（电力系统及其自动化专业论文）呼伦贝尔辽宁交直流混合输电系统的建模与仿真.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc h i n am u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ea p p l i c a t i o no fh i g l lv o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ( h 、巾c ) t r a n s m i s s i o n 。c o m p a r e dt oa ct e c h n o l o g y , t h ed cp o w e rs y s t e m o f f e r sm a n ya d v a n t a g e sa n db e n e f i t st 0t h eo v e r a l lp o w e rs y s t e me s p e c i a l l yi n s u b m a r i n ep o w e rc a b l e s y s t e m s 、l o n g - d i s t a n c ep o w e r t r a n s m i s s i o na n d i n t e r c o n n c c t i o nb e t w e d i f f e r e n ta cp o w e rn e t w o r k s a st h ef i r s ta n db i g g e s ta c a n dd ch y b r i dt r a n s i m i s s i o ns y s t e mi nn o r t h - e a s to fc h i n a ，h ul u nb e ie r - l i a o n i n ga ca n dd ch y b r i dt r a n s i m i s s i o ns y s t e mh a st h ef e a t u r e so fg r e a tu n i t ，a c & d ch y b r i dt r a n s m i s s i o na n df l e x i b l eo p e r a t i o nm o d e s i t so p e r a t i o nc h a r a e t e r i s t i c s a n dp o s s i b l ep r o b l e m s ，s u c ha sp o w e rh a r m o n i ca n ds y s t e ms t a b i l i t y , a r ew i d e l y s t u d i e di nt h ew h o l ew o r l d i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i cm o d e l so fs y s t e mc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e da n d t h es i m u l a t i o nt e m p l a t eo fc o n v e r t e r , f i l t e r , a n dc o n t r o l l e ra r ec o n s t r u c t e d b a s e do n t h em a t h e m a t i cm o d e i sa n ds i m u l a t i o nt e m p l a t e so fs y s t e mc o m p o n e n t s ，t h e s y s t e m a t i cs i m u l a t i o nm o d l eo fh ul u nb e ie r - l i a nn i n ga c & d ch y b r i d t r a n s i m i s s i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d s o m es t e a d ys t a t e o p e r a t i o nm o d e da r e s i m u l a t e du s i n ge s t a b l i s h e ds y s t e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e l 1 1 1 ep o w e rh a r m o n i co f s y s t e mi sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fs t e a d ys t a t es i m u l a t i o na n dp o w e r h a r m o n i cc a l c u l a t i o n , t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni