高壓直流輸電系統(tǒng)的畢業(yè)論文

1、1 緒論 1.1 高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展概況 電力技術(shù)的發(fā)展是從直流輸電技術(shù)是從20世紀(jì)50年代開始得到應(yīng)用，并且在近年來迅速發(fā)展的一項新技術(shù)。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用取得了長足的進步。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前包括在建工程在內(nèi)，世界上已有近百個HVDC工程，遍布5大洲20多個國家。它與交流輸電相互配合，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。直流輸電的發(fā)展可大致分為下面三個階段： （1）1954年以前，試驗階段。由于50年代初交流系統(tǒng)高壓輸電處于發(fā)展的黃金時代，加上當(dāng)時技術(shù)水平的限制，直流輸電發(fā)展緩慢并且不受重視。（2）1954年至1972年，發(fā)展階段。1954年瑞典建成世界上第一條工業(yè)直流輸電線路

2、，標(biāo)志著直流輸電進入實用階段。在這一階段，直流輸電設(shè)備的制造技術(shù)、施工質(zhì)量、運行水平都有了很大的提高。直流輸電技術(shù)應(yīng)用到水下輸電，不同額定頻率交流系統(tǒng)互連，遠距離大功率輸電等多個方面。（3）1972年至今，快速發(fā)展階段。1972年晶閘管閥換流器第一次在工程中應(yīng)用，取代了汞弧閥，使直流輸電技術(shù)提高了一大步。直流輸電技術(shù)得到了普遍的重視1。 1.2 我國高壓直流輸電的發(fā)展 我國對高壓直流輸電的研究起步較晚，從60年代初開始，并由于種種原因中斷了一段時間。70年代前半期才又先后在浙江、上海、北京、西安等地恢復(fù)實驗研究工作。 1977年，在上海建成并投運了我國第一條31kV，4.65MW，地下電纜長8

3、.6km的直流輸電試驗線路。1987年，在浙江舟山投運了±1O0kV，100MW，全長54km的高壓直流工程，這是我國第一條自行設(shè)計、施工、全部設(shè)備國產(chǎn)化的線路。1990年投運的葛洲壩至上海的電壓±500kV，傳輸功率1200MW，輸送距離約1045km的高壓直流輸電線路是我國當(dāng)時規(guī)模最大的直流工程。它的建成標(biāo)志著我國高壓直流輸電技術(shù)上了一個臺階，為今后我國直流輸電的建設(shè)和發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗。2001年天生橋至廣州直流輸電系統(tǒng)投運，其額定工作電壓±500kV，容量1800MW，線路長約965km。南方電網(wǎng)以它為系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線，形成了我國第一個高壓大容量交直流并聯(lián)運行

4、電力系統(tǒng)。20022008年，又有三峽-廣東、貴州-廣東、靈寶背靠背、三峽-上海、貴州-廣東和高齡背靠背6項直流輸電工程投入運行23。2020年前計劃建設(shè)的直流輸電工程： （1）漫灣、糯扎渡送廣東的3000MW工程； （2）溪落渡、向家壩向華中、華東送電16000MW； （3）西南水電送江西、福建的3000MW項目； （4）廣東與海南用宜流電纜聯(lián)網(wǎng)，輸送容量為1000MW。 1.3 高壓直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)缺點 目前我國對高壓直流輸電的應(yīng)用只能算是試驗性階段，與國外發(fā)達國家相比，還有很大差距。隨著我國各大區(qū)電力系統(tǒng)的發(fā)展，高壓直流輸電在形成全國互聯(lián)統(tǒng)一網(wǎng)中的優(yōu)越性將日益突出。因此，加速高壓直流輸電

5、技術(shù)的研究和工程建設(shè)是一項非常緊迫的任務(wù)。 電能的輸送最早是通過直流來實現(xiàn)的，但后來由于多相交流電路原理的逐步完善，出現(xiàn)了交流發(fā)電機、變壓器和感應(yīng)電動機，使得交流電的發(fā)電、變壓、輸送、分配及使用變得更為方便、經(jīng)濟和安全可靠。這樣交流電幾乎完全替代了直流電，并發(fā)展成今日規(guī)模巨大的電力系統(tǒng)。但是隨著高電壓、大容量晶閘管制造水平的提高及控制理論和技術(shù)的發(fā)展，直流輸電技術(shù)越來越被受到重視。特別是在大功率、遠距離、海底電纜送電和交流系統(tǒng)間非同步互聯(lián)等方面，直流輸電相對交流輸電有著明顯的優(yōu)勢。不同于傳統(tǒng)的交流輸電，直流輸電系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：第一，長距離輸電線路建設(shè)費用低。對于架空線路，常見三相交流輸電線路

6、需要三根導(dǎo)線，而單極直流輸電只需兩根導(dǎo)線。當(dāng)用大地或海水作回路時，僅需一根導(dǎo)線，架空線的桿塔載荷小，線路所需走廊較窄。在輸送相同功率的條件下，直流輸電可節(jié)省大量的有色金屬、鋼材、絕緣材料等。對于電纜線路，直流電纜與交流電纜相比，其投資和運行費用都更為經(jīng)濟。 第二，適宜于遠距離輸電。高壓交流輸電線路單位長度的分布電容較大，為避免輸電線過負荷，其輸送的交流容量遠低于自然功率。同時，交流輸電線路末端或中間因電容效應(yīng)而使電壓升高，需在線路中安裝并聯(lián)電抗器補償，以確保其正常運行。而采用直流輸電就無此弊端。第三，通過直流輸電線路連接的兩端交流輸電系統(tǒng)不需要同步運行，并且輸電距離不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的

