电气专业论文直流换流站极控EMTP模型设计与研究.doc

摘 要数值计算仿真方法主要是基于H.W.Dommel的经典电磁暂态理论。根据Dommel的理论，所以储存元件都可用梯形积分法将描述其支路特性的微分方程转化为一个电阻并联一个电流源的计算机离散模型。本文对数值仿真中的基本问题进行了理解性分析，并利用仿真工具EMTP对一典型背靠背直流输电系统进行建模，论文介绍了建模的过程和相关的理论分析。对系统中的脉冲时序、触发滞后角、关断越前角等进行了系统的阐述，作为毕业设计的重点二次系统部分,为了更为熟悉EMTP的编程方法在这个基础上增加对电源的对时，完善了二次系统的控制功能。经过上述对试验方案和实验结果的归纳总结，可以得出结论：此次所建EMTP模型，能够满足一般背靠背直流输电系统的模型建立，并进行数值仿真暂态分析，是可行的。AbstractLectromagnetic transient simulation is based on concepts introduced by H.W.Dommel in his classic paper of 1969. According to the Dommel algorithm, all passive components within the network can be converted to an equivalent resistor in parallel with a current source applying the trapezoidal rule of integration. We have an analysis of numerical simulation in this paper, and we also use a tool of numerical simulation named EMTP to build a model of the back-to-back HVDC system. The conduct and actions graduate the designs point subsystems are part of, for the sake of more for acquaint with the EMTP programs method to increase on this foundation to control, perfectly second subsystems of power supply function.After we concluded the experiment-result we can receive the conclusion: the EMTP-model we created can content a generic model of back-to-back HVDC and analysis the numerical simulation of the system-electromagnetic-transient. that is we can do.key words: HVDC power transmission back-to-back HVDC numerical simulation electromagnetic transient目 录1 绪 论511 直流输电的发展及特点51.2 国内外直流输电仿真的研究现状61.3 论文的主要内容72 直流输电基本原理及控制部分时序分析82.1 直流输电的基本原理82.2 直流输电系统控制部分分析82.3 直流输电系统时序分析102.4 小节113 电磁暂态理论EMTP数学建模123.1（Bergeron-Dommel）模型介绍123.2（Bergeron-Dommel）模型分析123.2.1 电阻R123.2.2 电感L123.2.3 电容C133.3 分布参数输电线路的贝杰龙等值计算电路143 小结174 EMTP的建模方法185 背靠背直流输电系统的EMTP仿真建模195.1 一次系统的模型介绍195.2 二次系统EMTP建模195.2.1 