸電的各種輸送方式，完善直流輸電系統(tǒng)本身的運(yùn)行特性，還能改善兩端交流系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此，直流輸電的控制調(diào)節(jié)對整個交直流系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的作用。之前設(shè)計中的控制方式是采用開環(huán)控制，不能對輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，下面介紹一種可以對輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的反饋控制方式。1.基本控制原理 本設(shè)計采用定電流和定電壓作為基本的調(diào)節(jié)方式。這種方式中，整流器按定電流調(diào)節(jié)，其基本原理是把系統(tǒng)實(shí)際電流和電流整定值進(jìn)

13、行比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差時，通過改變換流器的觸發(fā)角而使差值消失或減小。逆變器按直流線路末端（或始端）電壓保持一定的方式調(diào)節(jié)，定電壓調(diào)節(jié)的原理和定電流調(diào)節(jié)相似，僅反饋量或被調(diào)量改為相應(yīng)的直流電壓。 要提高功率因數(shù)，必須保證整流器的觸發(fā)延遲角和逆變器的熄弧角盡可能的小。為了確保觸發(fā)前閥上有足夠的電壓，以及留一些升高整流器電壓的裕度來控制直流功率潮流，整流器有一個最小觸發(fā)延遲角限制，約為5度。對于逆變器，必須維持一個確定的最小熄弧角以避免換相失敗。確保換相完成且有足夠的裕度很重要，因?yàn)榧词箵Q相己經(jīng)開始，直流電流和交流電壓仍有可能改變，所以必須要有足夠的換相裕度，一般為 15度左右。2.PI調(diào)節(jié)原理 PI是

14、比例、積分的縮寫。 比例調(diào)節(jié)是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)會立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，以至系統(tǒng)不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。誤差存在,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無誤差,積分調(diào)節(jié)才停止,輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越小,積分調(diào)節(jié)作用就越強(qiáng)，反之Ti大，則積分調(diào)節(jié)作用弱。加入積分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變慢。 對于整流側(cè)來說，PI控制器的控制原理為：當(dāng)電流測量值高于整定值時，PI控制器動作，使出發(fā)延遲角增大，從而減小直流電流使其恢復(fù)至整定值；當(dāng)電流測量值低于整定值時，

15、PI調(diào)節(jié)器動作，使出發(fā)延遲角減小，從而增大直流電流使其恢復(fù)至整定值。其傳遞函數(shù)為： （1）式（1）中，、分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。3.控制電路（1）電路圖設(shè)計 在PSIM仿真電路中，使用電壓傳感器（電流傳感器）獲得電壓（電流）的測量值，用直流電壓源（階躍電壓源）模擬電壓整定值（電流整定值），測量值和整定值經(jīng)過一個加法器做差，得到的差值作為PI控制器的輸入。 我們知道，無論是定電流調(diào)節(jié)還是定電壓調(diào)節(jié)，控制量和受控量，即電流、電壓與觸發(fā)延遲角，它們均為非線性關(guān)系，但電流、電壓和觸發(fā)延遲角的余弦值呈線性關(guān)系，所以PI控制器的輸出實(shí)際上是觸發(fā)延遲角的余弦值。 為了避免過飽和，必須在PI控制

16、器的輸出端加一個限制器。 由于要得到的是觸發(fā)延遲角，而PI控制器的輸出是觸發(fā)延遲角的余弦值，所以在限制器之后加一個反余弦環(huán)節(jié)，以此得到觸發(fā)延遲角。控制電路如圖19所示。圖19 圖20（2）參數(shù)設(shè)計 PI控制器的參數(shù)設(shè)計尤為重要，下面不妨以逆變側(cè)定電壓控制來說明PI控制器參數(shù)的設(shè)計方法。由式（1）的傳遞函數(shù)可得 （2） （3）式（2）、式（3）中，為標(biāo)幺值，為整定值，為測量值。PSIM中的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為（增益，）和（時間常數(shù)，），PI調(diào)節(jié)器的輸入為，有 （4） （5）對照式（4）和式（5）可得 （6）式（6）中，的經(jīng)驗(yàn)值為，的經(jīng)驗(yàn)值為。 整流側(cè)定電流控制的PI控制器的參數(shù)設(shè)計原則與上述一致(