sv 耐f i e d s o m eu s e f u l c o n c l u s i o nf o rd e s i g ni sd r a w n k e y w o r d a ：a ca n dd ch y b r i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ；p s c a d ；s i m u l a t i o n ； s t e a d ys t a t eo p e r a t i o nm o d e s ；p o w e r h a r m o n i c - n 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： i 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：皇l 查n 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 蓟查筮 摹玉芟 日期：纽纽年月堑日 日期：华上月粤日 第1 章绪论 1 1 前言 高压直流( h v d c ) 输电由于没有交流输电那样的功角稳定问题，功率调节快 速以及运行可靠等优点，非常适合于大功率，远距离输电和两个电力系统的互 联。随着高电压大容量可控硅及控制保护技术的发展，换流设备造价逐渐降低， 直流输电近年来发展较快。目前全世界的直流输电工程约9 0 个，我国( 1 0 个) 直流输电总容量超过1 8g w ，总输电距离超过7 0 0 0 k m ，其中背靠背工程1 个， 容量3 6 0 m w 。直流输电最发达地区首推北美，美国有1 4 个直流工程，总容量( 含 背靠背) 1 0 8g w ，输电距离5 8 0 3k m ，其中背靠背工程8 个，容量1 9g w ；加 拿大有l o 个，总容量8 1 g w ，输电距离2 8 1 4k m ，其中背靠背工程4 个，容量 1 8 2g w 1 1 。 国内随着三峡工程的建设，一个全国联网的局面将会形成，许多专家都指出， 采用直流联网具有减少电网间的互相影响，限制故障范围，不增加短路容量，进 行可靠的事故支援等许多优点，可提高全国互联电网安全稳定水平，是最佳的联 网方式 2 1 。我国现有的几条高压直流输电线路见表1 所示。 表i - 1 我国已建成投入使用和在建中的几条高压直流输电线路 序号项目 m w u k v距离k i n投产年 备注 1 舟山工程 5 01 0 05 41 9 8 7海缆 2 葛洲坝一南桥 1 2 0 0士5 0 01 0 4 51 9 8 9 架空线 3 嵊泗工程 5 0士5 0 05 92 0 0 3海缆 4 三常直流工程 3 0 0 0士5 0 09 0 02 3架空线 5 三广直流工程 3 0 0 0士5 0 01 0 0 02 0 0 4架空线 6 三泸直流工程 3 0 0 0士5 0 01 1 0 02 0 0 7架空线 7 天生桥一北郊 1 8 0 0：t ：5 0 01 0 0 02 0 0 1架空线 8 安顺一肇庆 3 0 0 0* 5 0 0 1 0 0 02 0 0 5 架空线 9 灵宝 3 6 01 2 0o2 0 0 5 背靠背 1 0 贵广二回 3 0 0 0士5 0 01 0 0 02 0 0 7架空线 曾经议论过的直流输电线路还有：兰州至邢台、龙滩至广州、溪洛渡经武 汉至上海、成都至宝鸡、伊敏至鞍山、西北至华北、广东至海南、伊尔库茨克 至唐山等。随着电网技术和电力电子技术的发展，h 、，d c 技术将会继续深化其可 控性强的特点，同时克服其对电网带来的一些不利因素( 如谐波) 及换流站造价 较高的弱点，加强其在电网发展中的作用。 东北电网的主体由5 0 0 k v 和2 2 0 k v 两种电压等级的电网构成。随着5 0 0 k v 辽长吉哈佳输变电工程的投产，东北电网自北向南5 0 0 k v 双回路通道已经形成， 使东北电网的5 0 0 k v 网架结果有所加强，各输电断面北电南送有不同程度的提 高，但由于5 0 0 k v 电网网架仍处于发展阶段，网架结构薄弱的状况没有得到根 本改善，5 0 0 k v 系统还不具备独立运行条件。东北电网仍需要采用5 0 0 k v 和2 2 0 k v 电磁环网并列运行的方式。随着5 0 0 k v 电网结构的不断加强，安稳稳定运行水 平的提高，以及局部2 2 0 k v 系统供电可靠性的改善，东北电网将适时打开电磁 环网，逐步实现5 0 0 k v 与2 2 0 k v 解列运行，优化电网运行结构，使5 0 0 k v 电网 成为主干输电网，2 2 0 k v 电网成为地区网、供电网。 东北电网按照电源、负荷布局及网络结构，大致可分为南部电网、中部电 网和北部电网3 大部分，是典型的长链型结构。南、中、北部电网又由若干个 区域电网构成，其中南部电网由辽宁省电网和内蒙古赤峰地区电网组成；中部 电网由吉林省电网和内蒙古通辽地区电网组成：北部电网由黑龙江电网和内蒙 古呼盟电网组成。 连接南部和中部电网之间的联络线有5 0 0 k v 丰辽线、沙梨乙线及2 2 0 k v 梅 中线、梅虎线、清富线、清巨线、云卧线等7 回线路，简称辽吉省间联络线。 