二次系统建模总的流程195.2.2自然换相时刻的得出205.2.3电压过零的判断215.2.4脉冲源的产生及阀组控制的形成225.2.5逆变侧二次系统控制TACS信号245.2.6脉冲延时时间的选择245.3 小结256 数据结果和结论266.1 原始数据与数据结果266.2 小结28总 结29致 谢31附录（EMTP源程序）：32引言 随着国民经济和国防建设的发展，工业生产自动化程度的不断提高，要求直流换流站极控EMTP具有更高的动态特性，较大的过载能力，更宽的调速范围，较低的转动惯量，不断提高产品的可靠性，耐用性与主要技术经济指标；在某些场合则要求提高大型直流的功率；要求发展更多能适应特种用途和在特殊环境条件下使用的直流换流站极控EMTP。因此获得广泛的应用，并且在不断发展。1 绪 论11 直流输电的发展及特点 直流输电的发展：人们对电力的应用和认识以及电力科学的发展都是首先从直流电开始的，后来由于当时是采用直流发电机串联组成高压直流输电，受端电动机也是用串联方式运行的。不但高电压大容量的直流电机的换相有困难，而且串联的运行方式比较复杂，可靠性差，因此直流输电一度被交流输电所代替。直到20世纪50年代以后，电力的需求增长更快，电力系统的规模发展得更大，交流输电的局限性在生产实践中也表现得更为明显，于是直流输电技术又重新为人们所重视。1954年，瑞典在本土和果特兰岛之间建成一条海底电缆直流电线，是世界上第一条工业性的高压直流输电线。此后，许多国家也积极地展开了高压直流输电的研究和建设工作。直到现今直流输电依然迅猛发展，有许多的大规模的工程正在规划设计施工当中。直流输电的优点： 直流输电系统运行稳定性好u 为保证电网稳定,要求网上所有发电机都必须同步运行,即所谓系统稳定性问题。对于交流长距离输电,线路感抗远远超过了电阻,并且输电线路越长,电抗越大,系统稳定越困难,这大大限制了长距离输电的发展。而采用直流输电,其输电线路只有电阻,没有感抗,因此不存在上述稳定问题,也就是说,直流输电不受输电距离的限制。因此,直流输电技术在远距离输电工程中得到了广泛应用。 直流输电电能损耗小u 直流输电线路没有感抗和容抗,不传输无功功率,因此也就没有无功损耗。直流输电没有磁带损耗和涡流损耗,直流架空线路电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路小。因此,在导线截面相同输送有功功率相同条件下,直流输电线路的功率损耗,只有交流线路的2/ 3。 直流联网对电网间干扰小u 现代电力技术的发展方向是大电网互联,但对于几个大电网,如果采用交流联网,互联电网间正常运行变化相互干扰,各个电网的故障相互影响,容易造成联络线功率大幅度波动,甚至剧烈振荡,增加了系统发生稳定破坏事故的几率。而采用直流联网方式,能有效地隔断各互联的交流同步电网之间的相互影响,有利于提高电能质量;特别是当一个系统发生连锁反应故障时,可以避免和减轻对另一个系统的影响。因此,直流联网是减少互联系统大面积停电事故次数和损失的一个有力手段。 直流联网可以避免电网短路容量增加u 用交流输电连接电网,由于系统容量增加,将使短路容量增大,有可能超过原有断路器遮断容量,而用直流输电连接两个交流系统时,就不存在上述问题,这对于大电网的互联具有极大的实用价值。 直流联网可以实现不同频率电网间联网u 由于直流输电与系统频率无关,所以直流线路是连接两个频率不同交流电网的最佳选择。这对跨国电网的发展有着重要意义。 直流输电技术使长距离电缆输电成为可能u 输电线一般是架空线,但跨海输电线路要用水下电缆,穿过人口密集城市的输电线路要用地下电缆。在交流输电的情况下,电缆的电容效应对受电端起旁路电容的作用,并且随电缆增长而增大。电缆长度超过50,旁路电容会增大到交流电几乎送不出去的程度,这时交流输电已无实际意义,而只能采用直流输电,因为电容对稳定的直流不起作用。 可大大减少线路投资和维护费用u 综合估算,线路长度超过800时,则直流输电在一次投资和年运行费用上都较交流输电经济。并且,随着直流输电技术的发展和相关设备国产化水平的提高,这一长度将不断缩短。目前,高压直流输电主要用于远距离大功率输电、海底电缆输电、非同步运行的交流系统之间的联络等方面。1.2 国内外直流输电仿真的研究现状直流输电与交流输电相比，不存在因输电距离而出现的稳定性制约的问题，可以方便地调节潮流，还可以不增加交流系统的短路容量。