高壓直流輸電系統(tǒng)的畢業(yè)論文設計1

1、高壓直流輸電系統(tǒng)的畢業(yè)論文設計1 緒論 1.1 高壓直流輸電技術的發(fā)展概況 電力技術的發(fā)展是從直流輸電技術是從20世紀50年代開始得到應用，并且在近年來迅速發(fā)展的一項新技術。經過半個世紀的發(fā)展，高壓直流輸電技術的應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，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，加上當時技術水平的限制，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

2、成世界上第一條工業(yè)直流輸電線路，標志著直流輸電進入實用階段。在這一階段，直流輸電設備的制造技術、施工質量、運行水平都有了很大的提高。直流輸電技術應用到水下輸電，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用，取代了汞弧閥，使直流輸電技術提高了一大步。直流輸電技術得到了普遍的重視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、西安等地恢復實驗研究工作。 1977年，在上海建成并投運了我國第一條31k

3、v，4.65mw，地下電纜長8.6km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計、施工、全部設備國產化的線路。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時規(guī)模最大的直流工程。它的建成標志著我國高壓直流輸電技術上了一個臺階，為今后我國直流輸電的建設和發(fā)展積累了豐富的經驗。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。南方電網以它為系統(tǒng)聯(lián)絡線，形成了我國第一個高壓大容量交直流并聯(lián)運行電力系

4、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，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)一網中的優(yōu)越性將日益突出。因此，加速高壓直流輸電技術的

5、研究和工程建設是一項非常緊迫的任務。 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的發(fā)展，直流輸電技術越來越被受到重視。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費用低。對于架空線路，常見三相交流輸電線路需要三

6、根導線，而單極直流輸電只需兩根導線。當用大地或海水作回路時，僅需一根導線，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)定性的限制。

7、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串補、靜補、調相機和開關站等。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，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)網的技術經濟效益，又可以避免兩互聯(lián)電網間事故的相互影響，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。 第四，調節(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整有功功率和實現(xiàn)“潮流翻轉”，這樣不僅在正常運行

8、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，當交流線因擾動引起輸送功率變換時，可迅速調節(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，當直流線路發(fā)生短路故障時，同樣也可以通過整流器的調節(jié)來限制短路電流。在直流

9、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，一根導線是正極，另一根是負極，中性點接地。當一根導線或一極發(fā)生故障時，另一極的另一根導線能以大地作回路，繼續(xù)輸送一半或全部功率；如果設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，分期投資。直流輸電可方便地進行分期建設和增容擴建，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，先建一個極單極運行，后再建另一個極。也可以每

10、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備多、結構復雜、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備是變壓器和斷路器，而直流換流站除換流變壓器和相應的斷路器以外，還有換流器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、無功補償設備以及各種類型

11、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。由于設備多，換流站的損耗和運行費用也相應增加，同時換流站的運行和維護也較復雜，對運行人員的要求也較高。（2）換流器對交流側來說，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，必須裝設交流濾波器。另外，換流器對直流側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、向直流側發(fā)出一系列的諧波電

12、壓，在直流線路上產生諧波電流。為了保證直流線路上的諧波電流在允許的范圍內，在直流側必須裝設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無功補償設備；當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，有時還需要裝設同步調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。當采用新型可關斷半導體器件或電容換相換流器時，無功補償問

13、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問題。如接地極附近地下（或海水中）的直流電流對金屬構件、管道、電纜等埋設物的電腐蝕問題；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，在工程設計時，對上述問題必須進行充分的研究，并采取相應的技術措施。 （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，在工程上已可以解決多端

14、直流輸電的故障處理等問題，但其控制系統(tǒng)相當復雜，仍需要在實際工程中進行考驗和改進。當采用新型可關斷半導體器件進行換流時，直流斷路器的功能將由換流器來承擔，這一問題將得到解決4。 1.4 高壓直流輸電的應用 根據(jù)以上分析并結合本論文的思想，現(xiàn)在將高壓直流輸電系統(tǒng)的主要應用述述如下：(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濟上還是技術上都較為合理。 (3) 電力系統(tǒng)聯(lián)網。 (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用。此外，直流輸電的應用范