北部电网与中部电网之间的联络线有5 0 0 k v 合南线、永包线，2 2 0 k v 松五线、 东舒榆双线、长新线、松蛟敦镜温等6 回线路，简称吉黑省间联络线。 东北电网是百年老电网，设备陈旧，网架薄弱，无功补偿不足，安全稳定 水平低，电网安全稳定问题十分突出。随着近年来5 0 0 k v 网架的不断加强，安 全稳定水平有了一定程度的提高，但尚不能完全满足电力系统安全稳定导则 的基本要求。东北华北电网联网后，电网各主要输电断面的安全稳定水平均有 较大幅度的下降，东北电网的动态特性明显恶化，安全稳定问题更趋突出。 伊敏电厂窝电问题是目前东北电网安全稳定运行存在的主要问题之一。伊 第1 苹绪论 敏电厂暂态稳定水平较低，5 0 0 k v 冯大线、哈大线、哈南主变之一停电时，即 需安排伊敏电厂机组部分停机或全停。应该指出，对于伊敏电厂的窝电问题根 本的解决办法是加强5 0 0 k v 网架建设。本课题所研究的主要是呼伦贝尔电厂电 能外送辽宁的问题，同时有利于解决伊敏电厂窝电问题，并提高黑龙江省西部 网的外送能力，增强黑龙江省西部网与主网( 东北电网) 联系，提高西部网与主 网送受电能力。 东北电网呼伦贝尔一辽宁交直流混合输电工程目前正处于设计规划研究阶 段，它包括前述提到的伊敏至鞍山直流输电线路，此工程初步规划直流工程开 工规模3 6 0 万千瓦，力争2 0 1 0 年前投产1 8 0 万千瓦。此工程是我国东北电网第 一个交直流混合输电工程。它的建成和投运，将开辟蒙东煤电基地送电辽宁的 新输电通道，将大大提高东北电网北部电能外送的能力，同时有利于“西电东 送”、“北电南送”的实施。对促进全国联网，带动相关产业发展，振兴东北老 工业基地有重大意义。标志着我国东北电网的发展进入一个新阶段。 1 2 高压直流输电系统工作特点 。 对于电能的输送最早是通过直流来实现的，但后来由于多相交流电路原理 的逐步完善，出现了交流发电机、变压器和感应电动机，使得交流电的发电、 变压、输送、分配及使用变得更为方便、经济和安全可靠。这样交流电几乎完 全替代了直流电，并发展成今日规模巨大的电力系统。但是随着高电压、大容 量晶闸管制造水平的提高及控制理论和技术的发展，直流输电技术越来越被受 到重视。特别是在大功率、远距离、海底电缆送电和交流系统间非同步互联等 方面，直流输电相对交流输电有着明显的优势。不同于传统的交流输电，直流 输电系统具有如下优、缺点： 直流输电的优点： 第一，长距离输电线路建设费用低，输电损耗小。对于架空线路，常见三 相交流输电线路需要三根导线，而单极直流输电只需两根导线。当用大地或海 水作回路时，仅需一根导线，架空线的杆塔载荷小，线路所需走廊较窄。在输 送相同功率的条件下，直流输电可节省大量的有色金属、钢材、绝缘材料等。 另一方面，由于直流线路少一根导线，在输送相同功率的条件下，直流线路导 东北电力大学硕士学位论文 线电阻的功率损耗也比交流线路少三分之一。此外，由于直流输电没有集肤效 应，导线截面积得到充分利用，导线的功率损耗也比交流输电要小。对于电缆 线路，直流电缆与交流电缆相比，其投资和运行费用都更为经济。 第二，适宜于远距离输电。高压交流输电线路单位长度的分布电容较大， 为避免输电线过负荷，其输送的交流容量远低于自然功率。同时，交流输电线 路末端或中间因电容效应而使电压升高，需在线路中安装并联电抗器补偿，以 确保正常运行。而采用直流输电就无此弊端。 第三，通过直流输电线路连接的两端交流输电系统不需要同步运行，并且 输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制。在电力系统中的所有发电机都 要保持同步运行。如果输送功率过大或输电距离过长，线路两端功角差过大， 就不能保证系统运行的稳定性和可靠性。所以为了增加交流输电能力，常需要 采取一些措施如增设串补、静补、调相机和开关站等。这样势必增加了费用， 提高了交流输电线路的成本。而直流输电，由于不存在电抗，也就不存在系统 稳定的问题。同时，由于直流输电与系统频率、相位无关，故直流输电可连接 两个频率不相同的交流系统。这样既可以得到联网的技术经济效益，又可以避 免两互联电网间事故的相互影响，保证系统安全稳定运行。 第四，调节快速、运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能容易的快速调 整有公功率和实现“潮流翻转”，这样不仅在正常运行时能保证稳定的输出，而 且在事故情况下，可以由正常的交流系统向另一端事故系统进行紧急支援，从 而提高系统的稳定性；或者在交直流线路并列运行时，当交流线因扰动引起输 送功率变换时，可迅速调节直流输电的功率，以抵消交流输电系统因扰动引起 的功率变换量，从而提高系统运行的可靠性。 第五，限制系统的短路电流。用交流线路互联的电力系统，电力短路电流 随系统容量的增加而增大。可能会超出部分原有短路器的遮断容量。而利用直 流线路连接的两个交流系统，由于直流联络线的电流能按定值迅速加以控制， 因此两个系统各自的短路容量不会因为互联而有明显的增大。此外，当直流线 路发生短路故障时，同样也可以通过整流器的调节来限制短路电流。在直流线 路电容放电电流消逝之后，短路电流的峰值一般可控制到线路额定电流的1 7 2 倍。 第六，接线方式灵活，提高了运行可靠性。