畢業(yè)論文-高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真研究

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真研究學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級電氣學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年 5月30日第頁緒論課題背景高壓直流輸電（HighVoltageDirectCurrent，HVDC）[1]是電力電子技術(shù)中的一個典型的例子。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的需求不斷增加，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在世界直流輸電領(lǐng)域內(nèi)得到了迅速發(fā)展。高壓直流輸電系統(tǒng)的生產(chǎn)和應(yīng)用背景主要有以下幾點(diǎn):電力負(fù)荷的不斷增長使得現(xiàn)有的輸電系統(tǒng)在當(dāng)前的運(yùn)行控制技術(shù)下己經(jīng)不能滿足長距離大容量輸送電能[2]的需要;由于環(huán)境保護(hù)越來越成為政府和公眾關(guān)心的問題，輸電線路的架設(shè)受到沿線各種條件的的限制，因此，提升現(xiàn)有輸電網(wǎng)絡(luò)的能力，擴(kuò)充其輸電能力是解決輸電問題的重要途徑;隨著大功率電力電子元器件技術(shù)的提高及價(jià)格的低廉，通過高電壓直流輸電技術(shù)改造現(xiàn)有電力系統(tǒng)已經(jīng)可行;計(jì)算技術(shù)和控制技術(shù)方面的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，為高電壓直流輸電發(fā)揮其對電力系統(tǒng)快速、靈活的調(diào)整和控制作用提供了有力的支持。另外，電力系統(tǒng)運(yùn)營機(jī)制的市場化使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式更加復(fù)雜多變，為盡可能地滿足市場參與者各方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求，電力系統(tǒng)必須具備更強(qiáng)的自身調(diào)控能力。目前國際上在建和投運(yùn)的直流輸電工程，主要集中在西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。高壓直流輸電所具有的遠(yuǎn)距離、大功率等優(yōu)勢已經(jīng)引起許多國家的高度重視，大批高壓直流輸電工程在計(jì)劃或新建之中。同時(shí)，伴隨計(jì)算機(jī)及通信等學(xué)科的發(fā)展，使高壓直流輸電的控制系統(tǒng)更加快速精確，材料領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)能夠?qū)⑤旊婋娎|采用高溫超導(dǎo)材料制作，遠(yuǎn)距離輸電[3]的成本及功耗大幅降低。直流輸電理論，技術(shù)及設(shè)備的提高使高壓直流輸電的應(yīng)用更加廣泛。我國的國情特點(diǎn)是：地域廣闊，能源產(chǎn)地與電力需求地區(qū)分布不平衡，遠(yuǎn)距離、大容量的高壓直流輸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用對提升國內(nèi)電力質(zhì)量及需求的重要性很明顯。目前在建和投運(yùn)的高壓直流輸電工程己有十幾項(xiàng)，還有許多更高電壓等級的輸電工程在計(jì)劃及建設(shè)之中。但是，由于高壓直流輸電在運(yùn)行過程中較為復(fù)雜，很難通過實(shí)例來對直流輸電過程來進(jìn)行仿真研究。這對于了解直流輸電的各種運(yùn)行環(huán)節(jié)有很大的障礙。隨著科技的發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代。各種電腦輔助建模軟件不斷出現(xiàn)，由于建模的成本低，精度高，能較好的反映系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)，人們越來越趨向于使用建立模型來仿真實(shí)際的復(fù)雜系統(tǒng)。