高壓直流輸電系統的畢業論文設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 波性能。對于采用一組三繞組換流變壓器的12脈動換流器，其中變壓器網側繞組中也不含有次的諧彼，因為每個這種次數的諧波在它的兩個閥側繞組中的相位相反，因此在變壓器的主磁通中互相抵消，在網側繞組中則不再出現。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的兩相短路電流進行換相。當換相角時，在非換相期兩個橋中只有4個閥同時導通（每個橋中2個），而當有一個橋進行換相時，則同時有5個閥導通（換相的橋中有3個，非換相的橋中有2個），從而形成在正常運行時4個閥和5個間輪流交替同時導通的”4—5”工況，它相當于6脈動換流器的“2—3”工況。當換相角時，兩個橋中總有 5個閥同時導通，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。當時，將出現在一個橋中一對閥尚未結束之前，在另一個橋中就有另一對閥開始換相。即出現在兩個橋中同時有兩對閥進行換相的時段。在此時段內兩個橋共有6個閥同時導通，當在一個橋中換相結束時，則又轉為5個閥同時導通的狀態，從而形成“5—6”工況。隨著換流器負荷的增大，換相角μ也增大，其結果使6個閥同時導通的時間延長，相應的5個閥同時導通的時間縮短。當時，“5一6’工況即結束。在正常運行時，而不會出現“5一6”工況。只有在換流器過負荷或交流電壓過低時，才可能出現的情況[14]。12脈動換流器與6脈動換流器的另一個主要區別是當兩橋之間有耦合電抗存在時，則會產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。這在理論上是可以的，但這時換流變壓器接線要求比12脈波時復雜，而且整個系統的可靠性降低。因此，實際工程中一般采用這種12脈波的雙橋換流器 [15][16]。 直流輸電系統的基本控制原理 直流輸電系統的控制調節，是通過改變線路兩端換流器的觸發角來實現的，它能執行快速和多種方式的調節，不僅能保證直流輸電的各種輸送方式，完善直流輸電系統本身的運行特性，而且還能改善兩端交流系統的運行性能。因此，直流輸電的控制調節對整個交直流系統的安全和經濟運行起著重要的作用。結合前面的分析。 高壓直流系統等值電路圖圖中，Vdr和Vdi分別表示整流側和逆變側的直流電壓； Ldr和Ldi分別表示整流側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分別表示整流側和逆變側的直流電流；Vc為電容上的電壓值；Vdor和Vdoi分別為整流側和逆變側的理想空載直流電壓；α為整流器的觸發延遲角，β為逆變器的觸發延遲角；Rcr和Rci分別為整流側和逆變側的等效換相電阻[17]。 （） 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系為: （）式中，B為串聯換流橋的數目。 ，可列寫出直流輸電線路的動態方程組為: （）同樣，根據等值電路圖，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: （）其中Vdr為整流側換流變壓器二次側的線電壓，Vdi為逆變側換流變壓器二次側的線電壓。分別代入式 （）到式（）中，可得直流輸電系統的數學模型[19]： （）當直流系統處于穩態運行時(此時，對地電容Cd，可忽略)，直流電流恒定，即:。由式（）可得： （）同時，整流端的功率為 （）逆變側的功率為: （） 直流輸電系統的基本控制方式 高壓直流輸電系統是高度可控的，其運行依賴于這種可控性的正確應用，以保證系統有期望的性能。高壓直流輸電系統采用分層控制方式，目的在于使系統高效穩定的運行和保持功率控制的最大靈活性，同時保證設備的安全。系統中最底層的控制就是整流器的本地控制(極控制)[20]。 控制的基本原則 ，如圖所示。等值電路電壓分布 HVDC 輸電聯絡線高壓直流系統通過控制整流器和逆變器的內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，改變直流電流(或功率)可以從兩個方面來進行調節：(1)調節整流器的觸發延遲角α或逆變器的熄弧角γ (越前角聲)，即調節加到換流閥控制極的觸發脈沖相位。采用這種方式調節不但調節范圍大，而且非常迅速，是直流輸電系統主要的調節手段。(2)調節換流器的交流電勢。一般靠調節發電機勵磁或改變換流變壓器分接頭來實現，調節速度相對較慢，是直流輸電系統的輔助調節方式。出于以下幾個目的，必須保持輸電系統送端和受端的功率因數盡可能的高: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) 減輕閥上的壓力；3) 減少與直流系統連接的交流系統的損耗；4) 在負荷增加時，使交流終端的電壓降最小；5) 減少換流器損耗的無功功率。要得到高功率因數，必須保持整流器的觸發延遲角α和逆變器的熄弧角γ盡可能的小。為了確保觸發前閥上有足夠的電壓，整流器有一個最小α角限制，約為5176。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α=180。或γ=0176。換相電壓反向之前去游離。因為即使換相己經開始，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上必須有足夠的換相裕度，一般15176。左右[21]。 理想控制特性 為了滿足上述控制的基本原則，應該將電壓調節和電流調節加以區別，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（CC）以保持系統的穩定，逆變器運行于恒定熄弧角（CEA）狀態以維持足夠的換相裕度。[22]。 理想伏安特性，AB、CD線上的點與整流器端測量的值對應，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點為理想穩態運行點，同時滿足整流器和逆變器的特性。 實際控制特性整流器通過改變α角來保持恒定電流。但是α角不能小于其最小值(αmin )，一旦達到αmin就不可能再升高電壓，整流器將運行在恒觸發角狀態。所以，整流器特性曲線實際上有兩部分。FA部分對應于定觸發角控制方式，AB段表示正常的定電流控制方式。 實際穩態伏安特性在實際的系統中，由于電流調節器的增益有限，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(F′A′B′)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下降到零，從而造成系統停運。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。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。正常運行條件下()，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，整流器進入定觸發角控制，建立電壓[23]。除了有上述定電流、定熄弧角基本調節方式外，也有定電流和定電壓的方式作為基本調節方式。此種方式是用一個閉環電壓控制以保持直流線路某點的電壓恒定，來取代調節熄弧角到固定值(CEA)。定電壓控制和定γ角控制類似，都是逆變器常見的控制方式。但與定γ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，逆變器的電壓調節器將自動地減少β角，從而使逆變器的功率因數提高，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。如果逆變側采用定熄弧角調節，則當交流電壓下降時，它將增大β角以保持熄弧角不變，因此逆變器的功率因數下降，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，最終導致交流電壓崩潰。定電壓調節的另一個優點是，在輕負載(直流電流小于額定值)運行時，由于逆變側的熄弧角比滿載運行時為大，對防止換相失敗更為有利[24][25]。3 高壓直流輸電系統仿真 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值計算和可視化數學軟件，被譽為“巨人肩上的工具”。Matlab的含義是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）。它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環境[26]。在這個環境下，對所要求求解的問題，用戶只需要簡單地列出數學表達式，其結果便以數值或圖形方式顯示出來。Matlab的推出得到了各個領域專家學者的廣泛關注，其強大的擴展功能更為各個工程領域提供了分析和設計的基礎。 Matlab包括被稱作工具箱（Toolbox）的各類應用問題的求解工具。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，因此應用范圍也越來越廣泛，成為涉及數值分析的各類設計不可或缺的工具。Matlab產品族由以下產品構成：①Matlab：②Matlab T