直流输电接线方式有双极、单 极大地回线、单极双线并联大地回线和金属回线等，可按需要选择。一般，正 常运行采用双极方式，一根导线是正极，另一根是负极，中性点搓地。当一根 导线或一极发生故障时，另一极的另一根导线能以大地作回路，继续输送一半 或全部功率；如果设备绝缘薄弱或线路沿线某段雾大，还可降压运行，从而提 高了运行的可靠性。 第七，可以分段建设，分期投资 3 1 。 由于上述诸多优势，高压直流输电有着广泛的应用领域，概括为以下几点： ( 1 ) 远距离大功率输电。 ( 2 ) 不同额定频率或相同额定频率非同步运行的交流系统之间的联接。 ( 3 ) 海底电缆送电。 ( 4 ) 用地下电缆向用电密度高的城市供电。 ( 5 ) 系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施。 直流输电的缺点： 第一，换流站的设备昂贵。换流装置由许多高电压、大电流可控硅元件串 联而成，并附带有均压电阻器、电容器、电抗器、冷却装置以及电子触发板等 组成，约占直流输电总投资的三分之一。 第二，消耗无功功率。换流器在运行时，需要消耗较大的无功功率。一般 情况下，整流器和逆变器所需无功分别为有功功率的3 0 5 0 和4 0 6 0 。 第三，产生谐波。由于换流站采用了大量的电力电子元件，运行过程中必 然产生大量谐波注入电网造成电力系统谐波污染。 谐波会对电力系统产生各种影响和危害：谐波会引起网络损耗；使变压器 铜耗和杂散磁通损耗增大，噪声增大，整个损耗又导致变压器发热增大；谐波 会引起同步发电机附加损耗，包括附加铜耗与铁耗，产生谐波转矩从而引起电 机转矩脉振，噪音增大，导致电机参数如电阻，漏抗发生变化。谐波引起的交 流电网的电压畸变可能导致常规控制角的出发脉冲间隔不等，并通过正反馈而 放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生连续的换 相失败而无法工作；无论在正常负荷状态或在暂态过程中，系统谐波从各方面 影响继电器工作，可能导致继电保护装置误动作；与此同时，谐波会对远动、 东北电力大学硕+ 学位论文 自动装置以及通讯线路造成不利的影响。 1 3 交直流混合输电系统的研究现状 1 3 1 交直流混合输电系统理论分析计算 利用交直流输电的理论公式计算交直流混合输电系统的潮流、运行方式， 并分析其对网络结构及稳定性等方面的研究。该研究方法在理论上定性地分析 系统网络规划、运行方式确定、以及系统稳定性等等问题，但由于此方法是基 于理论或者经验公式，并采用工程近似的方法，致使所得结论与实际系统存在 一定误差；同时，由于数学模型的限制此方法仅适用于系统稳态分析，不能对 系统的暂态过程进行定量分析。 1 3 2 交直流混合输电系统动态模拟实验 此方法基于建立的交直流输电系统的动模实验系统，其元件( 发电机、变压 器、输电线、换流站) 与真实电力系统的元件在物理性质上相似。按相似理论制 作模型元件，组成模型系统并引进与原型系统相似的自动调节装置模型，利用 模型系统可以观察到与原系统相似的连续动态过程。它可用于研究电力系统的 电磁、机电和波的过渡过程；可以检验基本理论。校准计算公式；检验不同条 件下电力系统的稳定性；检验自动装置的效能；校验保护设备等。但此方法存 在费用高，建设周期长，被研究系统的规模和复杂性受限制等缺点。目前，我 国已经对南方电网的多个交直流输电系统进行了动态模拟研究。 1 3 3 交直流混合输电数值仿真研究 数字仿真技术伴随着数字计算机和数值技术的发展而日渐成熟。这有利于 人们更加深入地研究和分析电机及电力系统的暂、稳态过程。目前，国内外已 经开发的比较成熟的数字仿真软件有：( 1 ) 邦纳维尔电力局( b o n n e v i l l ep o w e r a d m i n i s t r a t i o n ，b p a ) 开发的b p a 程序和e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p r o g r a m ) 程序；( 2 ) 曼尼托巴高压直流输电研究中心( m a n i t o b ah v d cr e s e a r c h c e n t e r ) 开发的p s c a d e m t d c ( p o w e rs y s t e mc o m p u t e ra i d e dd e s i g n e l e c t r o 第1 章绪论 m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m i n c l u d i n gd i r e c tc u r r e n t ) 程序；( 3 ) 德国西 门子公司研制的电力系统仿真软件( n e t w o r kt o r s i o n m a c h i n ec o n t r o l ， n e t 伽a c ) ；( 4 ) 中国电力科学研究院开发的电力系统分系综合程序( p o w e r s y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ，p s a s p ) ：( 5 ) m a t h w o r k s 公司开发的科学 与工程计算软件m a t l a b 4 j 【5 1 。 