因此，直流输电用于远距离大功率输电、区间电网互相调峰、海底电缆输电等场合。由于其在运行方式和故障处理上一定的特殊性，特别是它对极控制系统的要求很高，所以对于直流输电系统的仿真研究就显得尤为重要。随着数字计算机和数值技术的发展，数值仿真技术日渐成熟。这使得人们能够更加深入地研究和分析及电机电力系统的暂、稳态过程。目前，国内外的研究采用高级语言编程或已开发出的一些比较成熟的数值范缜软件如：EMTP、EMTDC、PSPICE、以及MATLAB等，对电机和电力系统的各种运行情况进行深入地研究，定量地分析不同运行方式（正常、故障）、稳态和再台情况下的系统各种电磁物理量的变化情况。数值仿真具有不受被研究对象规模和复杂性的限制；保证被研究系统的安全性、系统实验的经济性、以及可用于对未来系统发展的预测等优点。但是，以上数值仿真软件与动态模拟真相比存在着一个共同的缺陷，那就是它们只能对系统进行计算分析，而不能对实际的控制装置 和保护设备进行测试实验，而动模实验对系统的仿真却不如数值仿真细致准确，对电力系统的仿真规模也受到很大的限制，因而在仿真的精度上不可能很高。并且在做动模实验时，为防止损坏设备，对于系统故障的实验也有一定的约束，不可能象数值仿真那样可以在随意的做短路实验。实时数值仿真器RTDS（Real-time Digital Simulator）是由加拿大曼巴托尼HVDC研究中心开发，RTDS公司制造，是为实时电磁暂态现象研究而开发的特殊用途计算机。相对于动模实验，RTDS不但具有数值仿真的准确性，还能仿真较大电力系统，其仿真规模要比动模实验大得多。而且RTDS还能将网络状态方程的解通过D/A转换以物理量输出，进而与实际设备接驳构筑起灵活方便的数字物理实验回路。这样它又能象动模实验一样对实际的物理装置进行测试实验，这也是单纯的数值仿真软件所无法办到的。所以，RTDS同时具有了两种防护怎手段的优点，是一种非常方便的仿真试验工具 RTDS是一种全数字仿真工具，其最大特点是可以实时模拟电力系统，并能与外部设备接驳，构筑起灵活方便的数字物理实验回路，达到对实际装置进行功能测试的目的。在RTDS模拟电磁暂态过程是，采用了同EMTP、EMTDC等著名软件相同的，基于Dommel经典理论的计算原理和算法。所以应用RTDS对直流输电系统的暂态过程进行分析计算，所得的结果是可以信赖的。1.3 论文的主要内容论文首先将对直流输电系统的运行机理和数值仿真的基本原理以及EMTP的建模方法进行基本的论述，其中在直流输电的运行机理的介绍中我将侧重对二次控制系统的介绍并主要论述直流输电系统中控制部分的原理和角的意义和它们的作用,分析在直流输电过程中,它们对阀组的压控过程,。其次将根据EMTP的建模方法对二次控制部分进行设计介绍。再次得出仿真结果并对仿真结果进行合理性分析。在这里我们将建立电网数值仿真的基本概念，对实际电力系统的某些常见问题有个初步了解；熟悉并初步掌握运用数值仿真手段解决实际工程问题的一般方法和步骤；掌握电力系统全时域数值仿真软件EMTP（或EMTDC）的使用方法。最后我将对于我在建模及调试程序过程中的一点心得和此次毕业设计收获作为毕业设计总结与大家分享，请大家批评指正。2 直流输电基本原理及控制部分时序分析2.1 直流输电的基本原理直流输电的基本原理如下图21。它代表一个最简单的直流输电系统。其中包括两个换流站ZH及ZH和直流线路。两个换流站的直流端分别接在直流线路的两端。它们的交流端则分别连接到两个交流电力系统I和II。换流站装有换流器，它的功用是实现交流电和直流点之间的转换。图2-1 直流输电的基本原理图换流器由一个或多个换流桥串联组成。目前用于直流输电的换流桥均采用三相桥式换流电路，每一个桥有六个桥臂，由于桥臂有可控的单向导通性，所以称为阀或阀臂。从交流变换成直流和从直流变换成交流的过程分别称为整流和逆变。直流线路和交流线路不同，它只输送有功功率，不送无功功率。直流输电在技术上和经济上有许多不同于交流输电的特点，因此，在目前交流输电技术虽然已经广泛应用的情况下，有的工程由于经济或技术上的原因采用直流输电却较为合理。我们本次毕业设计中采用的就是直流输电。直流输电是先将交流电通过换流器变成直流电,然后通过直流输电线路送出。在受电端再把直流电变成交流电,进入受端交流电网。