15、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線稱為正極導線或負極導線，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所示這種方

16、式。由于正常運行時電流需流經大地或海水，因此要注意接地電極的材料、埋設方法和對地下埋設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線構成直流側的單極回路，見圖2.2,其中一根低絕緣的導線（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，又把某一導線的電位鉗位到零。其缺點是當負荷電流在流過導線時，要產生不小的電壓降，所以仍要考慮適當?shù)慕^緣強度。這種方

17、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，當雙極直流輸電工程在單極運行時，還可以接成雙導線并聯(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中性點

18、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，它是在整流側或逆變側中性點單端接地，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-接地極系統(tǒng)；

19、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線連接起來，就構成雙極中性線方式，見圖2.6所示。這種方式是在整流側或逆變側任一端接地，當一極發(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線，在經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或者相

20、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，同時直流側設備也因直流電壓低而使其造價也相應降低。背靠背直流輸電由于整流器和逆變器均裝設在一個閥廳內，直流側諧波不會造成對通信線路的干擾，因此可降低對直流側濾波的要求，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計成單極或雙極運

21、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)的主要設備圖2.8中主要設備如下： (1)換流變壓器。換流變向閥橋提供適當?shù)燃壍牟唤拥厝嚯妷涸?。?/p>

22、于變壓器閥側不接地，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均產生諧波電壓和諧波電流，這些諧波會導致電容器和附近的電機過熱，并干擾遠動通信系統(tǒng)。因此，在交流側和直流側都裝有濾波裝置。交流濾波器一般安裝在換流變壓器的交流側母線上。對單橋用交流濾波器吸收次諧波，對雙橋

23、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)絡線和交流系統(tǒng)的要求，部分無功電源可采用同步調相機、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)絡線設計采用大地作為中性導線，至少在較短的時間內

24、是這樣。與大地相連接的導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，這個導體被稱為電極。如果必須限制流經大地的電流，可以用金屬性回路的導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)絡線停運，在交流側裝有斷路器。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 換流技術是指交流電力與直流電力之間相互交換的技術。換流器是實現(xiàn)這種交直流變換的主要

25、設備，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構，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、eb、

26、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)交流電網的阻抗是對稱的，而且換流變壓器的激磁導納忽略不計。(3)直流側平波電抗器具有很大的電感值，使直流側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)換流閥的單向導電性。換流閥只能在陽極對陰

27、極為正電壓時，才單方向導通。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。換流閥一旦導通，它只有在具備關斷條件時才能關斷，否則一直處于導通狀態(tài)。(3)換流閥的控制極無關斷能力，只有當流經換流閥的電流為零時，它才能關斷（惟一的關斷條件），是靠外回路的能力來進行關斷的。換流閥一旦關斷，只有在具備上述兩個導通條件時，才能導通，否則一直處于關斷狀態(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 實際應用中，要求將兩個或多個換流橋串接以獲得所要

28、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串聯(lián)而成，其交流側通過換流變壓器的網側繞組而并聯(lián)。換流變壓器的閥側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，得到相位相差為30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通的順序號。在每一個工頻周期內有12個換流閥輪流導通。它需要12個與交流系統(tǒng)同步的按序觸發(fā)脈沖。脈

29、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量好，所含的諧波成分少。其直流電壓為兩個換相電壓相差30的6脈動換流器的直流電壓之和，在每個工頻周期內有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，12脈動換流器的交流電流中將不含這些諧波，因此也有效地改善了交流側的諧波性能

30、。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(shù)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(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”45”工況，它相

31、當于6脈動換流器的“23”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(shù)。當時，將出現(xiàn)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(xiàn)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(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(xiàn)“5一6”工況。只有在換流器過負荷或交

32、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(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，而且還能改善兩端交流系統(tǒng)的運行性能。因此，直流輸電的控制調節(jié)對整個

