直流輸電系統(tǒng)整流裝置設(shè)計(jì)

西安科技大學(xué)高新學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院課程專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師日期

課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要操作步驟課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)評(píng)語及成績(jī)?cè)u(píng)語成績(jī)指導(dǎo)教師（簽名）日期：

摘要直流輸電是電力系統(tǒng)中近年發(fā)展最快的一項(xiàng)新技術(shù)，直流輸電克服了電感損耗，只有導(dǎo)線損耗。主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、配電網(wǎng)絡(luò)的輕型直流輸電等方面。構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。直流輸電受到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。與直流輸電相關(guān)的技術(shù)，如電力電子、微電子、計(jì)算機(jī)控制、絕緣新材料、仿真以及電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制和規(guī)劃的發(fā)展為直流輸電開辟了廣闊的應(yīng)用前景。直流輸電適應(yīng)與長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大功率輸電，采用交流輸電系統(tǒng)便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。此文在論述直流基本概念、構(gòu)成、整流及發(fā)展主要設(shè)備基礎(chǔ)上，討論了直流輸電的基本工作原理、以及整流的應(yīng)用、直流輸電的控制與保護(hù)并在MATLAB上搭建并仿真了一些直流線路的運(yùn)行。通過對(duì)仿真的不足分析，聯(lián)系到在實(shí)際工程可能存在的問題。關(guān)鍵詞:高壓直流輸電;諧波;濾波器;晶閘管;PI控制;目錄前言 51.1

高壓直流輸電控制部分的課題背景 51.2

本課題研究的主要內(nèi)容及選題的意義 51.3

高壓直流輸電的構(gòu)成 51.3.1

高壓直流輸電的概念 51.3.2

高壓直流輸電的分類 61.課程設(shè)計(jì)的目的 62.課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 62.1課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 62.2課程設(shè)計(jì)要求 73設(shè)計(jì)方案選擇及論證 73.1方案的比較 73.2三項(xiàng)橋式全控整流電路設(shè)計(jì) 84下面簡(jiǎn)單介紹各個(gè)元件的作用: 95高壓直流輸電原理圖及其說明 11總結(jié) 13結(jié)術(shù)語 14參考文獻(xiàn) 15前言1.1

高壓直流輸電控制部分的課題背景

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓直流輸電變得可行，且得以充分的發(fā)揮其各方面的優(yōu)點(diǎn)。目前世界上已近有80項(xiàng)高壓直流輸電工程投入運(yùn)行，我國也有10項(xiàng)高壓直流輸電工程在國家電力網(wǎng)架中應(yīng)用，在優(yōu)化能源配置,保障國家能源安全和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。隨著國家“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略方針的實(shí)施，加快建設(shè)以百萬伏級(jí)交流和±660kV、±800kV、±1000kV級(jí)直流系統(tǒng)特高壓電網(wǎng)為核心的堅(jiān)強(qiáng)的電力網(wǎng)架已成為趨勢(shì)。中國將建設(shè)世界上輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)的高壓直流輸電工程。

在高壓直流輸電中系統(tǒng)控制尤為重要，它決定著整流與逆變能否正常進(jìn)行。1.2

本課題研究的主要內(nèi)容及選題的意義

本課題對(duì)±500kV高壓串聯(lián)12脈波直流單級(jí)輸電整流部分的PI控制器參數(shù)進(jìn)行研究，通過不同參數(shù)下整流效果的不同來找到最適合的PI控制器的參數(shù)。

選題的意義：高壓直流輸電要想得到穩(wěn)定的直流電壓控制部分必須要做好，通過本課題的研究可以找出定電流控制PI控制得到合適的觸發(fā)角，進(jìn)而得到很好整流直流電壓。1.3

高壓直流輸電的構(gòu)成

1.3.1

高壓直流輸電的概念

高壓直流輸電的概念是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電，經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端，再用逆變器將直流電變換成交流電送到受端交流的一種輸電方式。主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大功率輸電和非同步交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，具有線路投資少、不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題、調(diào)節(jié)快速、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。