直流输电系统由换流(逆变)站、接地极、接地极线路和直流送电线路构成。换流站是用于联接交流侧和直流侧的装置,也就是供交流电与直流电间进行变换的换流装置。换流装置由换流变压器、换流器、控制极触发装置、控制保护装置及其它辅助装置等构成。直流线路与交流线路一样,由导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置等组成。地线、基础、接地装置的设计与交流一样。交流导线为三相制,但在直流系统中相应地称之为极,交流系统输电时,三相要同时运行,而在直流系统中,每个极可以独立地传送电力,可单极运行。2.2 直流输电系统控制部分分析直流输电的优点之一，是能够通过换流器触发相应相位的控制，实现快速和多种方式的调节。不但为了改善直流输电系统本身的运行特性要进行各种调节，而且还可以扩大到以交流系统为对象进行调节，即充分利用直流输电系统快速调节的特点，以改善交流系统的运行特性。可以说直流输电系统的许多运行特性，是由调节方式所决定的，故自动调节系统在直流输电系统中占有重要的地位。2-2图中所示为全波整流过程，（090）为整流器的触发滞后角，为整流器的换相角。忽略不记换相角，则此时的直流平均电压为 图 2-2 整流器的电压波形在图2-3中：为逆变器的触发滞后角（90 180）；-，触发越前角； 为逆变器的换相角；为关断越前角，它反映了阀桥中的桥臂在换相完毕桥臂关断直到桥臂再次处于正向压降之间的“熄弧”时间所对应得工频相角。关断越前角必须足够大，以免熄弧时间太少，可控硅元件在再次处于正向压降下误导通，而引起换相失败。通常关断越前角应控制在1721左右。同样忽略换相角，根据逆变侧公式知，直流平均电压为。 图 2-3 逆变器的电压波形利用直流输电系统整流侧和逆变侧的直流电压的计算式，对整流侧加下标r，对逆变侧加下标i，可做出两端直流输电系统稳态运行的等值电路，如下图： 图2-4由图2-4中所示的等值电路可以求得稳态直流电流： = 注：V1 = V4=上式中表明，可以从如下两个方面调节疏松的直流电流和直流功率：一是调节整流器的触发滞后角或逆变器的熄弧角，即调节加到换流阀控制极或栅极的触发脉冲的相位：二是调节换流器交流电势E或E，一般靠改变换流变压器的分接头来实现。用控制极进行调节，不但调节范围大，而且非常迅速，是直流输电系统的主要调节手段。而调节换流变分接头则速度缓慢且范围有限，所以只作为控制极调节的补充。直流输电系统基本控制特性中，整流器的基本控制特性由定角核定电流两段特性组成。由上可知定角特性唯一斜率不大的向右下倾斜的直线，随角的增大，直线平行下移。在这段特性运动时，流侧不大的电压波动会引起直流线路电流的大幅度变化，这无论对于直流系统还是交流系统都是不利的，因此，直流输电系统常采用定电流的控制方式。定电流的控制特性为一与横轴垂直的直线。当交流侧电压有变化时，通过调节角，是运行点沿这段直线上下移动，以保持电流恒定。为触发交的限定值，为稳定运行点的触发角值。而逆变侧的基本控制特性由定关断角和定电流控制特性组成。为了减少无功功率消耗，关断角应尽量取小。但是，逆变器在运行中首先要确保安全，避免换相失败。因此逆变器的关断角不应小于某一最小允许值。在实际运行中，逆变器的运行点常由关断角（）特性决定。2.3 直流输电系统时序分析而上述的整流侧逆变侧的电压波形是通过对阀组控制实现的。以逆变侧为例，如图2-5所示通过三相电压的比较用脉冲来依次对阀组的栅极进行点火，这个脉冲称为触发脉冲，它是加到阀组控制极上的触发信号，用来控制晶闸管导通的时刻。一个阀组有六个晶闸管，所以加到一个阀组上的点火脉冲就有六路，每路信号控制一个晶闸管。顺序如2-5图所示为1，2，3，4，5，6 图 2-5点火脉冲的波形如2-6图所示。每路点火脉冲在一个周期内（20ms）有一个宽120的电平信号。各个依次的触发脉冲之间的间隔均为60。图2-6 阀组的六路触发脉冲2.4 小节本章讨论了直流输电的相关理论。直流输电是将发电厂发出的交流电经过升压后，由换流设备（整流器）整成直流，通过直流线路送到受端，再经过换流设备（逆变器）转换成交流，供给受端的交流系统。通过延迟触发角的控制，换流装置可运行在整流状态，也可运行在逆变状态。整流侧的定电流控制，逆变侧的定关断角控制，是两端直流以输电系统正常运行时的基本控制方式。