根据各个电力系统仿真软件的结构和功能特点的不同，它们各自的应用领 域也有所侧重。e m t p 主要用来进行电磁暂态过程数字仿真，p s c a d e m t d c 、 n e t o m a c 主要进行电磁暂态和控制环节的仿真，b p a ，p s a s p 主要进行潮流和机 电暂态数字仿真。m a t l a b 主要进行控制环节的数字仿真研究。 利用这些软件可以对电机和电力系统的各种运行情况进行深入地研究。对 于电力系统，目前已经能够进行复杂电力系统的仿真研究。这种复杂电力系统 的仿真基于发电机机组、变压器、直流输电及交流输电中各个电气元件准确的 数学模型，定量地分析不同运行方式( 正常、故障) 、稳态和暂态情况下的电力 系统各种电磁物理量( 包括谐波) 的变化情况。数值仿真具有以下优点：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： 可用于对未来系统的发展进行预测。 ( 1 ) 交直流输电系统数值仿真模型的研究 因系统数值仿真是基于各元件的数值仿真模型进行的，故元件的数值仿真 模型的准确性直接影响系统仿真结果的准确性。因此，国内为研究者在交直流 输电系统数值仿真建模方面开展大量研究。 ( 2 ) 交直流输电系统的各种暂、稳态运行工况的仿真研究 基于系统元件的各种仿真模型，通过对交直流输电系统各种暂、稳态运行 工况进行大量的仿真，分析研究了系统各种工况下，系统稳定性、运行控制、 谐波、系统传输功率等方面的问题。 1 4 论文研究的主要内容 本文利用p s c a d 仿真软件建立了呼伦贝尔辽宁交直流混合输电系统的仿 真模型，然后对呼伦贝尔一辽宁交直流混合输电系统的某些稳态运行工况进行 仿真，并分析了系统稳态运行的电力谐波情况。通过仿真初步验证此输电方案 东北电力大学硕+ 学位论文 的可行性。从而为呼伦贝尔一辽宁交直流混合输电系统工程的规划，建设以及 运行管理等方面的工作提供一些理论参考依据。 论文的主要工作有： ( 1 ) 对直流输电系统的运行机理进行分析，并根据直流输电的基本运行理 论对换流器、滤波器、直流极控制装置的工作原理进行研究。 ( 2 ) 根据直流输电的数值仿真理论和系统中各元件适当的数学模型，利用 p s c a d 仿真软件建立了呼伦贝尔一辽宁交直流混合输电系统的数字仿真模型。 ( 3 ) 利用所建模型，对呼伦贝尔一辽宁交直流混合输电系统的某些稳态正 常和非正常运行工况进行仿真研究，分析不同工况下系统的各个电量的变化情 况和系统的电力谐波，并考察系统在某些运行方式下的功率输送情况。 第2 章直流输电的基本原理和直流系统的数学模型 本章主要介绍直流输电的基本原理、直流输电系统的数学模型、直流输电 系统的基本控制方式和控制特性，以及滤波器模型。 2 1 直流输电的基本原理 直流输电在原理和技术上同交流输电相比有很大的差异，下面从直流系统 主要设备、换流器的工作原理两方面方面介绍直流输电的基本原理。 2 1 1 直流输电系统的主要设备 图2 1 双极h v d c 系统构成图 图2 - 1 中主要设备如下： ( 1 ) 换流变压器，变交流电压为桥阀所需电压。换流变压器向整流桥提供 适当电压等级的不接地三相电压源，而逆变桥向换流变压器提供与整流桥侧电 压等级一致的三相交流电源【6 j 。 ( 2 ) 换流器，由晶闸管组成，用作整流和逆变，完成交一直流和直一交流 的转换。换流器一般采用三相桥式线路，每桥有6 个桥臂( 即6 脉冲换流器) 。 双极1 2 脉冲h v d c 输电系统由两套双桥组成。 东北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 滤波器，交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。对单桥 用单调谐滤波器吸收5 、7 、1 1 次( 6 n 1 次) 谐波，用高通滤波器吸收高次谐波； 对双桥用l l 、1 3 次( 1 2 n 1 次) 谐波滤波器及高通滤波器。直流侧滤波器一般 装在直流线路两端，用有源滤波器广频谱消除谐波，单桥时吸收6 n 次谐波，双 桥时吸收1 2 n 次谐波。 ( 4 ) 无功补偿，在稳态条件下，h v d c 系统吸收的无功功率为其额定传输功 率的5 0 左右。在暂态情况下，h v d c 系统吸收的无功功率更大，因此，必须在 整流桥和逆变桥的交流侧设置容性无功功率补偿装置。对于强交流系统，通常 用并联电容补偿的形式。根据直流联络线和交流系统的要求，部分无功功率可 采用同步调相机或静止无功补偿器( s v c ) 。交流滤波器中的电容也可提供部分无 功功率川。 ( 5 ) 直流平波电抗器，减小直流电压、电流的波动，受扰动时抑制直流电 流的上升速度8 1 9 1 。与换流站的每极串联，具体作用如下： ( a ) 降低直流线路中的谐波电压和电流： ( b ) 防止逆变桥换相失败： ( c ) 保证轻负荷电流的连续与稳定性； ( d ) 限制直流线路短路期间整流桥中的峰值电流u o l 。 2 i 2 换流器工作原理 v t -鹦5 h i2l 厂 2- i 符雌纽 b 、j ，= 、*l c n _ y一 fz f lzl v r 6v r j 图2 2 三相全波桥式整流器等效电路 高压直流换流器的基本模块是三相全波桥式电路，如图2 2 所示。