33、交直流系統(tǒng)的安全和經濟運行起著重要的作用。結合前面的分析，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；為整流器的觸發(fā)延遲角，為逆變器的觸發(fā)延遲角；rcr和rci分別為整流側和逆變側的等效

34、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系為: （2.2）式中，b為串聯(lián)換流橋的數(shù)目。 由圖2.11應用電路理論，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 （2.4）到式（2.3）中，可得直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學模型19： （2.5）當直流系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時(此時，對地電容cd，可忽略)，直流電流恒定，即:。由式（2.5）可得： （2.6）同時

35、，由圖2.11和以上分析可得，整流端的功率為 （2.7）逆變側的功率為: （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)絡線高壓直流系統(tǒng)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

36、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節(jié)：(1)調節(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。采用這種方式調節(jié)不但調節(jié)范圍大，而且非常迅速，是直流輸電系統(tǒng)主要的調節(jié)手段。(2)調節(jié)換流器的交流電勢。一般靠調節(jié)發(fā)電機勵磁或改變換流變壓器分接頭來實現(xiàn)，調節(jié)速度相對較慢，是直流輸電系統(tǒng)的輔助調節(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

37、) 在負荷增加時，使交流終端的電壓降最?。?) 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?；?0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15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，應該將電壓調節(jié)和電流

38、調節(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，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(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

39、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下降到零，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

40、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、定熄弧角基本調節(jié)方式外，也有定電流和定電壓的方式作為基本調節(jié)方式。此種方式是用一個閉環(huán)電壓控制以保持直流線路某點的電壓恒定，來取代調節(jié)熄弧角到固定值(cea)。定電壓控制和定角控制

41、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。如果逆變側采用定熄弧角調節(jié)，則當交流電壓下降時，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)，最終導致交流電壓崩潰。定電壓調節(jié)的另一個優(yōu)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

42、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)學表達式，其結果便以數(shù)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。 mat

43、lab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(shù)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：matlab：matlab toolbox：matlab compiler；simulink；stateflow；real-time workshop；simulink blockset27。 simulink是基于matlab的框圖設計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數(shù)學來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學

44、系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導系統(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，事件驅動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。simulink提供了利用鼠標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的許多功能都設計成一個個直觀的功能模塊，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

45、設計自己的功能模塊，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)學模型(非線性微分、代數(shù)方程)，采用交流、直流迭代求解技術，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)學模型表示成傳遞數(shù)的形式，用simulink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

46、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建hvdc系統(tǒng)仿真模型，這種方法快捷直觀，但隨著新技術的應用，新的元器件的出現(xiàn)，使得原有psb(power system blockset)庫的應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)學運算能力、豐富的繪圖功能和語言的高度集成是matlab/simulink的突出特性，不論是電力網絡、電力電子還是各種控制系統(tǒng)它都能利用相應的p

47、sb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)的起停和階躍響應仿真 直流電壓標幺值基值取為500kv，直流電流基準值取2ka，仿真過程中的直流電壓電流均用標幺值表示。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 2 0.02 變換器導通，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

48、定值 4 0.7 參考電流下降0.2p.u 5 0.8 參考電流恢復到設定值 6 1.0 參考電壓由1p.u跌落到0.9p.u 7 1.1 參考電壓恢復到1p.u 8 1.4 變換器關斷 9 1.6 強迫設置觸發(fā)延遲角到指定值 10 1.7 關斷變換器 設置好各子系統(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)所示為整流側得到的相關波形，從上到下依次為以標幺值表示的直流側線路電壓、標幺值表示的直流側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、整流器控制狀態(tài)2930。如圖3.1（b）所示為逆變側得到的相關波形，從上到下依次以標幺值

49、表示的直流側線路電壓和直流側參考電壓、標幺值表示的直流側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)整流側得到的相關波形(b)逆變側得到的相關波形圖3.1 hvdc 系統(tǒng)啟停和階躍響應仿真將表3.1 和圖3.1對應起來，可見其仿真的大致過程如下： 1、晶間管在0.02s 時導通，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