在此背景下，研究HVDC結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理以及控制方法，進(jìn)行HVDC仿真計(jì)算，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性[4]等，己顯得非常必要。高壓直流輸電的歷史追溯歷史，最開始采用的輸電方法就是直流輸電，于1874年出現(xiàn)在俄國。當(dāng)時(shí)輸電的電壓僅為100V。1885年時(shí)已經(jīng)提高到了6000V。但受到絕緣等技術(shù)限制很難進(jìn)一步提高發(fā)電的電壓，這就導(dǎo)致在長距離線路上的損耗極大。隨后，人類發(fā)明了三相發(fā)電機(jī)和變壓器，從此交流輸電代替了直流輸電成為了當(dāng)時(shí)的主流。但是，電網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大導(dǎo)致輸送線路的增長，交流輸電過程中的損耗的加大，再加上大功率換流器[5]（整流器和逆變器）的研究成功為直流輸電掃清了障礙，直流輸電重新進(jìn)入了人們的視野里。1954年，建立起了世界上第一條遠(yuǎn)距離高壓直流輸電工程。之后，直流輸電在世界上就得到了較快發(fā)展。自1980年以來，隨著電力電子器件的發(fā)展，電力傳輸技術(shù)的發(fā)展步伐顯著增快，提高輸電能力的辦法不斷出現(xiàn)，既有柔性交流輸電技術(shù)、直流輸電技術(shù)、分頻輸電技術(shù)等高新技術(shù)，也有對現(xiàn)有高壓交流輸電線路的增加電容改造技術(shù)，如復(fù)導(dǎo)增容改造、升壓改造、交流輸電線路改為直流輸電技術(shù)等[6]。特高壓直流輸電，對于提升現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸能力，開發(fā)現(xiàn)有設(shè)備潛力，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。直流輸電在百余年后重新回歸，究其原因關(guān)鍵在于它的幾項(xiàng)優(yōu)勢[7]：①當(dāng)輸送相同功率時(shí)，直流線路造價(jià)低，架空線路桿塔結(jié)構(gòu)較簡單，線路走廊窄，同絕緣水平的電纜直流輸電可以運(yùn)行于較高的電壓;②直流輸電的功率和能量損耗小;③對通信干擾小;④線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有電容電流，沒有電抗壓降,沿線電壓分布較平穩(wěn),線路本身無需無功補(bǔ)償;⑤直流輸電線聯(lián)系的兩端交流系統(tǒng)不需要同步運(yùn)行，因此可用以實(shí)現(xiàn)不同頻率或相同頻率交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)系;⑥直流輸電線本身不存在交流輸電固有的穩(wěn)定問題，輸送距離和功率也不受電力系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制;⑦由直流輸電線互相聯(lián)系的交流系統(tǒng)各自的短路容量不會因互聯(lián)而顯著增大;⑧直流輸電線的功率和電流的調(diào)節(jié)控制比較容易并且迅速，可以實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)、控制。如果交、直流并列運(yùn)行，有助于提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善整個系統(tǒng)的運(yùn)行特性。高壓直流輸電在我國的應(yīng)用在我國也因“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”，使得直流輸電成為電力建設(shè)的熱點(diǎn)[8]。在全國各地直流輸電都有所應(yīng)用。云南－廣東±800kV輸電工程是我國特高壓直流輸電示范工程，也是世界上首條直流電壓等級最高（±800KV）、輸送容量（5000MW）最大的特高壓直流輸電工程，包括位于云南省的楚雄換流站和廣東省的穗東換流站，輸電線路長1418公里。錦屏—蘇南±800kV特高壓直流輸電工程采用900平方毫米導(dǎo)線，節(jié)能環(huán)保效果明顯，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，可進(jìn)一步促進(jìn)電力技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)技術(shù)升級。