换流器 中的阀是一个仅能单向导通电子可控开关。桥阀从关断转入导通状态有两个必 要条件：一是阀两端电压为正，二是在阀的控制极上输入触发脉冲。阀导通后 就会处于通态，直到阀电流减小到零，并且阀电压保持一段时间等于零或为负 第2 章直流输电的摹本原理和直流系统的数学模型 时，阀才转入关断状态。图2 2 中的六个阀按正常轮流导通次序编号。 ( 1 ) 全波整流过程 一 ， 图2 3 整流器电压波形 从图2 3 的电压波形可见，在t o t 尚未到达0 0 以前，电压以的瞬时值最高，电 压蛳最低( 负得最多) ，接于这两相间的阀v t 5 和v t 6 正处于通态，其余四个阀因 承受反向电压而处于断态。在6 0 t = o o 以后，u a 电压最高，使共阴极组中的阀v t l 开始承受正向电压，经过滞后角a 后，阀v t l 接到触发脉冲开始导通，这时阀v t 6 仍处于通态，电流通过阀v t l ，负荷和阀v t 6 形成回路。阀v t l 导通后，阀v t 5 因承受反向电压而被关断。当电压“瑚对最低时，经触发延迟后阀v t 2 导通，阀 v t 6 关断，电流通过v t l 和v t 2 形成回路。接下去是阀v t 3 代替阀v t 2 导通，电流 继续通过阀v t 2 。依次下去，阀的导通顺序是：3 和4 ，4 和5 ，5 , 0 6 ，6 , n 1 ，l , n 2 ， 2 和3 ，3 蒂1 1 4 ，如此周而复始。 ( 2 ) 换相过程 图2 4 换相过程 当由导通阀v t l 换相至阀v t 3 时，换相回路因电感厶的作用，电流不能突 变，换相不能瞬时实现。在从 = 口到甜护盯+ a u 的一段时间里，阀y t l 的 电流由厶逐渐降至零，阀v t 3 的电流则由零上升到厶。这段时间内阀v t l 和阀 v t 3 共同导通，对于交流系统相当于发生a 、b 两相短路，所产生的短路电流就 是其换相作用的换相电流厶。设f 为交流电压的有效值，短路回路( 如图2 4 中 东北电力大学硕十学位论文 虚线所示) 的方程为： 2 上了d * = 压e s i n c a ( 2 1 ) 。西 由此可以解出： = 篆c o s o x + c ( 2 - 2 ) 当m f = 口时，拓：o ，可得： c = 矗一a ，誓= 志( 一a 一耐) ( 2 - 3 ) 当甜t = - 口+ 时，j ! ：厶便有。 厶= 壶 一扣一) = 壶 一州州) ( 2 - 4 ) 由此可得换相角： = - - t l + c o s - i c o s a 掣1 p s ， 式中，疋称为换相电抗，_ 称为换相角( 亦称叠弧角) ，当直流电流增大和 换相电压降低时换相角p 都会增大。 ( 3 ) 整流器的直流电压计算 对于整流器当不考虑换相过程即口 0 ，= o 时，先推导在这种情况下的直 流电压的平均值为： u d = u d ocosdl(2-6) 然后计算出换相压降引起的直流电压平均值的损失量为： 1 a u d ；= 1u 枷 s 口一c 。a 十p ) ( 2 7 ) 计及式( 2 4 ) ，又可将4 以表示为： 3 t o l 一， a u d = - - - - - l ( i = 白 ( 2 。8 ) 石 上式说明，换相压降引起的直流输出电压降低量4 同电流厶成正比，其 比例系数为3 0 , - c 肠，因此，换相压降所致的电压损失也可以用一个直流侧的等 值电阻来模拟。但这个电阻并不引起有功功率损失。 第2 苹豆沉输电的幂本隙理和直流系统的数学模型 考虑了延迟角口和换相角1 2 以后，直流电压的平均值为 3 盖 u d2 u d o 。”以u d2 u d o “”号i d 肚u d o c o s 。- 7 d ( 2 - 9 ) 或 u d = u d oc o s 口一a u d = i u 4 口+ c o s ( 口+ ) ( 2 1 0 ) 由于触发延迟和换相效应，交流侧相电流的基波要比相电势滞后一个相角 毋，这就要求交流系统向整流器提供感性无功q ；p t a n p 。 功率因数可近似表示为： c o s p = 【，d 加棚= ； c o s a + c o a + 卢) ( 2 11 ) 当口和都比较小时，p * ； + ) 。 ( 4 ) 逆变器工作原理 图2 - 5 换流器运行在逆变状态 当整流器的延迟角a 逐渐增大时，直流输出电压便要下降，当口= 9 0 0 时直 流输出电压降为零，随着进一步的触发延迟，平均直流电压变成负的。由于阀 的单向导电性能，电流仍从阳极流向阴极，这时换流器进入逆变工作状态。从 图2 5 中可见，逆变器的工作特点是，阀2 、4 ： 1 2 6 处于高电位，阀1 、3 和5 处于低 电位；电流自高电位的阀流进，自低电位的阀流出。这种情况与整流器的正好 相反。 逆变器与整流器虽然作用相反，但从原理上讲两者是一致的。a 为逆变器 的触发滞后角( 9 0 0 盯 1 5 0 0 ) ；，= 1 8 0o 吨，触发越前角；1 2 为逆变器的换相角； y 为熄弧超前角( 或关断越前角、熄弧角) ，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”时间所对应的工频相角。