3 电磁暂态理论EMTP数学建模3.1（Bergeron-Dommel）模型介绍由Dommel的经典电磁暂态理论，我们来对在本设计中使用的各个电力系统元件进行数学模型建立分析和数值计算方法，EMTP可以解由电阻、电感、电容、单相或多相形电路、分布参数输电线路或其它元件相互连接组成的任意网络。线性无耦合集中元件由电阻R、电感L和电容。它们通常是等值电路的一部分，用来模拟发电机、变压器、短输电线路或其它电力系统中的元件，也可以模拟它们本身。电力系统的瞬态过电压计算可归结为求解仅含集中参数R、L、C复杂网络的节点电压问题，作为EMTP的算法：用近似的电导和等效电流源的组合来代替电感和电容，然后求解所得的联立代数方程，这种就是长线的等效果集中参数模型。下面就电阻、电感和电容的（Bergeron-Dommel）模型来分析。3.2（Bergeron-Dommel）模型分析3.2.1 电阻R电阻用于模拟以下元件：（a）断路器中的合闸电阻或分闸电阻；（b）变压器或发电机中性点接地电阻；（c）“计量”电阻，在EMTP中用于以其它方式得不到支路电流或电压处；（d）作为等值电网中的一部分;在设计中，我们主要遇到的是出现电阻很小的情况，在设计线路中，两组阀组开关，每个阀组开关中由六个TACS控制开关，而两个开关间是不可以直接连接的，只允许在未知电压节点上连接一个开关，此时，很小的R值在稳态解和暂态解中产生一个大的电导值，它将忽略掉连接至该电阻上其它元件的影响，故它的大小可以产生精度问题。电阻R和电压-电流关系式很简单，因为 u=Ri （3-1）所以，等效模型就是电阻本身， 时刻通过电阻的电流与前以时刻的电压和电流无关。3.2.2 电感L自电感L在设计中主要用于:（a）模拟直流换流站中的设备，作为一个平波电抗器来用;（b）在直流及交流滤波器中作为一个部分元件;在设计中，我们主要是要的在整流侧和逆变侧中间直流输电线路中的，作为一个平波电抗来用，它的值不是很大，电感还用于在交流滤波器中的一个元件，在设计中，我们使用的滤波器主要由R-L-C、双调协、C型，在中都包含电感L，小的电感在使用中也会产生精度问题。电感L的电压-电流关系式是 u(t)=L （3-2）或 i(t)= （3-3）上式中是时刻流过电感的电流，以下用表示t时刻，而以表示t-时刻的电流。计算流过电感的电流时必须在等分的时间间隔、.、内由上式（3-3）算出一系列的值，在第K个间隔结束时电感的电流是 = （3-4）方程（3-4）中出现的积分可以用梯形近似法求得，即 = （3-5）u下标的k和k-1和上面定义的I的下标类似。现得出如下线性关系： =+=（+）+ （3-6）上式可看成 i=I+u =由此，电感可以用如上图所示的等效电流源和等效电导的并联支路来表示，由于取等分的时间步长计算，所以在整个计算时限内g值不变，然而对应每个新的时间的I值必须重新调整。3.2.3 电容C电容元件主要用以模拟以下元件： （a）串联及并联电容；（b）超高压直流换流站中的设备，交流滤波器中的部件;电容在设计中主要用于在交流滤波器中的使用，在电容C的电压-电流关系式是 I(t)=C （3-7）如果将梯形积分公式用于此式，将得到：=+ （3-8）式中u和I下标的意义同前，上式可写成=+（-） （3-9）与电感模型类似，也可看成I= I+u 只不过这里的等效电流源I为前一时刻电容支路电流与前一时刻通过等效电阻的电流之和的负值。电容元件的等效模型见下图由以上储能元件（L、C）的等效模型可以看出，计算时刻储能元件中电流源I由前一时刻通过该元件的电流和前一时刻该元件的端电压确定。3.3 分布参数输电线路的贝杰龙等值计算电路输电线路分布参数的影响可以用两种方法处理：一种是将线路适当的分成若干段，每段用型或T型集中参数电路代替；另一种常用的暂态等值计算模型就是贝杰龙（Bergeron）模型。贝杰龙法可以将分布参数线路的波过程转化为仅含电阻和电流源的集中参数电路。对于一单根无损线路，设单位长度的电感为，单位长度的电容为。可以列出下列微分方程（333）并可将（333）改写为二阶波动方程，即（334）式中：为沿线电磁波的传播数度。式（334）的通解为（335）式（335）中，与有关的项反映速度为的前行波，与有关的项反映速度为的反行波，为线路的波阻抗。