與傳統(tǒng)的630平方毫米的導(dǎo)線進(jìn)行比較，錦蘇特高壓直流輸電線路用900平方毫米的導(dǎo)線截面，根據(jù)年度經(jīng)營3000小時(shí)每公里線計(jì)算，節(jié)省43200千瓦時(shí)一年，線路全年都將創(chuàng)造約400萬元的直接經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)電力供應(yīng)360克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時(shí)計(jì)算煤耗，一年將減少煤炭消費(fèi)量77350噸，減少約201200噸二氧化碳的排放。在抵御自然災(zāi)害方面，大風(fēng)水平荷載降低約10%，15毫米覆冰垂直荷載減小約7%。綜合以上所述種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用直流輸電系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。高壓直流輸電使用的仿真工具建模與仿真是電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行分析的重要手段[9]。MATLAB是由英文單詞Matri和Laboratory的前三個字母組成。20實(shí)際70年代后期，美國新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任CleveMoler教授為了便于教學(xué)，減輕學(xué)生編寫FORTRAN程序的負(fù)擔(dān)，對代數(shù)軟件包LINPACK和特征值計(jì)算軟件包E工SPACK編寫了接口程序，這也許就算是MATLAB的第一個版本。1984年CleveMoler和JohnLittle等人合作成立了Mathworks軟件公司，并將MATLAB正式推向市場。在二十多年來的發(fā)展和競爭中，MATLAB不斷推出新版本，運(yùn)行環(huán)境也從早期的DOS到如今可以在包括Windows,UNIX以及MacOSX等多個操作平臺運(yùn)行，目前MATLAB己經(jīng)成為國際認(rèn)可的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。本文利用MATLABPSB(以Simulink為運(yùn)行環(huán)境)對HVDC高壓直流輸電系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行仿真。同時(shí)，Simulink的圖形界面[10]，也為用戶提供了一個良好的仿真環(huán)境，可以在MATLAB豐富的工具箱里面顯示結(jié)果，方便用戶來處理優(yōu)化后的目標(biāo)參數(shù)和仿真結(jié)果。PSB(PowerSystemBlock)[11]涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電力學(xué)科之中基本元件和系統(tǒng)的模型仿真,它由6個子模塊庫組成，在6個子庫的基礎(chǔ)上,可根據(jù)需要組合封裝出更為復(fù)雜的常用模塊比如附加模塊庫中的三相電氣系統(tǒng)。直流輸電的原理和特性高壓直流輸電的原理在現(xiàn)代高壓直流輸電系統(tǒng)之中，發(fā)電環(huán)節(jié)與用電環(huán)節(jié)所使用全都是交流電。只有在輸電系統(tǒng)中才使用的直流電。在輸電線路的送端，發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流變壓器輸送至整流器中，將交流電流進(jìn)過整流過后投入高壓直流輸電線路。高壓直流輸電通過線路進(jìn)入換流站的逆變器之中，高壓直流高壓通過逆變器成為交流電，通過換流變壓器又使得能量傳輸?shù)浇涣麟娏ο到y(tǒng)。在傳輸系統(tǒng)中，通過變頻器調(diào)整，可使電流的整流或者逆變。目前世界上已運(yùn)行的高壓直流輸電工程大多為兩端直流輸電系統(tǒng)。兩端的高壓直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、輸電線路和逆變站三部分[12]。兩端直流輸電系統(tǒng)可以采用雙極和單極兩種運(yùn)行方式。雙極運(yùn)行方式，利用正負(fù)兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負(fù)極相連，構(gòu)成直流側(cè)的閉環(huán)回路。兩端接地極所形成的大地回路可作為輸電系統(tǒng)的備用導(dǎo)線。正常運(yùn)行時(shí)，直流電流的路徑為正負(fù)兩根極導(dǎo)線。實(shí)際上，它們是由兩個獨(dú)立運(yùn)行的單極大地回路系統(tǒng)構(gòu)成。