直流輸電系統(tǒng)：主要由換流站（整流站和逆變站）、直流線路、交流側(cè)和直流側(cè)的電力濾波器、無功補(bǔ)償裝置、換流變壓器、直流電抗器以及保護(hù)、控制裝置等構(gòu)成（見圖直流輸電系統(tǒng)的基本構(gòu)成）。其中換流站是直流輸電系統(tǒng)的核心，它完成交流和直流之間的變換，前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個(gè)或多個(gè)換流橋組成換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流變直流直流變交流的功能。到目前為止工程上絕大部分直流輸電的由半控型的晶閘管器件構(gòu)成。

1.3.2

高壓直流輸電的分類

直流輸電按輸電的極數(shù)可分為單極直流輸電、雙極直流輸電、直流多回線輸電和多端直流輸電?，F(xiàn)在運(yùn)行的直流輸電工程中只有很少的運(yùn)用了多端直流輸電，但也只限于放射式。直流輸電一般采用雙極線路，當(dāng)換流器有一極退出運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)可按單極兩線運(yùn)行，但輸送功率要減少一半。1.課程設(shè)計(jì)的目的（1）有利于基礎(chǔ)知識(shí)的理解（2）有利于邏輯思維的鍛煉（3）有利于其他學(xué)科的整合（4）有利于治學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)2.課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求2.1課程設(shè)計(jì)的任務(wù)(1)高壓直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電經(jīng)整流器變換成直流電輸送至受電端。（2）直流輸電系統(tǒng)主要有換流站、直流線路、電力濾波器、直流電抗器以及保護(hù)控制裝置構(gòu)成。一般用三相橋式整流作為基本單元，實(shí)現(xiàn)交-直-交轉(zhuǎn)換功能。（3）直流輸電可分為單極直流輸電、雙極直流輸電、直流多回路輸電和多端直流輸電。2.2課程設(shè)計(jì)要求（1）隨著全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送的步伐加快，用HVDC在電力系統(tǒng)更具競(jìng)爭(zhēng)力和優(yōu)勢(shì)。（2）高壓直流輸電具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。（3）高壓直流輸電是電力電子技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，是目前解決長(zhǎng)距離輸電的重要手段。3設(shè)計(jì)方案選擇及論證3.1方案的比較直流輸電一般采用雙極線路，當(dāng)換流器有意極退出運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)可按單極兩線用行，但輸送功率減半。單極高壓直流輸電又分為一線一地和單極兩線的方式，即單極大地回線方式和單極金屬回線方式。直流雙極中性點(diǎn)接地方式，線路并聯(lián)多回輸電方式每級(jí)都采用多回輸電線路，可提高輸電的容量、輸電可靠性及可用率。3.2三項(xiàng)橋式全控整流電路設(shè)計(jì)由電力電子器件組成，具有將交流電變?yōu)橹绷麟娀驅(qū)⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟姷脑O(shè)備統(tǒng)稱為換流裝置，或稱為換流器。其中，工作在將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姇r(shí)，換流器處于整流狀態(tài)，此時(shí)的換流器也稱為整流器；工作在將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姞顟B(tài)時(shí)，換流器處于逆變狀態(tài)，此時(shí)的換流器又稱為逆變器。在高壓直流輸電系統(tǒng)中換流器通常采用三相橋式全控?fù)Q流電路作為最基本單元，如圖3所示，由于該電路的直流側(cè)整流電壓在一個(gè)工頻周期中具有6個(gè)波頭，所以三相橋式全控?fù)Q流電路又稱為6脈動(dòng)換流器。當(dāng)兩個(gè)6脈動(dòng)換流器采用直流端串聯(lián)、同時(shí)交流端并聯(lián)方式連接后構(gòu)成12脈動(dòng)換流器。如圖4所示