7、限制。在電力系統(tǒng)中的所有發(fā)電機都要保持同步運行。如果輸送功率過大或輸電距離過長，線路兩端功角差過大，就不能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。所以為了增加交流輸電能力，常需要采取一些措施如增設(shè)串補、靜補、調(diào)相機和開關(guān)站等。這樣勢必增加了費用，提高了交流輸電線路的成本。而直流輸電，由于不存在電抗，也就不存在系統(tǒng)穩(wěn)定的問題。同時，由于直流輸電與系統(tǒng)頻率、相位無關(guān)，故直流輸電可連接兩個頻率不相同的交流系統(tǒng)。這樣既可以得到聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟效益，又可以避免兩互聯(lián)電網(wǎng)間事故的相互影響，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。 第四，調(diào)節(jié)快速、運行可靠。直流輸電通過可控硅換流器能容易的快速調(diào)整有功功率和實現(xiàn)“潮流翻轉(zhuǎn)”，這樣不僅在正

8、常運行時能保證穩(wěn)定的輸出，而且在事故情況下，可以由正常的交流系統(tǒng)向另一端事故系統(tǒng)進行緊急支援，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：或者在交直流線路并列運行時，當(dāng)交流線因擾動引起輸送功率變換時，可迅速調(diào)節(jié)直流輸電的功率，以抵消交流輸電系統(tǒng)因擾動引起的功率變換量，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性。第五，限制系統(tǒng)的短路電流。用交流線路互聯(lián)的電力系統(tǒng)，電力短路電流隨系統(tǒng)容量的增加而增大?？赡軙霾糠衷袛嗦菲鞯恼跀嗳萘?。而利用直流線路連接的兩個交流系統(tǒng)，由于直流聯(lián)絡(luò)線的電流能按定值迅速加以控制，因此兩個系統(tǒng)各自的短路容量不會因為互聯(lián)而有明顯的增大。此外，當(dāng)直流線路發(fā)生短路故障時，同樣也可以通過整流器的調(diào)節(jié)來限制短路電流。

9、在直流線路電容放電電流消失之后，短路電流的峰值一般可控制到線路額定電流的1.72倍。第六，接線方式靈活，提高了運行可靠性。直流輸電接線方式有雙極、單極大地回線、單極雙線并聯(lián)大地回線和金屬回線等，可按需要選擇。一般，正常運行采用雙極方式，一根導(dǎo)線是正極，另一根是負極，中性點接地。當(dāng)一根導(dǎo)線或一極發(fā)生故障時，另一極的另一根導(dǎo)線能以大地作回路，繼續(xù)輸送一半或全部功率；如果設(shè)備絕緣薄弱或線路沿線某段霧大，還可降壓運行，從而提高了運行的可靠性。第七，可以分段建設(shè)，分期投資。直流輸電可方便地進行分期建設(shè)和增容擴建，有利于發(fā)揮投資效益。雙極直流輸電工程科按極來分期建設(shè)，先建一個極單極運行，后再建另一個極。也

10、可以每極選擇兩組基本換流單元（串聯(lián)接線或并聯(lián)接線），第一期先建一組（為輸送容量的1/4）單極運行；第二期再建一組（為輸送容量的1/2）雙極運行；第三期再增加一組，可雙極不對稱運行（為輸送容量的3/4），當(dāng)兩組換流單元為串聯(lián)接線時，兩極的電壓不對稱，為并聯(lián)接線時，則兩極的電流不對稱；第四期則整個雙極工程完全建成。 直流輸電與交流輸電相比，也有如下缺點： （1）直流輸電換流站比交流變電站的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、損耗大、運行費用高、可靠性也較差。通常交流變電站的主要設(shè)備是變壓器和斷路器，而直流換流站除換流變壓器和相應(yīng)的斷路器以外，還有換流器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、無功補償設(shè)備以及各

11、種類型的交流和直流避雷器等。因此，換流站的造價比同樣規(guī)模的交流變電站的造價要高出數(shù)倍。由于設(shè)備多，換流站的損耗和運行費用也相應(yīng)增加，同時換流站的運行和維護也較復(fù)雜，對運行人員的要求也較高。（2）換流器對交流側(cè)來說，除了是一個負荷（在整流站）或電源（在你逆變站）以外，它還是一個諧波電流源。它畸變交流電流波形，向交流系統(tǒng)發(fā)出一系列的高次諧波電流，同時也畸變了交流電壓波形。為減少流入交流系統(tǒng)的諧波電流，保證換流站交流母線電壓的畸變率在允許的范圍內(nèi)，必須裝設(shè)交流濾波器。另外，換流器對直流側(cè)來說除了是一個電源（在整流站）或負荷（在逆變站）以外它還是一個諧波電壓源。它畸變直流電壓波形、向直流側(cè)發(fā)出一系列的

12、諧波電壓，在直流線路上產(chǎn)生諧波電流。為了保證直流線路上的諧波電流在允許的范圍內(nèi)，在直流側(cè)必須裝設(shè)平波電抗器和直流濾波器。交、直流濾波器使換流站的造價、占地面積和運行費用均大幅度提高。同時也降低了換流站的運行可靠性。（3）晶閘管換流器在進行換流時需要消耗大量的無功功率（占直流輸送功率的40%60%），每個換流站均需裝設(shè)無功補償設(shè)備；當(dāng)交流濾波器所提供的無功功率不能滿足無功補償?shù)囊髸r，還需靜電電容器；當(dāng)換流站接于弱交流系統(tǒng)時，為提高系統(tǒng)動態(tài)電壓的穩(wěn)定性和改善換相條件，有時還需要裝設(shè)同步調(diào)相機或靜止無功補償裝置，這同樣要增加換流站的投資和運行費用。當(dāng)采用新型可關(guān)斷半導(dǎo)體器件或電容換相換流器時，無功