正負(fù)兩極在地中的電流方向相反，地中電流為兩極電流之差。兩極電流之差形成的電流為不平衡電流，由接地極導(dǎo)引入地。在雙極運(yùn)行時(shí)，不平衡電流一般控制在額定電流的1%之內(nèi)。單極運(yùn)行方式又分為單極金屬返回和單極大地返回兩種運(yùn)行方式。在單極金屬返回運(yùn)行方式中，利用兩根導(dǎo)線構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，直流線路中的一根導(dǎo)線用作正或負(fù)極導(dǎo)線，另一根用作金屬返回線。在此運(yùn)行方式中，地中無電流通過。在單極大地返回運(yùn)行方式中，利用一根或兩根導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單極回路。在該運(yùn)行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導(dǎo)線，通過接地極入地的電流即為直流輸電工程的運(yùn)行電流。直流輸電的穩(wěn)態(tài)特性換流器的運(yùn)行特性換流器的運(yùn)行特性也稱伏安特性[13]，它是指換流器的直流電壓和直流電流的關(guān)系，即隨著直流電流的變化換流器直流電壓的變化規(guī)律，它可用方程式或曲線來表示。換流器的運(yùn)行變量包括交流側(cè)電壓、電流、有功功率、無功功率，直流側(cè)的電壓、電流和換流器的觸發(fā)角、換相角與關(guān)斷角等。表征各運(yùn)行變量間關(guān)系的運(yùn)行特性可分為直流側(cè)伏安特性、諧波特性和功率特性三類。

（1）直流側(cè)伏安特性在作為換相電壓的正弦交流電動勢有效值E和觸發(fā)角a給定的情況下，換流器直流側(cè)的直流電壓平均值（Ud）和電流平均值（Id）間關(guān)系的兩維數(shù)學(xué)模型。（2）換流器的諧波特性由于換流閥在通斷兩種狀態(tài)下的伏安特性具有顯著的非線性，換流器交、直流兩側(cè)的電流和電壓變量中，除工頻交流和直流主要分量外，還有眾多的頻率為工頻整數(shù)倍的諧波分量。在交流側(cè)，換流器既是是負(fù)荷（整流器）或電源（逆變器），也是諧波電流源；而對直流側(cè)來說，除了是一個電源（整流器）或負(fù)荷（逆變器）以外，它還是一個諧波電壓源。（3）換流器的功率特性換流器的功率特性通常是指換流器運(yùn)行中消耗的無功功率與經(jīng)換流的有功功率之間的關(guān)系。通常只考慮直流側(cè)的平均值與交流側(cè)正弦基波有效值之間的關(guān)系，而不考慮諧波。換流器的有功功率[15]為換流器的直流電壓和直流電流的乘積，對于整流器和逆變器可分別用下列式子計(jì)算：Pd1=Ud1Id（2.1）Pd2=Ud2Id（2.2）Id=(Ud1-Ud2)/Rd（2.3）U=1/2Ud[cos+cos(+μ)]=Ucos-3Ix/π（2.4）由上述公式可知，在運(yùn)行中可以通過改變以及U來改變Id和Ud，從而可以得到不同的Pd。對于一個給定的交流和直流系統(tǒng)，當(dāng)U為最大值，和γ為最小值，Id為最大值，這樣，在x1x2為確定值時(shí)，可以得到換流器的最大有功功率。整流器的功率因數(shù)由于觸發(fā)角和換相角μ的存在，使得整流器交流側(cè)的電流總是滯后其電壓，即整流器的運(yùn)行中需要消耗無功功率。換流站交流母線上裝配濾波器性能良好時(shí)，諧波電流全部由濾波器被所吸收，而流入交流系統(tǒng)的為基波電流。一般忽略整流器損耗[16]的情形下，可以認(rèn)為整流器的基波在交流側(cè)的有功功率和它的直流功率相等，可由以下方程：P1=Pd1=Ud1Id=U1I1cos1（2.5)逆變器的功率因數(shù)逆變器的功率因數(shù)的計(jì)算與整流器大致一樣，但其表達(dá)公式不同，對逆變器來說cos2=Ud2Id/U2I2（2.6）又已知Ud2=1/2Ud02[cosγ+(γ+μ)]=U1/2π[cosγ+(γ+μ)]（2.7）將Ud2Id代入，可得cos2=1/2[cosγ+(γ+μ)]（2.8）cos2=Ud2/Ud02（2.9）直流輸電的暫態(tài)過程暫態(tài)一般是指電路中如果有電感、電容存在時(shí)，電路通電或斷電的瞬間電路的狀態(tài)[17]。電路產(chǎn)生暫態(tài)的原因是由于電路中有電感電容存在，電容兩端的電壓不能突變，通過電感的電流不能突變的特點(diǎn)，使得電路通斷的時(shí)候需要一個過程。當(dāng)一個自感與電阻組成LR電路，從0突變到u或u突變到0的時(shí)刻在階躍電壓[18]的作用下，由于自感的作用，電路中的電流不會瞬間突變；與此類似，電容和電阻組成的RC電路在階躍電壓的作用下，電容上的電壓也不會瞬間變化。