圖中1-6和1′-6′分別代表一組6脈動(dòng)換流器?，F(xiàn)代高壓直流輸電工程均采用12脈動(dòng)換流器作為基本換流單元。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流器不僅具有整流和逆變的功能，而且整流器還具有開關(guān)的功能。通過對(duì)整流器實(shí)施快速控制，實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)和停運(yùn)。在交、直流輸電系統(tǒng)故障以及故障后的恢復(fù)過程中，對(duì)整流器的快速控制可有效保護(hù)直流輸電系統(tǒng)，同時(shí)也是交流電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。如下圖4所示圖4

脈動(dòng)換流器4下面簡(jiǎn)單介紹各個(gè)元件的作用:（1）變壓器換流（整流和逆變）變壓器向閥橋提供適當(dāng)?shù)牟唤拥厝嚯妷骸Ｓ捎谧儔浩鏖y側(cè)不能接地運(yùn)行，直流系統(tǒng)能建立自己的對(duì)地參考點(diǎn)，通過將換流器的正端或負(fù)端接地。（2）整流器和逆變器在直流輸電系統(tǒng)中完成整流和逆變的任務(wù)，通常接成三相橋式電路。單橋式有6個(gè)晶閘管組和而成，其直流電壓是脈動(dòng)的，雙橋側(cè)有兩個(gè)單項(xiàng)橋式構(gòu)成，其脈動(dòng)電壓是12脈動(dòng)的。（3）平波電抗器平波電抗器的電感一般較大，串聯(lián)在每個(gè)極換流的直流輸出端與直流線之間，它們有以下作用：限制直流系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)直流電流上升率，避免事故的擴(kuò)大；抑制直流側(cè)波的諧波分量，減少對(duì)鄰近高頻通道的干擾；防止直流底負(fù)荷時(shí)直流間斷以及引起過電壓現(xiàn)象的出現(xiàn)；抑制線路電容和換流站直流端容性設(shè)備通過換流器的放電電流，以免損壞閥的原件；對(duì)于沿直線線路向換流站入侵的過電壓起緩沖作用。（4）諧波濾波器 直流輸電中的換流器可以看成一個(gè)諧波源。脈動(dòng)數(shù)為p的換流器，在直流側(cè)會(huì)產(chǎn)生n=kp次諧波，而在交流側(cè)產(chǎn)生n=kp+-1次諧波。這些諧波會(huì)導(dǎo)致電容器和附近的電機(jī)過熱，并干擾遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)。裝設(shè)濾波器可以減少諧波，以降低旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電容器的諧波附加損耗，防止局部過熱和避免諧波諧振過電壓，同時(shí)也降低對(duì)音頻通道干擾影響。因此，在交流側(cè)和直流側(cè)都有濾波器。（5）無功補(bǔ)償裝置直流線路本身在運(yùn)行中不需要無功功率，但是兩端換流器在運(yùn)行中會(huì)消耗大量的無功功率。穩(wěn)態(tài)條件下，其所消耗的無功功率是傳輸有功功率的40~60%；暫態(tài)條件下，無功功率消耗會(huì)更大。因此，必須在換流站裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備。換流站所需的無功功率，一部分有換流站內(nèi)的交流濾波器中的電容器提供，不足部分在由無功補(bǔ)償裝置提供。5高壓直流輸電原理圖及其說明高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電方式。從交流系統(tǒng)I向交流系統(tǒng)Ⅱ輸電時(shí)，換流站I把交流系統(tǒng)I送來的三相交流功率變換或直流功率。通過直流輸電線路把直流功率輸送到換流站Ⅱ，再由換流站Ⅱ?qū)⒅绷鞴β兽D(zhuǎn)換成交流功率，送人交流系統(tǒng)Ⅱ。這個(gè)過程稱作HVDC。HVDC系統(tǒng)主要由兩個(gè)換流站和直流輸電線組成，其中換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心所在。換流站的主要設(shè)備包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、無功補(bǔ)償設(shè)備及控制保護(hù)設(shè)備等。換流器又稱換流闋是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個(gè)或多個(gè)換流橋組成換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流變直流或直流變交流的功能。換流變壓器是向換流器提供適當(dāng)?shù)燃?jí)的不接地三相電壓源設(shè)備。其作用不僅能實(shí)現(xiàn)電壓變換，而且可以抑制直流故障電流，削弱交流系統(tǒng)入侵直流系統(tǒng)的過電壓，減少注入交流系統(tǒng)的諧波。平波電抗器是串聯(lián)在線路中的大型電感，它的作用是防止輕載時(shí)直流電流斷續(xù)，抑制直流故障電流的快速增加，從而減小繼發(fā)換相失敗的幾率;此外還能減小直流電流紋波;防止直流線路或直流開關(guān)站產(chǎn)生的陡波沖擊波進(jìn)入周廳，損害換流器。濾波器是減小注入交、直流系統(tǒng)諧波的設(shè)備。按電源特性可分為有源濾波器和無源濾波器。無源濾波器按濾波的實(shí)現(xiàn)方式又可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、三調(diào)諧濾波器和高通濾波器。無功補(bǔ)償設(shè)備的作用是提供換流器所需要的無功功率，減小換流器與系統(tǒng)的無功交換。換流站換流的過程中會(huì)消耗大量的無功功率，其中整流器消耗輸送直流功率的30%—50%;逆變器消耗輸送直流功率的40%—60%。