将式（335）的第二式两端乘以，再与其第一式分别相加和相减后，得（336）（337）贝杰龙应用此两式表示的任一点电压、电流线性关系，再已知边界条件和起始条件下计算了线路上的电压、电流。这并不直接应用贝杰龙法，而是用式（336）和式（337）推导线路两端的等值计算电路。在式（336）中，分别令和，则由图310知，于是得（338）（339）在式（338）中，将t换成，为电磁波由线路一端到达另一端所需的时间），于是式（338）变为（340）将式（330）与（339）进行比较，可以导出 （341）式（339）、（340）和（341）的物理意义为：时刻在端的前行波，在时刻到达端。式（341）可改写为（342）（343）采用相同的方法，可由式（337）要以导出（344）（345）式（344）、（345）的物理意义为：时刻在端的反行波，在时刻到达端。式（342）（345）给出了时刻线路一段电流、电压与时刻另一端电流、电压之间的关系。这组关系可以用暂态等值计算电路来反映。贝杰龙法将分布参数线路的波过程转化为仅含电阻和电流源的集中参数电路，线路两端间的电磁联系由反映时刻两端电压、电流的等值电流源来实现，而无直接拓扑联系。这样在已知时刻线路两端电压和电流值的情况下，可以分别应用式（344）和（345）求出两端的等值电流源，然后用式（342）和（344），便可分别得出时刻两端电源和电流的关系式，从而将它们用于全网在时刻的数值计算。等值电流源经过适当的推导可以改写为下列递推形式（346）3 小结本章介绍了集中参数电路的瞬态过电压计算方法以及单根导线瞬态过程的行波法（贝杰龙法）。对于电感电容等集中参数的元件，可以用近似的电阻和等效电流源的组合（伴随模型）来代替，这样网络就可以变成简单的直流网络。分布参数长线以及非线性电阻等其它元件同样也可以化为类似的模型。这是Dommel电磁暂态计算理论的基本思想。4 EMTP的建模方法 ATP是Alternative Transient Program的缩写，BTP EMTP程序的继续和发展，这两个程序的功能和输出卡片的填写大体相仿，均是在纯dos下运行，数据均以卡片的形式填写，由于其对行列的定义十分的严格，在卡片的填写的过程中要特别注意行列的对应，主要用于模拟计算电力系统的电磁暂态过程，为电力系统的科研、设计和安全运行提供可靠的依据。程序可以求解包括集中参数的线形的非线形电阻、电感电路、电容电路、多相型电路，多相分布参数线路、各种类型的开关、变压器、电源以及控制系统等组成的大型电力系统的稳态和暂态过程。此外，凡是可用电路来模拟的其他系统，如机械系统等的稳态、暂态过程，均可用次程序计算。根据元件的不同特性，建立相应的代数方程，常微分方程和偏微分方程，形成节点导纳矩阵。采用优化节点编号技术和稀疏矩阵法，以节点电压为未知量，利用矩阵三角分解求解，最后求得各支路的电流、电压和所有消耗的功率、能量、。在稳态计算中应将非线性元件线性化，包括利用简单的迭代进行潮流计算。在暂态计算中非线性特性可以用分段线性化来处理，也可以进行迭代求解。EMTP建模主要分为三大块，分别是原始数据卡片的建立、数据卡片的建立及辅助支持程序。本次设计只涉及到数据卡片的建立，其他均为缺省。数据卡片包括特殊要求卡片组、控制系统的模拟、支路输入卡片组、开关输入卡片组、电源输入卡片组、潮流计算卡片组、初始条件卡片组、输出要求卡片组、绘图卡片组及统计计算和系统计算输出卡片。特殊要求卡片主要是定义计算的步长等基本的要求；支路输入卡片组定义支路的参数及各个支路的节点名形成对已有电路模型的改造，形成EMTP程序要求下的网络模型；控制系统的模拟这个环节是在本次设计中就分工而言，我这次设计的主要环节，称之为系统模拟的二次部分，主要是通过补充变量和补充装置来实现的；其他卡片组略。总之，EMTP的建模方法更多的是了解掌握EMTP的使用说明，在这里面要特别加以提出的是要明确个列的含义和注意支路输入时分节点等事项。5 背靠背直流输电系统的EMTP仿真建模5.1 一次系统的模型介绍 在本次设计中，我们主要对一个典型的背靠背模型进行建模，既而通过调节角来控制整流侧和逆变侧的阀组来得到期望的直流电压及直流电流。 对于整个系统,以下是系统的结构图如下:图5-1 直流输电系统结构图 在这个系统中,我们使用的是个比较理想和简单的6脉波整流的直流输电系统,它在每个电源支路上包括三个滤波器,分别是R-L-C,双调谐,C型滤波器,整个系统中共有TACS控制开关12个,作为我们设计的主要部分。