這些都是暫態(tài)過程。直流輸電過程中的暫態(tài)過程包括電機(jī)啟動瞬間[19]，短路故障瞬間以及開關(guān)閉合瞬間[20]，這方面的參數(shù)將在模擬仿真結(jié)果的圖形上顯示。高壓直流輸電仿真總體設(shè)計(jì)高壓直流輸電換流站的典型結(jié)構(gòu)高壓直流輸電換流站的結(jié)構(gòu)如圖3.1圖3.1換流站的典型結(jié)構(gòu)換流站的主要設(shè)備如下:(1)換流變壓器：向換流器提供交流功率或從換流器接受功率的變壓器。(2)換流器：其主要作用是將交流電力變換成直流電力或者將直流電流變換為交流電力。(3)濾波器：主要作用是對交流側(cè)和直流側(cè)進(jìn)行濾波。裝于交流側(cè)的稱為交流濾波器，安裝在直流側(cè)的稱為直流濾波器。除了濾波器交流側(cè)濾波，也可以提供無功功率為變流器站的一部分。(4)無功補(bǔ)裝置：換流器在進(jìn)行時(shí)需要消耗無功功率，除了濾波器提供無功功率以外，無功補(bǔ)償裝置的其余部分是安裝在換流站中（包括電力電容器，同步補(bǔ)償器和靜止補(bǔ)償器）提供。換流站無功補(bǔ)償裝置，通常提供接收端交流系統(tǒng)所需要的負(fù)載的無功功率。(5)平波電抗器：限制短路電流，減小直流輸電線路中直流電壓及直流電流的諧波分量，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)抑制電流的增加速度，并且具有電流濾波功能，保證系統(tǒng)輸出的直流電流波形連續(xù)平滑。高壓直流輸電線路結(jié)構(gòu)高壓直流輸電線路的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示圖3.2輸電線路結(jié)構(gòu)可由延遲角的高壓直流輸電系統(tǒng)的控制觸發(fā)（整流器）和逆變角（逆變器）來控制電流，電壓和功率。往往在整流側(cè)用一個恒定電流Ids控制（Ids是一個給定的值），它的直流電流方程為Id等于Ids，Id和Ids之間的差異與變化的延遲角，讓Id和Ids偏差接近0，來操控的達(dá)到要求。逆變器常使用于恒定弧角δs（控制以確保可靠的斷晶閘管故障）或恒定電壓Udis操控（還是需要δmin限制），約束方程δd等于δs與Udi等于Udis。在時(shí)間恒定的直流系統(tǒng)暫態(tài)分析固定電壓的逆變器和控制電流固定的整流器，其方程如下：Δα=K1(Id-Ids)/(1+T1P)（3.1）Δβ=K2(Udi-Udis)/(1+T2P)（3.2）式中,K1、K2和T1、T2分別為恒定電流、恒定電壓操控放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)。仿真模型的具體建立創(chuàng)建一個12脈沖直流仿真模型，如下圖3.3所示，在圖的仿真模型中，通過1000MW（500KV，2kA）輸電直流線路從一個500千伏5000MV·A、60Hz的電力系統(tǒng)A10000mV到另一個345千伏、10000MV·A、60赫茲電力系統(tǒng)B傳輸電力。橋式整流器和逆變器由兩個6脈沖橋構(gòu)成通用結(jié)構(gòu)。AC濾波器直接連接到AC總線上，包括第11，第13次和高次諧波的的單調(diào)支路，共提供600Mvar容量。圖3.3直流輸電仿真模型整流子系統(tǒng)介紹整流環(huán)節(jié)子系統(tǒng),如圖3.4，內(nèi)部子塊的變壓器采用三相變壓器的模型，運(yùn)用Y0-Y-Δ的連接方式，變換器變壓器的抽頭用一次繞組電壓的倍數(shù)(逆變器選0.96，整流器選0.9)來表示。圖3.4整流器的內(nèi)部模型圖中整流器子系統(tǒng)，打開后如圖3.5所示，圖3.5中，整流器是通過兩個通用橋模塊串聯(lián)而成的12脈沖變換器。圖3.52個6脈沖整流橋整流器的控制和保護(hù)由“整流器控制和保護(hù)”子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該子系統(tǒng)包含的模塊以及作用見表3.1。表3.1整流器控制和保護(hù)子系統(tǒng)包含的模塊及作用模塊名稱作用RectifierControllerVoltageRegulator電壓調(diào)節(jié)，計(jì)算出觸發(fā)角GammaRegulator計(jì)算熄弧角CurrentRegulator電流調(diào)節(jié)，計(jì)算觸發(fā)角VoltageDependentCurrentOrderLimiter根據(jù)電流電壓值改變參考電流值RectifierProtectionsDCFaultProtection判斷自流側(cè)是否發(fā)生故障，啟動時(shí)必要的動作清除故障LowACVoltageDetection直流側(cè)故障和交流側(cè)故障檢測12-PulseFiringControl產(chǎn)生同步的12個觸發(fā)脈沖逆變環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整流環(huán)節(jié)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似。