熄 弧角必须足够大，以免熄弧时间太短，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。通常熄弧角应控制在1 7 0 2 1 0 左右。 东北电力大学硕十学位论文 在实际运行中，如果由于某种原因使交流侧电压下降或直流侧电流上升， 都会延长换相过程，使换相角a 增大，如果逆变角鼻未及时增大，则将使关断角 j ，减小，r y 。当时就会使逆变器换相失败。 使用同整流器一样的计算方法可以推导出逆变器直流电压的计算式： 3 ￥ u d 乱d o c o s ，一 i d b ；u d 0c o s y - r 8 ld 岱1 2 ) 可见，整流器和逆变器的直流电压公式是非常相似的，只是其中的a 角换 为了j ，角而已。 逆变器将会向交流系统输出有功功率，但同整流器一样它也会从交流系统 吸收感性无功功率，功率因数可近似表示为： 1 c o s p ； 【c o s ，+ c o s ，】或矿“，+ 声；j 口一百1 ( 2 1 3 ) 2 ( 5 ) 换相失败 换相失败是逆变器最常见的故障。当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导 通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电 压期间换相过程一直未能进行完毕，这两种情况在阀电压转变为正向时被换相 的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这称为换相失败。它使得逆变器在 一段时间内发生直流反电压降低，直流电流增大的情况。 造成换相失败故障的原因有：交流电压下降；直流电流增大；触发角a 过 小或整定的关断越前角r 过小等【】。 kkkk i 镀；镀；镀i 镀 图2 - 6 换相失败过程中晶闸管导通顺序 换相失败的过程如图2 6 所示。在逆变器运行过程中，以阀1 对阀3 的换 相过程为例，如果阀3 触发时刻的熄弧越前角，不够大，或者换相角t 较大， 以致换相结束后阀1 的熄弧角r d , 于关断所需要的角度( 时间) 。由于阀1 元件 内还有剩余截流子，因此在正向电压作用下即使不加触发也会重新开通，阀3 已取得的电流又将倒换相到阀1 。有时由于y 过小或f 过大，甚至在阀l 向阀 第2 章直流输电的基本原理和直流系统的数学模型 3 换相的过程尚未完成，接着就从阀3 倒换相到阀1 。倒换相结束后逆变桥仍有 阀1 、阀2 导通着。如果没有故障控制，仍按原来次序触发以后各阀，则接下 来阀2 与阀4 开始换相，这时由于阀1 和阀4 同时导通，造成了直流侧短路。 而在随后的时间里，阀5 承受反向电压，所以触发脉冲不能使它开通，因而阀 1 仍旧导通。当阀4 换相到阀6 之后，直流短路才消失，逆变器直流电压开始 恢复正常运行。故障过程中逆变器反电压下降历时约2 4 0 0 。上述故障称为一次 换相失败。 2 2 直流输电系统的数学模型 图2 - 1 所示直流输电线路的等值电路如图2 7 所示。 l *kkh 图2 7 直流输电线路等值电路 珏和分别表示整流器和逆变器的直流电压，如和厶为整流侧和逆变侧 平波电抗器的电感值，厶和尼分别为二分之一的直流线路的电感值和电阻值， 以为直流输电线路总的对地电容值，如和厶分别表示整流侧和逆变侧的直流电 流，眨为对地电容上的电压值“2 1 。 由图2 7 ，应用电路理论，可列写直流输电的状态方程组如下： ( k + 厶) 警= 一心+ 一k ( 厶+ 厶) 等= 一局如一吃+ k ( 2 1 4 ) c 。d 出v = 一屯 ( 2 1 5 ) 由第一章的分析，整流器在电力系统中可以等值为如图2 - 8 所示的等效电 路。 东北电力大学硕士学位论文 图2 8 整流器等效电路 其中： 珞= 等c 0 s “- - 扣 上式中珞r 整流器交流侧线电压，_ 乒d 厶为整流器换相电抗。 同样的，逆变器在电力系统中可以等值为如图2 - 9 所示的等效电路。 圈2 - 9 憩受器等效电鼯 结合式2 - 1 6 可得： ：三塑圪( f ) c o s + 三五屯 ( 2 1 7 ) k ，r 砂为逆变器交流侧线电压，丑为逆变器换相电抗。 由式( 2 - 1 4 ) 、( 2 - 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 可得直流输电系统的状态方程组为： k 警一心l + 等删一昙l k 厶警= 一心l 一3 万5 v o , ( 0 c o s 一昙厶+ 屹 ( 2 一1 8 ) 盛 盘 ， 第2 章直流输电的基本原理和直流系统的数学模型 警= l 一厶 方程组( 2 一1 8 ) 即直流输电系统的数学模型。 2 3 直流输电控制系统的数学模型 高压直流输电是高度可控的，其运行依赖于这种可控性的正确应用，以保 证系统有期望的性能。高压直流输电系统采用分层控制方式，目的在于使系统 高效稳定的运行和保持功率控制的最大灵活性，同时保证设备的安全。系统中 最底层的控制就是整流器的本地控制( 极控制) 。 直流输电的优点之一，是能够通过换流器触发相位的控制，实现快速和多 种方式的调节。