13、補償問題將會得到解決。 （4）直流輸電利用大地（或海水）為回路而帶來的一些技術(shù)問題。如接地極附近地下（或海水中）的直流電流對金屬構(gòu)件、管道、電纜等埋設(shè)物的電腐蝕問題；地中直流電流通過中性點接地變壓器使變壓器飽和所引起的問題；對通信系統(tǒng)和航海磁性羅盤的干擾等。對于每項具體的直流輸電工程，在工程設(shè)計時，對上述問題必須進行充分的研究，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。 （5）直流斷路器由于沒有電流過零點可以利用，滅弧問題難以解決，給制造帶來困難。國外雖然對直流斷路器進行了大量的研究和試制，但是到目前為止仍然沒有滿意的產(chǎn)品提供給工程使用，使多端直流輸電工程發(fā)展緩慢。近年來，利用直流輸電的快速控制，在工程上已可以解

14、決多端直流輸電的故障處理等問題，但其控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，仍需要在實際工程中進行考驗和改進。當(dāng)采用新型可關(guān)斷半導(dǎo)體器件進行換流時，直流斷路器的功能將由換流器來承擔(dān)，這一問題將得到解決4。 1.4 高壓直流輸電的應(yīng)用 根據(jù)以上分析并結(jié)合本論文的思想，現(xiàn)在將高壓直流輸電系統(tǒng)的主要應(yīng)用述述如下：(l) 遠距離大功率輸電。 (2) 直流電纜送電。由于交流電纜存在較大的電容電流，海底電纜長度超過等價距離時，采用直流輸電無論是經(jīng)濟上還是技術(shù)上都較為合理。 (3) 電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。 (4) 現(xiàn)有交流輸電線路的增容改造。 (5) 輕型直流輸電（HVDC Light）。 以上五點是直流輸電的主要應(yīng)用。此外，直流輸電的

15、應(yīng)用范圍廣泛，還可用于磁流體發(fā)電、太陽能電池、燃料電池和熱核聚變直接發(fā)電等多種新型發(fā)電方式的配套和超導(dǎo)輸電等方面5。2 高壓直流輸電系統(tǒng)接線方式 2.1 單極系統(tǒng) 高壓直流輸電系統(tǒng)的接線方式可分為三種方式:單極連接，雙極連接和背靠背接線方式。 單極直流輸電系統(tǒng)可以采用正極性和負極性。換流站出線端對地電位為正的稱為正極，為負的稱為負極，與正極或負極相連的輸電導(dǎo)線稱為正極導(dǎo)線或負極導(dǎo)線，也可以稱為正極線路或負極線路。單極系統(tǒng)的接線方式有單極大地（海水）回線方式和單極金屬回線方式兩種。 （1）單機極大連線方式：單極連接是用一根架空導(dǎo)線或電纜線，以大地或海水作為返回線路組成直流輸電系統(tǒng)。如圖2.l所示

16、這種方式。由于正常運行時電流需流經(jīng)大地或海水，因此要注意接地電極的材料、埋設(shè)方法和對地下埋設(shè)物的腐蝕以及對地下通訊線路、航海羅盤的影響等問題，通常用正極接地方式較多6。 1-換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-直流輸電線路；5-接地極系統(tǒng)；6-兩端交流系統(tǒng)圖2.1 單極大地回線方式接線圖（2）單極金屬回線方式：單極金屬回線方式是利用兩根導(dǎo)線構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，見圖2.2,其中一根低絕緣的導(dǎo)線（也稱金屬返回線）用來代替單極大地回線中的地回線。這種方式避免了電流從大地或海水中流過，又把某一導(dǎo)線的電位鉗位到零。其缺點是當(dāng)負荷電流在流過導(dǎo)線時，要產(chǎn)生不小的電壓降，所以仍要考慮適當(dāng)?shù)慕^緣強度。

17、這種方式大多用于無法采用大地或海水作為回路以及作為雙極方式的過渡方案。1-換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-直流輸電線路；5-接地極系統(tǒng)； 6-兩端交流系統(tǒng)圖2.2 單極金屬回線方式接線圖此外，當(dāng)雙極直流輸電工程在單極運行時，還可以接成雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式，其接線圖如圖2.3所示。1-換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-直流輸電線路；5-接地極系統(tǒng)； 6-兩端交流系統(tǒng)圖2.3 雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線方式接線圖2.2 雙極系統(tǒng) 雙極線路方式有兩根不同極性的導(dǎo)線，即一正一負。可具有大地回路或中性回路，分述如下：（1）雙極兩端中性點接地方式：如圖2.4所示這種方式是將整流站和逆變站的

18、中性點均接地，雙極對地電壓分別為+V和-V。正常運行時，接地點之間沒有電流通過。 實際上，由于兩側(cè)變壓器的阻抗和換流器控制角的不平衡，總有不平衡電流以大地作為回路流過。當(dāng)一線路故障切除后，可以利用健全極和大地作為回路，維持單極運行方式。1-換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-直流輸電線路；5-接地極系統(tǒng)； 6-兩端交流系統(tǒng)圖2.4 雙極兩端中性點接地方式接線圖（2）雙極一端中性點接地方式：這種運行方式如圖2.5所示，它是在整流側(cè)或逆變側(cè)中性點單端接地，正常運行時和上述方式相同。但是一線故障時，就不可以繼續(xù)運行了。1-換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-直流輸電線路；5-接地極系