逆變器的控制和保護(hù)由“逆變器控制和保護(hù)(InverterControlandProtection)”子系統(tǒng)來完成。該子系統(tǒng)包含的模塊以及作用見表3.2。表3.2逆變器控制和保護(hù)子系統(tǒng)包含的模塊及作用模塊名稱作用InverterCurrent/Voltage/GammaController逆變側(cè)電壓、電流、熄弧角調(diào)節(jié)InverterProtectionLowACVoltageDetection交流側(cè)故障檢測CommutationFailurePreventionControl減弱電壓跌落導(dǎo)致的換相失敗12-PulseFiringControl產(chǎn)生同步的12個觸發(fā)脈沖GammaMeasurement熄弧角測量濾波子系統(tǒng)簡介交流側(cè)濾波器通常安裝在交流側(cè)的換流變壓器的總線上。對單橋用單調(diào)諧濾波器吸收5、7次諧波,用高通濾波器吸收高次諧波,對雙橋用11、13次諧波濾波器及高通濾波器。直流側(cè)濾波器一般裝在直流線路兩端,用有源濾波器廣頻譜消除諧波,單橋時(shí)吸收6n次諧波,雙橋時(shí)吸收12n次諧波。仿真模型中的濾波子系統(tǒng)如圖3.6，要減小交流側(cè)出現(xiàn)的諧波分量，因此在交流側(cè)裝設(shè)交流濾波器并聯(lián)。交流濾波器為交流諧波電流提供阻抗并聯(lián)電路。在基頻下，交流濾波器還向整流器提供無功功率。圖3.6濾波子系統(tǒng)交流濾波器電路由150Mvar的無功補(bǔ)償設(shè)備、高無功功率的11次與13次單調(diào)諧波濾波器，低無功功率的減幅高通濾波器(24次諧波以上)組成。線路的參數(shù)在MATLAB/Simulink中，可以自由的設(shè)定各電力系統(tǒng)元件的參數(shù)，現(xiàn)設(shè)定仿真模型圖3.3的線路參數(shù)如表3.3所示。表3.3線路的具體參數(shù)線路電阻R=0.015Ω/km線路電感L=0.792mH/km線路電容C=14.4nF/km線路長度300kmEM側(cè)輸電線路電阻R=6.205ΩEM側(cè)輸電線路電感L=13.96mH平波電抗器電感L=0.5HHVDC系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性圖3.7調(diào)節(jié)特性整流側(cè)由定電流控制和最小觸發(fā)角控制構(gòu)成，逆變側(cè)由定電壓控制和定電流控制構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí)采用逆變側(cè)定電壓、整流側(cè)定電流的控制方式。當(dāng)逆變側(cè)和整流側(cè)的交流部分發(fā)生故障導(dǎo)致直流電壓變化時(shí)，系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換逆變側(cè)和整流側(cè)的控制方式，保持直流電流和直流電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速控制。仿真的具體實(shí)施在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各參數(shù)的情況仿真時(shí)，首先使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，設(shè)置好各子系統(tǒng)參數(shù)之后，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所示。圖4.1Ia的波形圖4.2Ua的波形圖4.3Vdl的波形（整流側(cè)）圖4,4Id與Idlref的波形（整流側(cè)）圖4.5Alpha_ord的波形（整流側(cè)）圖4.6Id與Idref(逆變側(cè))圖4.7Vdl與Vdlref(逆變側(cè))對應(yīng)波形可分析出仿真的過程大致如下步驟所示：1)在0.02s時(shí)導(dǎo)通晶閘管，電流開始增加，達(dá)到0.1p.u.