PI控制

PI控制的原理及整定

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分，簡(jiǎn)稱PI控制，又稱PI調(diào)節(jié)。PI控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PI控制技術(shù)。PI控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state

error）。

積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱（System

with

Steady-state

Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差?？偨Y(jié) 高壓直流輸電是電力電子技術(shù)應(yīng)用最為重要、最為傳統(tǒng)也是發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一。本文在論述了直流輸電基本概念、構(gòu)成、發(fā)展及主要設(shè)備的基礎(chǔ)上討論了直流輸電的基本工作原理、諧波與無功問題、直流輸電的控制與保護(hù)并搭建并了一些直流線路的運(yùn)行。通過對(duì)高壓直流輸電的一些不足的分析聯(lián)系到在實(shí)際工程可能存在的問題。本文主要分為這幾大部分。其中第1部分為概述簡(jiǎn)單的介紹了高壓直流輸電的基本概念、構(gòu)成與分類高壓直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合高壓直流輸電的歷史與國內(nèi)外的現(xiàn)狀。第2部分簡(jiǎn)單的討論了高壓直流輸電的主要設(shè)備即換流裝置、換流變壓器、平波電抗器、無功補(bǔ)償裝置、濾波器的等。第3部分簡(jiǎn)單的介紹了常規(guī)電網(wǎng)換相高壓直流輸電的控制技術(shù)給出了包括定電壓控制、定電流控制、定功率控制、定熄弧角控制在內(nèi)的控制方法。最后是對(duì)全文的總結(jié)。近年來直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，可用輕型直流輸電采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電的問題。同時(shí)大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備，降低造價(jià)。隨著我國西部電力資源的開發(fā)，巨型水電站和巨型火電基地的建設(shè)，水電、火電打捆送出，送電距離越來越遠(yuǎn)，送電容量越來越大，送電可靠性要求越來越高，給直流輸電技術(shù)也提出了更高的要求?，F(xiàn)在，南方電網(wǎng)是我國第一個(gè)交直流并聯(lián)運(yùn)行的電網(wǎng)，已經(jīng)積累一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。隨著直流輸電項(xiàng)目的增多，在我國將會(huì)形成新的交直流并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)，而且交直流并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將會(huì)更加復(fù)雜。因此，我們必須認(rèn)真研究這種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行方案，以提高交直流并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行水平。結(jié)術(shù)語感謝我的導(dǎo)師古教授，他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣;他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。感謝