19、統(tǒng)； 6-兩端交流系統(tǒng)接地方式接線圖圖2.5 雙極一端中性點（3）雙極金屬中性線方式：將雙極兩端的中性點用導(dǎo)線連接起來，就構(gòu)成雙極中性線方式，見圖2.6所示。這種方式是在整流側(cè)或逆變側(cè)任一端接地，當(dāng)一極發(fā)生故障時，能用健全極繼續(xù)輸送功率，同時避免了利用大地或海水作為回路的缺點。這種方式由于增加了一根導(dǎo)線，在經(jīng)濟上將增加一定的投資7。換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-直流輸電線路；5-接地極系統(tǒng)； 6-兩端交流系統(tǒng)圖2.6 雙極金屬中性線方式接線圖2.3 背靠背換流方式 如圖2.7所示，沒有直流輸電線路，而將整流站和逆變站建在一起的直流系統(tǒng)稱為“背靠背”換流站。這種方式用于不同額定頻率

20、或者相同額定頻率非同步運行的交流系統(tǒng)的互聯(lián)。背靠背直流輸電系統(tǒng)的主要特點是直流側(cè)可以選擇低電壓大電流，可充分利用大截面晶閘管的通流能力，同時直流側(cè)設(shè)備也因直流電壓低而使其造價也相應(yīng)降低。背靠背直流輸電由于整流器和逆變器均裝設(shè)在一個閥廳內(nèi)，直流側(cè)諧波不會造成對通信線路的干擾，因此可降低對直流側(cè)濾波的要求，省去直流濾波器，減小平波電抗器的電感值。這樣，整個直流系統(tǒng)的絕緣費用可以降低，有色金屬的消耗量和電能耗損較少。目前世界各國己修建和準(zhǔn)備投建的“背靠背”直流工程較多，其主要優(yōu)點是有利于系統(tǒng)增容時限制短路容量，從而不致更換大量的電氣設(shè)備。背靠背HVDC系統(tǒng)可根據(jù)互聯(lián)的目的和要求的可靠性而設(shè)計成單極或

21、雙極運行8。大多數(shù)點對點(兩端)帶線路ss的HVDC輸電系統(tǒng)是雙極的，只在偶發(fā)事故時作單極運行。1-換流變壓器；2-換流器；3-平波電抗器；4-兩端交流系統(tǒng)圖圖2.7 背靠背換流站原理接線圖2.4 高壓直流輸電系統(tǒng)的元件 HVDC系統(tǒng)主要由換流站(有整流站和逆變站)和HVDC線路組成，主要包括換流器、直流平波電抗器、交直流濾波器、無功補償裝置、直流輸電線路以及電極。下圖是一個雙極聯(lián)絡(luò)線系的基本組成元件示意圖，其他類型的接線，其主要元件與此圖所示基本相同。下面分別介紹如下:圖2.8 兩端高壓直流輸電系統(tǒng)的主要設(shè)備圖2.8中主要設(shè)備如下： (1)換流變壓器。換流變向閥橋提供適當(dāng)?shù)燃壍牟唤拥厝嚯妷?/p>

22、源。由于變壓器閥側(cè)不接地，直流系統(tǒng)能建立自己的對地參考點，通常將閥換流器的正端或負端接地。 (2)換流器(閥橋)。它們完成交-直流和直一交流轉(zhuǎn)換。換流器包括6脈動或12脈動安排的高壓閥。(3)直流平波電抗器。這些大電抗具有很大的電感值，可以降低直流線路中的諧波電壓和電流，防止逆變器換相失敗，防止輕負荷電流不連續(xù)，限制直流電流短路期間整流器中的峰值電流。(4)諧波濾波器。換流器在運行時在交流和直流兩側(cè)均產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，這些諧波會導(dǎo)致電容器和附近的電機過熱，并干擾遠動通信系統(tǒng)。因此，在交流側(cè)和直流側(cè)都裝有濾波裝置。交流濾波器一般安裝在換流變壓器的交流側(cè)母線上。對單橋用交流濾波器吸收次諧波，

23、對雙橋吸收次諧波。直流濾波器一般安裝在直流線路兩端，用來降低流入直流線路和接地極引線中的諧波分量。單橋時吸收6n次諧波，雙橋時吸收12n次諧波。(5)無功補償裝置。直流換流器運行時需要消耗大量的無功功率。穩(wěn)態(tài)條件下，換流器所消耗的無功功率占傳輸功率的4060左右，而暫態(tài)情況下無功功率消耗更大。因此，必須在換流器附近提供無功電源。對于強交流系統(tǒng)，通常采用并聯(lián)電容補償?shù)男问?。根?jù)直流聯(lián)絡(luò)線和交流系統(tǒng)的要求，部分無功電源可采用同步調(diào)相機、無功補償電容器、交流并聯(lián)電抗器和靜止無功補償器等來提供。用作交流濾波的電容也可提供部分無功功率。(6)電極。大多數(shù)的直流聯(lián)絡(luò)線設(shè)計采用大地作為中性導(dǎo)線，至少在較短的

24、時間內(nèi)是這樣。與大地相連接的導(dǎo)體需要較大的表面積，以便使電流密度和表面電壓梯度最小，這個導(dǎo)體被稱為電極。如果必須限制流經(jīng)大地的電流，可以用金屬性回路的導(dǎo)體作為直流線路的一部分。(7)直流輸電線路。它們可以是架空線，也可以是電纜。背靠背直流輸電工程可以沒有直流輸電線。除導(dǎo)線數(shù)目和所需空間外，直流線路在其他方面與交流線路十分相似。(8)交流斷路器。為了排除變壓器故障和使直流聯(lián)絡(luò)線停運，在交流側(cè)裝有斷路器。由于直流系統(tǒng)故障可以通過換流器的控制更快地切除，所以交流斷路器一般不用來切除直流系統(tǒng)的故障9。2.5 換流器的工作原理 換流技術(shù)是指交流電力與直流電力之間相互交換的技術(shù)。換流器是實現(xiàn)這種交直流變換