17、把改為即可)。 進(jìn)一步考慮，在逆變側(cè)定電壓控制中，如果整定值和測量值均取正值，則和應(yīng)為負(fù)值，即在基于以上算法得到的結(jié)果前加一個負(fù)號，這主要是因?yàn)槟孀兘呛陀|發(fā)延遲角之間是的關(guān)系（這一點(diǎn)需仔細(xì)體會）。 實(shí)際上，以上得到的僅僅是經(jīng)驗(yàn)值，具體的參數(shù)值應(yīng)取多少要由仿真來確定。除PI控制器的參數(shù)外，限制器的參數(shù)設(shè)定也很重要。整流側(cè)定電流控制中，由于是整流，故觸發(fā)延遲角應(yīng)大于且小于，對應(yīng)的余弦值為大于而小于，基于此可以把限制器的上下限值分別設(shè)為和；逆變側(cè)定電壓控制中，由于是逆變，故觸發(fā)延遲角應(yīng)大于且小于，又考慮到換相裕度角的問題，達(dá)不到，不妨給出的裕度，即最多達(dá)到，故逆變時的余弦值大于而小于，基于此就可以把

18、限制器的上下限值分別設(shè)為和。六、高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析與濾波裝置 任何形式的換流器在換流的同時都會產(chǎn)生諧波，高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波不僅影響這電能的質(zhì)量，而且對電網(wǎng)本身、電網(wǎng)中的電力設(shè)備、計量裝置、保護(hù)裝置、通信系統(tǒng)都會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。采用濾波裝置是對高壓直流輸電系統(tǒng)所產(chǎn)生諧波進(jìn)行抑制的唯一方法。1、高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析： 首先從理論上對高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析，為了使分析得到簡化，并且可以分析得到諧波中的主要成分，在分析中作出如下假設(shè)：（1）交流電壓是三相對稱、平衡的正弦電壓，除了基波以外，沒有任何諧波分量。（2）換流變壓器的三相結(jié)構(gòu)對稱，各相參數(shù)相同。（3）換流器的直流側(cè)接有

19、無限大電感的平波電抗器，直流電流是沒有諧波分量的恒定電流。（4）在同一換流站中，各換流閥以等時間間隔的觸發(fā)脈沖依次觸發(fā)，且觸發(fā)角保持恒定。 然而，實(shí)際上由于計算特征諧波的理想條件是不存在的，以及母線電壓不對稱、變壓器阻抗不對稱以及變壓器的勵磁電流的影響，少量的非特征諧波總是存在的。2、換流站交流側(cè)特征諧波的分析： 在簡化假設(shè)條件下，交流線電流的波形如圖21。 圖21 在忽略換相過程影響的情況下，交流線電流波形由正、負(fù)相間的矩形波組成，波形如圖21所示。矩形波的寬度為，正、負(fù)脈沖間的相位差為。對Y-Y變壓器連結(jié)的6脈波換流橋，交流電流的傅里葉展開式如下：對于Y-D變壓器連結(jié)的6脈波換流橋，交流電流的傅里葉展開式為：對于12脈波換流橋，交流線電流是上述兩電流之和，所以總的線電流為：所以，對于12脈動換流器換流站，交流電網(wǎng)側(cè)只含有次的特征諧波，而且這些諧波的幅值隨著諧波次數(shù)的增加而衰減，第次諧波的幅值是基波的。當(dāng)考慮換相電抗，即變壓器漏抗的影響時，換相重疊角圓滑了線電流波形的矩形邊緣，如圖21中虛線所示，由于閥電流的波形更接近