最低穩(wěn)定的參考值在0.3秒，而直流線路開始充電，使得直流電壓為1.0p.u.，整流器和逆變器均為電流控制狀態(tài)。2)在0.4s，參考電流從0.1p.u.增加到了1.0p.u.(2kA),而0.58s時(shí)0.58s直流電流達(dá)到一個穩(wěn)定值，電流控制的整流器，而電壓操控逆變器，直流側(cè)電壓保持在1.0p.u.(500kV。在穩(wěn)定狀態(tài)下，整流器的觸發(fā)角在16°附近，逆變器的觸發(fā)角在143°附近。逆變器子系統(tǒng)還對兩個6脈沖橋的各個晶閘管的熄弧角進(jìn)行測量，熄弧角參考值為12°，穩(wěn)定的狀態(tài)，角度在約22°為最小弧角。3)在0.7s，參考電流即Idref出現(xiàn)微小的的變化，在0.8s時(shí)又回復(fù)到初始定值。從圖中可見系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。4)在1.0s，參考電壓即Vdref出現(xiàn)略微的偏移，在1s時(shí)又回復(fù)到初始定值。從圖中可見系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，此時(shí)逆變器的熄弧角仍然大于參考值。5)在1.4s，觸發(fā)信號關(guān)斷，使得電流斜線下降到0.1p.u.。6)在1.6s，整流器那一側(cè)的觸發(fā)延遲角強(qiáng)迫設(shè)定成為166°，而逆變側(cè)的觸發(fā)延遲角被強(qiáng)制設(shè)置為92°，使得直流線路放電。7)在1.7s時(shí)兩個變換器均關(guān)斷，變換器控制狀態(tài)為0。在本模型中變換器控制狀態(tài)有七種，具體意義見下表4.1。表4.1控制狀態(tài)意義狀態(tài)意義狀態(tài)意義0關(guān)斷1電流控制2電壓控制3最小值限制4最大值限制5設(shè)定值或常數(shù)6γ控制HVDC系統(tǒng)直流線路故障仿真將參考電流設(shè)置為保持不變，進(jìn)入逆變器控制和保護(hù)子系統(tǒng)，將參考電壓設(shè)置為保持不變。打開直流側(cè)關(guān)聯(lián)的斷路器模塊，設(shè)置開關(guān)動作時(shí)間，使斷路器在1s時(shí)閉合，將仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為2s。為了使之在1s時(shí)閉合，使用一個定時(shí)器模塊如下圖4.8所示：圖4.8定時(shí)器模型在1s以前輸入信號0，保證斷路器一直處于斷開狀態(tài)，在1s時(shí)輸入信號1，使得斷路器閉合，開始模擬線路的直流線路故障。開始仿真，觀察整流器、逆變器和故障處相關(guān)波形如圖所示。圖4.9整流側(cè)故障Id和Idref圖4.10整流側(cè)故障Vd圖4.11逆變側(cè)故障Id與Idref圖4.12逆變側(cè)故障Vd如圖4.9，圖4.10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)么值表示的直流側(cè)線路電壓、標(biāo)么值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)際參考電流、以角度表示的第一個延遲觸發(fā)角、整流器控制狀態(tài)。如圖4.11，圖4.12所示為逆變側(cè)得到的相關(guān)波形，從上到下依次為以標(biāo)么值表示的直流側(cè)線路電壓和直流側(cè)參考電壓、標(biāo)么值表示的直流側(cè)線路電流和實(shí)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。當(dāng)t=1s時(shí)直流線路發(fā)生接地故障，直流側(cè)電流激增到2.2p.u.，直流側(cè)電壓跌到0值。相對的，通過VDCOL子系統(tǒng)的調(diào)制，整流器側(cè)參考電流下降到0.3p.u.，因此故障發(fā)生后，直流側(cè)仍然有電流流通。當(dāng)直流故障保護(hù)子系統(tǒng)檢測到直流電壓，即t=1s時(shí)，整流器觸發(fā)延遲角被強(qiáng)制設(shè)置為166°，整流器運(yùn)行在逆變器狀態(tài)。直流側(cè)線路電壓變?yōu)樨?fù)值，存儲在直流線路中的能量轉(zhuǎn)而向交流系統(tǒng)輸送，導(dǎo)致故障電流在過零點(diǎn)時(shí)快速熄滅。當(dāng)t=1.3s時(shí)，接觸觸發(fā)延遲角的強(qiáng)制值，額定直流電壓和電流在0.3s后恢復(fù)正常。