25、的主要設(shè)備，是直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分。 換流器的主要元件是閥橋和換流變壓器。安裝在換流站內(nèi)的換流器既可以運行于將交流變成直流的整流狀態(tài)，也可運行于反向變換的逆變狀態(tài)。運行于前一種狀態(tài)的換流器稱為整流器，運行于后一種狀態(tài)的換流器稱為逆變器10。 2.5.1 換流器的基本電路 換流電路有多種可選擇的結(jié)構(gòu)，為保證閥截止時閥上的反向峰值電壓較低，更充分地利用換流變壓器，高壓直流換流器采用三相全波橋式電路為基本模塊，即6脈波換流電路。 此外，比較常用的還有12脈波換流電路，但由于12脈波換流器是由兩個6脈波換流器串聯(lián)而成，因此可用6脈波換流器來進行原理分析，其原理接線圖如圖2.9所示。其中，ea、

26、eb、ec為等值交流系統(tǒng)的基波正弦相電動勢，L為每相的等值換相電抗，Ld為平波電抗值。為了闡述簡潔明晰，在以下的分析中若非特殊說明采用如下假設(shè)條件：(1)三相交流電源的電動勢是對稱的正弦波，頻率恒定。(2)交流電網(wǎng)的阻抗是對稱的，而且換流變壓器的激磁導(dǎo)納忽略不計。(3)直流側(cè)平波電抗器具有很大的電感值，使直流側(cè)電流濾波后其波形是平直的，沒有波紋。(4)閥的特性是理想的，即通態(tài)正向壓降和斷態(tài)漏電流可忽略不計。(5)三相六個閥以l/6周期(60°)的等相位間隔依次輪流觸發(fā)導(dǎo)通11。圖2.9 六脈波整流原理接線圖目前，直流輸電工程廣泛采用的晶閘管換流閥的特點有：(1)換流閥的單向?qū)щ娦浴Q

27、流閥只能在陽極對陰極為正電壓時，才單方向?qū)?。不可能有反向電流。即直流電流不可能有負值?2)換流閥的導(dǎo)通條件是陽極對陰極為正電壓和控制極對陰極加能量足夠的正向觸發(fā)脈沖兩個條件，必須同時具備，缺一不可。換流閥一旦導(dǎo)通，它只有在具備關(guān)斷條件時才能關(guān)斷，否則一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。(3)換流閥的控制極無關(guān)斷能力，只有當(dāng)流經(jīng)換流閥的電流為零時，它才能關(guān)斷（惟一的關(guān)斷條件），是靠外回路的能力來進行關(guān)斷的。換流閥一旦關(guān)斷，只有在具備上述兩個導(dǎo)通條件時，才能導(dǎo)通，否則一直處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，以上基本概念對人們分析換流器的正常工況和故障工況都是很有用的12。 2.6 十二脈波換流器 實際應(yīng)用中，要求將兩個或多個換

28、流橋串接以獲得所要求的較高的直流電壓。 12脈波換流器是由兩個6脈波換流器在直流側(cè)串聯(lián)而成，其交流側(cè)通過換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組而并聯(lián)。換流變壓器的閥側(cè)繞組一個為星形接線，而另一個為三角形接線，從而使兩個6脈波換流器的交流側(cè)，得到相位相差為30º的換相電壓。12脈波換流器可以采用兩組雙繞組的換流變壓器，也可以采用一組三繞組的換流變壓器。圖2.10給出了當(dāng)采用兩組雙繞組變壓器時的12脈波換流器原理接線圖13。圖2.10 12脈波換流器原理接線圖12脈波換流器由V1V12共12個換流閥所組成，圖2.6中所給出的換流序號為其導(dǎo)通的順序號。在每一個工頻周期內(nèi)有12個換流閥輪流導(dǎo)通。它需要12個與

29、交流系統(tǒng)同步的按序觸發(fā)脈沖。脈沖之間的間距為30°。 12脈動換流器的優(yōu)點之一是其直流電壓質(zhì)量好，所含的諧波成分少。其直流電壓為兩個換相電壓相差30º的6脈動換流器的直流電壓之和，在每個工頻周期內(nèi)有12個脈動數(shù)，因此稱為12脈動換流器。直流電壓中僅含有12k次的諧波，而每個6脈動換流器直流電壓中的次的諧波，因彼此的相位相反而互相抵消，在直流電壓中則不再出現(xiàn)，因此有效地改善了直流側(cè)的諧波性能。12脈動換流器的另一個優(yōu)點是其交流電流質(zhì)量好，諧波成分少。交流電流中僅含次的諧波，每個6脈動換流器交流電流中的次的諧波，在兩個換流變壓器之間環(huán)流，而不進人交流電網(wǎng)，12脈動換流器的交流電