关于一次系统的设计及滤波器的选取请参看与我同一课题的另外两位同学的设计，这里不做过多的陈述。5.2 二次系统EMTP建模二次系统建模主要是完成对阀组的控制。为了加强对EMTP软件的了解和掌握程度，我们假设提前并不知道电源的相位。这样也便要求首先要判断电源的相位，也就是找到阀组自然换相的时刻以进一步控制滞后角和阀组的控制，进而完成对直流输电系统的功率，电流，电压的控制。5.2.1 二次系统建模总的流程判断出一个自然换相点后，其他的自然换相点可以依次延时1/6个周期得到。这个自然换相点以阀组1对应的为例，也就是A相和C相电压正向相等的时刻。得到此时刻后及自我定义滞后角对应的时刻，就可得到所要构造的触发脉冲源的触发时刻，得到阀1对应的脉冲源依次延时1/6个周期就可得到例外阀15对应的脉冲源，进而实现对阀组的控制。由一次系统的模型可知，要完成的二次系统的控制分为整流侧和逆变侧，由于原理相通，我们只以整流侧为例进行阐述。由上知总的流程，如图5-2所示： 图 5-2 控制流程图5.2.2自然换相时刻的得出如图5-3所示： 在已知如何得到A相与C相之差正向过零的前提下，当A相与C相之差正向过零时输出UZRO通过计数器形成保持信号M（即一个+1的输出）。由于只须判断第一个周期，余后的周期要对判断得到的时刻闭锁，可加一方波信号（XHY）与之相与形成闭锁。如图示保持信号M与方波源（XHY）产生的保持信号MM通过附加变量的FORTRAN表达式相与得到保持信号MMM。由MMM使累加器在UZRO产生时将此时的时刻保持住，这样就得到了阀1对应的自然换相时刻。如果进一步加上滞后角对应的固有延时时间就会得到阀1对应的触发时刻。对应的EMTP程序如下示：11XHY 1. 0.02 100.99MM 60+ZERO +ZERO +PLUS1 0.5 XHY99M 65+UZRO 99MMM =M.OR.MM99T 65+DELTAT MMM98LT2 =0.0163888*PLUS198TT =T+LT2 图5-3 触发时刻的计算电路5.2.3电压过零的判断 图5-4 如图5-4所示：取节点ZA6，ZAC 的电压，通过FORTRAN 表达式得到电压FF=-，接下来判断电压FF正向过零（即FF由大于零到小于零），相应的EMTP程序如下示：90ZA690ZC698FF =ZA6-ZC6判断FF正向过零：如图5-5示，延时器（53）将电压信号延时一个步长t，四个输入可选元件（60）和两个函数表达式（FT）构成逻辑判断程序，这个部分的作用是在每个时间步长t中，将电压FF与其前一个步长的值进行比较，如果是过零则F1输出为0，通过一个可选元件（60）使输出变为 1，由判断FF过零后一时刻大小来闭锁FF信号的负相过零，得出正相过零时对应的，UZRO=+1，否则UZRO =0。判断电压过零的EMTP程序如下示：99FFLL 53+FFL99FFL 53+FF99F11 60+PLUS1 +MINUS1 +MINUS1 0. FF99F12 60+PLUS1 +MINUS1 +MINUS1 0. FFL98F1 =F11+F1299F2 60+ZERO +ZERO +PLUS1 0. FF99F3 60+ZERO +PLUS1 +ZERO 0. F198UZRO =F2.AND.F3图5-55.2.4脉冲源的产生及阀组控制的形成 本次设计由涉及到延时等操作，利用附加装置延时器（53），脉冲延时器（54）对已有脉冲源（23）均无法达到要求，所以就以函数的形式构造一个脉冲源。如5-6图示：由四个函数表达式和两个可选元件构成。这个脉冲源依次脉冲的取得是由取整（TRUNC）的基本方法实现的，加入可选元件主要是为了完善脉冲源的波头，由于这种设计使在TT时刻以内始终输出+1，再将其依次延时分别定义另外五个脉冲源，这样在这段时间内会出现阀组全部始终有触发脉冲使电路短路可能会引起数值发散。在得到第一个阀组对应的脉冲源K11后，对其依次延时1/6个周波，变会依次得到整流侧的脉冲源K12、K13、K14、K15、K16。用11型开关来控制整流侧阀组16支路。 