HVDC系統(tǒng)交流側(cè)故障仿真HVDC系統(tǒng)包含整流器交流側(cè)線路和逆變器交流側(cè)線路，常見故障包括單相接地、三相短路等。仿真以交流側(cè)a接地故障為例。在直流側(cè)并聯(lián)端的斷路器模塊參數(shù)設(shè)置中，取消導(dǎo)通選項(xiàng);在逆變器交流側(cè)短路器模塊設(shè)置中，修改導(dǎo)通參數(shù)為1s導(dǎo)通，1.2s斷開。開始仿真，觀察整流器、逆變器和故障處相關(guān)波形。在這里使用時(shí)鐘控制模塊，讓線路在1s時(shí)發(fā)生故障，在1.2s又恢復(fù)正常。注意故障導(dǎo)致電流電壓和直流電流出現(xiàn)了振蕩，故障剛出現(xiàn)時(shí)發(fā)生不可避免的換相失敗現(xiàn)象，直流電流激增。t=1.2s時(shí)故障清除，VDCOL將參考電流調(diào)節(jié)到0.3p.u.，經(jīng)過0.3s后系統(tǒng)恢復(fù)。結(jié)論與展望隨著高壓直流輸電在我國的應(yīng)用日益廣泛，高壓直流輸電系統(tǒng)的快速潮流控制能力以及其高度可控性得到了充分應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)是是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心部分。它的有效運(yùn)用決定于適當(dāng)利用它的可控性以保證電力系統(tǒng)的所需性能。以提供高效而穩(wěn)定的運(yùn)行、最大限度地提高功率控制的靈活性而不危及設(shè)備的安全為目標(biāo)。為了準(zhǔn)確的研究高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過程，就需要建立相應(yīng)的仿真模型，通過模型，調(diào)整參數(shù)及相關(guān)元器件及線路，分析了解控制系統(tǒng)的性能,了解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)理，完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。采用MATLAB/Simulink仿真軟件建立仿真模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)是研究高壓直流輸電系統(tǒng)的重要途徑。相對交流輸電而言，高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展較晚，相關(guān)的仿真模型研究工作較少，建立的仿真模型與實(shí)際控制系統(tǒng)的實(shí)用性有一定差距，通過建立仿真模型，我逐漸對高壓直流輸電的原理有了清晰的認(rèn)識，對以后的工作和學(xué)習(xí)有重要的作用。致謝在導(dǎo)師瞿亮老師的精心指導(dǎo)下我完成了我的本科生論文。從主題到擴(kuò)展再到寫作，老師給了我非常細(xì)心的指導(dǎo)。瞿教授博學(xué)的專業(yè)知識，以及科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對我的影響，將使我終身難忘，我謹(jǐn)向我的指導(dǎo)老師表示深深的敬意和衷心的感謝！感謝湖南大學(xué)電氣信息與自動化學(xué)院所有老師四年來對我的培養(yǎng)，特別是在近些年學(xué)院高度重視發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力，這使我在求職過程中受益不少，而且學(xué)院的課程體系之中的其他尖端技術(shù)的了解學(xué)習(xí)也使得我的見識得到了很大的增長。在論文已接近尾聲之際，我的心情是不平靜的，許多可敬的老師，同學(xué)，朋友給了我無言的幫助，在這里，請接受我誠摯的感謝！最后，我還要感謝培養(yǎng)我長大成人的父母，謝謝！參考文獻(xiàn)[1]于群．曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2011.5[2]趙畹君．高壓直流輸電工程技術(shù)[M].中國電力出版社,2011.3[3]王兆安．劉進(jìn)軍.電力電了技術(shù)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2009.5[4]浙江大學(xué)發(fā)電教研組．直流輸電[M]水利電力出版社,1980.7[5]常浩.我國高壓直流輸電工程國產(chǎn)化回顧及現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù)，2004.30(11):3-4,36.[6]鄭亞民，蔣保臣．