30、流中將不含這些諧波，因此也有效地改善了交流側(cè)的諧波性能。對于采用一組三繞組換流變壓器的12脈動換流器，其中變壓器網(wǎng)側(cè)繞組中也不含有次的諧彼，因為每個這種次數(shù)的諧波在它的兩個閥側(cè)繞組中的相位相反，因此在變壓器的主磁通中互相抵消，在網(wǎng)側(cè)繞組中則不再出現(xiàn)。因此，大部分直流輸電工程均選擇12脈動換流器作為基本換流單元，從而可簡化濾波裝置，節(jié)省換流站造價。12脈動換流器的工作原理與6脈動換流器相同，它也是利用交流系統(tǒng)的兩相短路電流進行換相。當(dāng)換相角時，在非換相期兩個橋中只有4個閥同時導(dǎo)通（每個橋中2個），而當(dāng)有一個橋進行換相時，則同時有5個閥導(dǎo)通（換相的橋中有3個，非換相的橋中有2個），從而形成在正常運

31、行時4個閥和5個間輪流交替同時導(dǎo)通的”45”工況，它相當(dāng)于6脈動換流器的“23”工況。當(dāng)換相角時，兩個橋中總有 5個閥同時導(dǎo)通，在一個橋中一對閥換相剛完，在另一個橋中另一對間緊接著開始換相，而形成“5”工況。在“5”工況時，為常數(shù)。當(dāng)時，將出現(xiàn)在一個橋中一對閥尚未結(jié)束之前，在另一個橋中就有另一對閥開始換相。即出現(xiàn)在兩個橋中同時有兩對閥進行換相的時段。在此時段內(nèi)兩個橋共有6個閥同時導(dǎo)通，當(dāng)在一個橋中換相結(jié)束時，則又轉(zhuǎn)為5個閥同時導(dǎo)通的狀態(tài)，從而形成“56”工況。隨著換流器負荷的增大，換相角也增大，其結(jié)果使6個閥同時導(dǎo)通的時間延長，相應(yīng)的5個閥同時導(dǎo)通的時間縮短。當(dāng)時，“5一6工況即結(jié)束。在正常運

32、行時，而不會出現(xiàn)“5一6”工況。只有在換流器過負荷或交流電壓過低時，才可能出現(xiàn)的情況14。12脈動換流器與6脈動換流器的另一個主要區(qū)別是當(dāng)兩橋之間有耦合電抗存在時，則會產(chǎn)生兩橋在換相時的相互影響。具有多于兩個橋的換流器，則可具有更高的脈動數(shù)。這在理論上是可以的，但這時換流變壓器接線要求比12脈波時復(fù)雜，而且整個系統(tǒng)的可靠性降低。因此，實際工程中一般采用這種12脈波的雙橋換流器 1516。2.7 直流輸電系統(tǒng)的基本控制原理 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)本身的運行特性，而且還能改善

33、兩端交流系統(tǒng)的運行性能。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)濟運行起著重要的作用。結(jié)合前面的分析，圖2.11所示雙極直流輸電線路的一個極或者一個單極直流輸電線路可以用圖2.11所示的等值電路來表示。圖2.11 高壓直流系統(tǒng)等值電路圖圖中，Vdr和Vdi分別表示整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電壓； Ldr和Ldi分別表示整流側(cè)和逆變器平波電抗器的電感值；Ld 和Rd分別為二分之一直流線路電感值和電阻值；Cdc為直流輸電線路總的接地電容；Idr和Idi分別表示整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電流；Vc為電容上的電壓值；Vdor和Vdoi分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的理想空載直流電壓；為整流器的觸發(fā)延遲角，為逆變器

34、的觸發(fā)延遲角；Rcr和Rci分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的等效換相電阻17。 （2.1） Xcr和Xci分別為逆變器的換流電抗18。其中，理想空載直流電壓與交流電壓的關(guān)系為: （2.2）式中，B為串聯(lián)換流橋的數(shù)目。 由圖2.11應(yīng)用電路理論，可列寫出直流輸電線路的動態(tài)方程組為: （2.3）同樣，根據(jù)等值電路圖，利用電路理論得出，整流器和逆變器的直流輸出電壓的表達式為: （2.4）其中Vdr為整流側(cè)換流變壓器二次側(cè)的線電壓，Vdi為逆變側(cè)換流變壓器二次側(cè)的線電壓。分別代入式 （2.4）到式（2.3）中，可得直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型19： （2.5）當(dāng)直流系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時(此時，對地電容Cd，可忽略)，直

35、流電流恒定，即:。由式（2.5）可得： （2.6）同時，由圖2.11和以上分析可得，整流端的功率為 （2.7）逆變側(cè)的功率為: （2.8）2.8 直流輸電系統(tǒng)的基本控制方式 高壓直流輸電系統(tǒng)是高度可控的，其運行依賴于這種可控性的正確應(yīng)用，以保證系統(tǒng)有期望的性能。高壓直流輸電系統(tǒng)采用分層控制方式，目的在于使系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運行和保持功率控制的最大靈活性，同時保證設(shè)備的安全。系統(tǒng)中最底層的控制就是整流器的本地控制(極控制)20。2.8.1 控制的基本原則 根據(jù)上述分析和圖2.12可得出直流輸電系統(tǒng)簡單等值電路圖和電壓分布圖，如圖所示。等值電路電壓分布圖2.12 HVDC 輸電聯(lián)絡(luò)線高壓直流系統(tǒng)通過控

36、制整流器和逆變器的內(nèi)電勢來控制線路上任一點的直流電壓以及線路電流(或功率)。具體的說，從式2.5可以看出，改變直流電流(或功率)可以從兩個方面來進行調(diào)節(jié)：(1)調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)延遲角或逆變器的熄弧角 (越前角聲)，即調(diào)節(jié)加到換流閥控制極的觸發(fā)脈沖相位。采用這種方式調(diào)節(jié)不但調(diào)節(jié)范圍大，而且非常迅速，是直流輸電系統(tǒng)主要的調(diào)節(jié)手段。(2)調(diào)節(jié)換流器的交流電勢。一般靠調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁或改變換流變壓器分接頭來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)速度相對較慢，是直流輸電系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)方式。出于以下幾個目的，必須保持輸電系統(tǒng)送端和受端的功率因數(shù)盡可能的高:1) 在給定變壓器和閥的電流電壓額定值的條件下，使換流器的功率較高；2) 減輕閥