图5-6对应的EMTP程序如下：98P11 =TIMEX-TT99N11 =TRUNC(P11/0.02)99T11 =P11-N11*0.02-0.0066799E11 60+PLUS1 +PLUS1 +ZERO T1199U11 60+ZERO +ZERO +PLUS1 P11 99K11 =E11.AND.U1199K12 53+K11 .0033399K13 53+K12 .0033399K14 53+K13 .0033399K15 53+K14 .0033399K16 53+K15 .00333控制开关分合的TACS信号程序如下示：11Z2 Z1 .000025 K1111Z5 Z42 .000025 K1211Z21 Z1 .000025 K1311Z5 Z4 .000025 K1411Z22 Z1 .000025 K1511Z5 Z41 .000025 K165.2.5逆变侧二次系统控制TACS信号由于逆变侧与整流侧的自然换相的判断，及各个脉冲源的形成都是一样的，只是滞后角有所区别。逆变侧的变量名均以H开头，具体的程序如下，请对照整流侧的每一段程序理解。98HFF =HZA6-HZC699HM 65+HUZRO99HMM =HM.OR.MM99HT1 65+DELTAT HMM98HLT1 =0.005333*PLUS199HFFL 53+FF99HFFLL 53+FFL98HT =HT1+HLT199HF11 60+PLUS1 +MINUS1 +MINUS1 0. HFF 99HF12 60+PLUS1 +MINUS1 +MINUS1 0. HFFL98HF1 =F11+F1299HF2 60+ZERO +ZERO +PLUS1 0. HFF99HF3 60+ZERO +PLUS1 +ZERO 0. HF198HUZRO =HF2.AND.HF398P21 =TIMEX-HT98N21 =TRUNC(P21/0.02)99T21 =P21-N21*0.02-0.0066799E21 60+PLUS1 +PLUS1 +ZERO T2199U21 60+ZERO +ZERO +PLUS1 P2199K21 =E21.AND.U2199K22 53+K21 .0033399K23 53+K22 .0033399K24 53+K23 .0033399K25 53+K24 .0033399K26 53+K25 .003335.2.6脉冲延时时间的选择由于TACS开关组的延时特性，每个开关均向后延时60度（0.0033333），在第一个TACS开关组中第一个开关考虑逆变侧先产生脉冲，额定功率下触发角：15，故而选用300度作为初始角，故而整流侧的第二个TACS开关组第一个开关的脉冲初始角选的似360度。；逆变侧熄弧角17，故选用180-17-22+15+300-360=96度作为初始角。则对应的触发时间分别为（即上文整流侧和逆变侧程序中的固有延时时间LT2和HLT1）整流侧：LT2=（300-15）/360*0.02=0.0163888 逆变侧：HLT1=96/360*0.02=0.0053333 5.3 小结 本章介绍了背靠背直流输电系统的EMTP仿真建模，重点介绍了二次系统的阀组控制及相应的对时模型的建立。通过电压过零的判断得出自然换相时间，由于固有延时得到整流、逆变侧控制阀1 的触发时刻，其他控制阀的触发时刻由控制阀1 的时刻依次延时60度（既0.003333秒）。已知了各个阀的起始时刻，0.02秒为周期的脉冲源由FORTRAN函数来构造。 6 数据结果和结论6.1 原始数据与数据结果原始数据：标称直流电压：Ud120 kV；标称直流电流：Id3 kA；华中侧交流母线线电压：U220230 kV；西北侧交流母线线电压：U330345 kV；额定功率下触发角：15；熄弧角17。以下图6-1到图6-5是在仿真程序中输出的图表： 图6-1直流电压 图6-2直流电流 图6-3 整流侧阀电压 图6-4 逆变侧阀电压 图6-5 220千伏侧变压器交流侧三相电压6.2 小结由图6-1至图6-6中数据可知所得运行结果与工程设计参数相比虽然存在一定的误差，但基本上是一致的。 但需要指出的是直流电流与理论值相差甚远，经分析知软件有个很严重的缺陷,系统无锁相环，而且在程序运行的过程中,选用三相变压器组,会在整流侧和逆