进行各种调节，不但可以改善直流输电系统本身的运行特性， 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，是由调节方式所确定的，所以自动调节系统在直流输电系统中占有很重要 的地位。 ( 1 ) 直流输电系统基本控制原理 直流输电系统换流器的等效计算电路如图2 1 0 所示，基本计算公式如下： 交流母线 图2 1 0 直流输电换流器等效计算电路 5 。3 。一a v d4 “一3 x , r 白口 s = v d | v p 2 i d * 口z p t a n # * ( 2 - 2 0 ) f 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 东北电力大学硕士掌位论文 以上式中，以为平波电抗器后的直流电压；厶为平波电抗器后的直流电流； 占为串联的桥数；，为变压器变比；石为换流变压器漏抗( 换相电抗) ；口为触发 延迟角；中为功率因数；p 为换流器有功功率；口为换流器无功功率；尼为交 流系统注入基波有功功率；让为交流系统注入基波无功功率。整流运行时k 忍、乱为正，逆变运行时凡为负，以为正。 对整流侧的电压加下标，对逆变侧加下标j ，可作出两端直流输电系统稳 态运行的等效电路，如图2 1 l 所示，由图中可以得到从整流器流向逆变器的直 流电流： 一。一一算 整流器终端的功率： 逆变器终端的功率： 电压为： 图2 1 1 直流输电系统等效电路 i d ：v d o rc o s a - v d 执c o s # ( 2 2 4 ) + + f 2 7 d 名= v a , l d = 0 一龟艺 v d r2 v d o r a d r a ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 2v d o ig o $ a 一d ( 2 - 2 s ) ：丝er。342d(2-29)vdor2 一t d 石彳 以上式中，和分别对应整流侧和逆变侧换流变压器的阀侧空载电压； 第2 章直流输电的基本原理和直流系统的数学模型 e 和历分别为整流器和逆变器交流电势。 由图2 - 1 1 及其对应的方程可以看出，不管是直流电压还是直流电流都决定 于口、，、和，因此上述四个量是直流输电系统的控制量，且除此之外 没有其他的量可以作为控制量。所以直流输电的基本控制手段就是控制上述四 个量以满足直流输电系统的各种运行要求。v 。和v m 可以通过调节换流变压器 的分接头来加以调节，但其响应速度与触发角控制( 响应速度通常在l 4 m s 之 内) 相比要慢得多，通常换流变压器每调节一档需要5 l o s 。因此在交流系统 或直流系统发生故障的暂态过程中，直流输电系统能够发挥作用的控制量只有 整流侧和逆变侧的触发控制角口和，换流变压器的分接头调节在暂态过程 中可以认为不起作用。更一般性的情况是，对于交流系统中的快速电压变化， 直流输电系统通过调节触发控制角来维持其性能，而对于交流系统中的缓慢电 压变化，直流输电系统通过调节换流变压器的分接头来使触发控制角维持在其 额定值附近。 ( 2 ) 基本控制特性 整流器的基本控制特性由定口角和定电流两段特性组成，如图2 _ 1 2 中实 线所示。由式( 2 - 2 0 ) 可知定口角特性为一斜率不大的向右下方倾斜的直线，随 a 角的增大，直线平行下移。在这段特性运动时，交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，通过调整口角，使运行点沿这段直线上 下移动，以保持电流恒定。口。为触发角的限值( 一般为5 0 ) ，口，为稳态运行点 的触发角值。 逆变器) 图2 1 2 整流器和逆变器的控制特性 逆变器的基本控制特性( 见图2 - 1 2 中虚线所示) 由定关断角和定电流( 最小 电流控制) 控制特性组成。为了减小无功功率消耗，关断角应尽量取小。但是， 逆变器在允许中首先要确保安全，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r 。( 它应包括可控硅正向阻断能力恢复时间所对应的角度和 必要的安全裕度) 。在实际运行中，逆变器的运行点常由关断角( ，= y 0 特性 决定。 ( 3 ) 直流输电系统的基本调节特性 整流侧的定电流特性有一定的范围，当逆变侧交流电压上升或整流侧交流 电压下降超过某一定值时，即使电流调节器将口角减小到上限值口。电流也 不能恢复正常，因而整流器被限制在口。特性上运行。这时系统运行在定口。特 性和定r ，特性的交点上，如图2 - 1 3 ( a ) 中b 点。由于定a 特性的斜率很小， 这时系统即使能稳定运行，也容易引起直流电流和功率的大幅度波动。直流电 流的大幅度变化会影响直流系统的安全运行，而直流功率的急剧变化则将对两 端交流系统的运行产生不良影响1 1 3 1 。 c a )( b ) 图2 - 1 3 直流输电系统的基本调节特性 为了克服上述缺点，在逆变侧也设有电流调节器，其电流整定值比整流侧 小一个电流裕度4 厶。在正常时系统运行在整流侧定电流特性与逆变侧定，特 性的交点a 上，由定电流特性确定运行电流，由定j ，。特性决定运行电压。当逆 变侧交流电压上升或整流侧交流电压下降较多，致使整流侧转入定口。运行时， 逆变侧即