37、上的壓力；3) 減少與直流系統(tǒng)連接的交流系統(tǒng)的損耗；4) 在負荷增加時，使交流終端的電壓降最??；5) 減少換流器損耗的無功功率。要得到高功率因數(shù)，必須保持整流器的觸發(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，整流器有一個最小角限制，約為5°。還必須留一些升高整流器電壓的裕度來控制直流功率潮流。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，這樣可以保證在=180。或=0°換相電壓反向之前去游離。因為即使換相己經(jīng)開始，直流電流和交流電壓仍有可能改變，所以在最小了角限制的基礎(chǔ)上必須有足夠的換相裕度，一般15

38、76;左右21。2.8.2 理想控制特性 為了滿足上述控制的基本原則，應(yīng)該將電壓調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)加以區(qū)別，并將它們分置在不同的換流端。在正常運行條件下，整流器運行于恒定電流狀態(tài)（CC）以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，逆變器運行于恒定熄弧角（CEA）狀態(tài)以維持足夠的換相裕度。系統(tǒng)正常狀態(tài)伏安特性圖如圖2.13所示22。圖2.13 理想伏安特性圖2.13中以電壓Vd和電流Id形成坐標(biāo)，AB、CD線上的點與整流器端測量的值對應(yīng)，從而逆變器特性包括了線路上的電壓降。一般換相電阻略大于線路電阻，逆變器的特性直線斜率為負且較小，如圖中CD線。E點為理想穩(wěn)態(tài)運行點，同時滿足整流器和逆變器的特性。2.8.3 實際控制特性整流

39、器通過改變角來保持恒定電流。但是角不能小于其最小值(min )，一旦達到min就不可能再升高電壓，整流器將運行在恒觸發(fā)角狀態(tài)。所以，整流器特性曲線實際上有兩部分，如圖2.14中AB和FA所示。FA部分對應(yīng)于定觸發(fā)角控制方式，AB段表示正常的定電流控制方式。圖2.14 實際穩(wěn)態(tài)伏安特性在實際的系統(tǒng)中，由于電流調(diào)節(jié)器的增益有限，定電流特性直線可能稍有傾斜，如圖中GH 和AB 所示。在正常電壓下，逆變器的定熄弧角（CEA）特性曲線和整流器特性曲線相交于E。但逆變器的定熄弧角特性線(CD)不會與降低電壓情況下整流器特性曲線(FAB)相交。所以，整流器電壓的大幅度降低會引起電流和功率在短時間內(nèi)下降到零，

40、從而造成系統(tǒng)停運。為了避免上述問題，逆變器也必須配置定電流控制器，而且其整定電流值要比整流器定電流控制器的整定電流值小，它們的差值為電流裕度，如圖2.14中Im所示。電流裕度可以確保兩條定電流特性曲線不會相交。這樣完整的逆變器特性曲線包括兩部分。定熄弧角特性曲線和定電流特性曲線，如圖2.14中DGH所示。正常運行條件下(如圖2.14中E點)，整流器控制直流電流，逆變器控制直流電壓。整流器電壓降低時，運行條件如圖中的E點所示。此時逆變器進入定電流控制，整流器進入定觸發(fā)角控制，建立電壓23。除了有上述定電流、定熄弧角基本調(diào)節(jié)方式外，也有定電流和定電壓的方式作為基本調(diào)節(jié)方式。此種方式是用一個閉環(huán)電壓

41、控制以保持直流線路某點的電壓恒定，來取代調(diào)節(jié)熄弧角到固定值(CEA)。定電壓控制和定角控制類似，都是逆變器常見的控制方式。但與定角控制相比，定電壓控制方式有利于提高換流站交流電壓的穩(wěn)定性。例如由于某種擾動使逆變站交流母線的電壓下降時，為了保持直流電壓，逆變器的電壓調(diào)節(jié)器將自動地減少角，從而使逆變器的功率因數(shù)提高，消耗的無功功率減小，有利于防止交流電壓進一步下降或阻尼電壓的振蕩。如果逆變側(cè)采用定熄弧角調(diào)節(jié)，則當(dāng)交流電壓下降時，它將增大角以保持熄弧角不變，因此逆變器的功率因數(shù)下降，消耗的無功功率增大，從而交流電壓進一步下降，在某種條件下甚至形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致交流電壓崩潰。定電壓調(diào)節(jié)的另一個優(yōu)點

42、是，在輕負載(直流電流小于額定值)運行時，由于逆變側(cè)的熄弧角比滿載運行時為大，對防止換相失敗更為有利2425。3 高壓直流輸電系統(tǒng)仿真3.1 建模與仿真工具MATLAB/Simulink簡介 Matlab是Math Works公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化數(shù)學(xué)軟件，被譽為“巨人肩上的工具”。Matlab的含義是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境26。在這個環(huán)境下，對所要求求解的問題，用戶只需要簡單地列出數(shù)學(xué)表達式，其結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來。Matlab的推出得到了各

43、個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注，其強大的擴展功能更為各個工程領(lǐng)域提供了分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。 Matlab包括被稱作工具箱（Toolbox）的各類應(yīng)用問題的求解工具。隨著Matlab版本的不斷升級，其所含的工具箱的功能也越來越豐富，因此應(yīng)用范圍也越來越廣泛，成為涉及數(shù)值分析的各類設(shè)計不可或缺的工具。Matlab產(chǎn)品族由以下產(chǎn)品構(gòu)成：Matlab：Matlab Toolbox：Matlab Compiler；Simulink；Stateflow；Real-time workshop；Simulink Blockset27。 Simulink是基于Matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、

44、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。Simulink提供了利用鼠標(biāo)拖放的方法來建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼即完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。除此之外，Simulink還支持Stateflow，用來仿真事件驅(qū)動過程。Simulink是從底層開發(fā)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面，是模塊化了的編程工具，它把Matlab的許多功能都設(shè)計成一個個直

45、觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來就可以實現(xiàn)需要的仿真功能了。也可以根據(jù)自己的需要設(shè)計自己的功能模塊，Simulink功能強大，界面友好，是一種很不錯的仿真工具.用Matlab對高壓直流輸電系統(tǒng)建模有3種方法：第1種是基于Matlab語言的建模與仿真，可根據(jù)HVDC系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型(非線性微分、代數(shù)方程)，采用交流、直流迭代求解技術(shù)，用Matlab語言中 的現(xiàn)成的數(shù)值計算函數(shù)和Jacbi矩陣求解函數(shù)進行計算。其特點是比其它語言(如C、Fortrain)編程簡單 快捷，但仿真計算速度慢；第2種是基于Simulink工具箱的建模與仿真，即將元器件數(shù)學(xué)模型表示成傳遞數(shù)的形式，用Simul

46、ink來建立全系統(tǒng)的仿真模型這種方式必須知道全部元器件詳細的傳函，并且所搭建的仿真系統(tǒng)與實際的物理系統(tǒng)有差距、不直觀修改也不方便；第3種是利用PSB(Power SystemBlockset)庫中已有的電氣元件構(gòu)建HVDC系統(tǒng)仿真模型，這種方法快捷直觀，但隨著新技術(shù)的應(yīng)用，新的元器件的出現(xiàn)，使得原有PSB(Power System Blockset)庫的應(yīng)用受到一定限制綜合以上特點，本文利用Simulink和PSB(Power System Blockset)相結(jié)合的建模方法，直接利用PSB中已有的電力元件搭建HVDC電力原型系統(tǒng)。強大的數(shù)學(xué)運算能力、豐富的繪圖功能和語言的高度集成是MATLA

47、B/Simulink的突出特性，不論是電力網(wǎng)絡(luò)、電力電子還是各種控制系統(tǒng)它都能利用相應(yīng)的PSB工具，在同一個框圖下通過各種變步長積分用狀態(tài)變量法對交直流輸電系統(tǒng)進行仿真；同時Simulink圖形界面為用戶提供了良好的仿真環(huán)境，可實時地顯示結(jié)果。這樣既快捷直觀，又能突出主要研究問題28。 3.2 高壓直流輸電系統(tǒng)的起停和階躍響應(yīng)仿真 直流電壓標(biāo)幺值基值取為500kV，直流電流基準(zhǔn)值取2kA，仿真過程中的直流電壓電流均用標(biāo)幺值表示。仿真時，首先使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，之后對參考電流和參考電壓進行一系列動作，見表3.1。 表3.1 系統(tǒng)控制參數(shù)隨時間變化表序號 時刻/s 動作 1 0 電壓參考值為1p.u

48、2 0.02 變換器導(dǎo)通，電流增大到最小穩(wěn)態(tài)電流參考值3 0.4 電流按指定的斜率增多到設(shè)定值 4 0.7 參考電流下降0.2p.u 5 0.8 參考電流恢復(fù)到設(shè)定值 6 1.0 參考電壓由1p.u跌落到0.9p.u 7 1.1 參考電壓恢復(fù)到1p.u 8 1.4 變換器關(guān)斷 9 1.6 強迫設(shè)置觸發(fā)延遲角到指定值 10 1.7 關(guān)斷變換器 設(shè)置好各子系統(tǒng)的參數(shù)后，即可開始仿真。打開整流器和逆變器示波器，得到電壓和電流波形如圖3.1所示。如圖3.1(a)所示為整流側(cè)得到的相關(guān)波形，從上到下依次為以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實際參考電流、以角度表示的第一個觸發(fā)延遲角

49、、整流器控制狀態(tài)2930。如圖3.1（b）所示為逆變側(cè)得到的相關(guān)波形，從上到下依次以標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電壓和直流側(cè)參考電壓、標(biāo)幺值表示的直流側(cè)線路電流和實際參考電流。以角度表示的第一個觸發(fā)延遲角、逆變器控制狀態(tài)、熄弧角參考值和最小熄弧角。(a)整流側(cè)得到的相關(guān)波形(b)逆變側(cè)得到的相關(guān)波形圖3.1 HVDC 系統(tǒng)啟停和階躍響應(yīng)仿真將表3.1 和圖3.1對應(yīng)起來，可見其仿真的大致過程如下： 1、晶間管在0.02s 時導(dǎo)通，電流開始增大，在0.3s 時達到最小穩(wěn)態(tài)參考值0.1p.u.，同時直流線路開始充電使得直流電壓為1.0 pu.，整流器和逆變器均為電流控制狀態(tài)； 2、0.4s 時，參考電流從0.1pu.斜線上升到10pu.(2kA)，058s時直流電流到達穩(wěn)定值，整流器為電流控制狀態(tài)，逆變器為電壓控制狀態(tài)，直流側(cè)電壓維持為1pu(500kV)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，整流器的觸發(fā)延遲角在165°附近，逆變器的觸發(fā)延遲角