（电力系统及其自动化专业论文）整流器直流侧并联大电容的直流输电系统研究.pdf

声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文整流器直流侧并联大电容的直流 输电系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文。p 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谓f 意。 学位论文作者签名 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 司以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体l 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期 燃 独曼塑 导师签名 口 期：加若；争 华北电力大学硕士学位论文 1 1 高压直流输电概述 第一章绪论 1 9 5 4 年，在瑞典大陆与哥特兰岛之间的高压直流( h v d c ) 输电线路首次成功地 投入商业性运行后，高压直流输电技术得到了稳步发展。而随着晶闸管的出现，使 高压直流输电更加具有吸引力，晶闸管已成为直流换流站的标准设备。换流设备的 新发展，使其体积减小、成本降低，而可靠性得到了提高，这些发展使高压直流输 电技术得以更广泛地应用i l ，2 j 。 “西电东送，南北互供，全国联网”己成为当前我国电力发展的国策。我国己 建成的华东、华北、东北、南方四省和西北六大电网，还有四川、山东等超级省网， 随着时间的推移，电网的发展和大区之间互联己成为电网发展规划中的热门课题， 采用交、直流输电已成为必然趋势。对于输电距离上千公里、输送容量几百万千瓦 的西电东送工程来说，采用常规5 0 0 k v 交流输电技术存在若干问题，如电网短路电 流水平超限、可能会发生联络线功率低频振荡以及故障蔓延等难以解决的困难，在 国外，交流特高压输电因环保意识的增强其研究已经处于停顿状态。因此，在我国 的全国联网及西电东送工程中，高压直流输电( h v d c ) 将起到非常重要作用。 随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，使高压直流输电技术 日趋完善，在特定条件下，例如大功率远距离输电、海底电缆和交流系统间异步联 接等，高压直流输电的优点超过了交流输电。高压直流输电作为远距离大容量输电 的一种重要输电方式具有诸多优点： ( 1 ) 相同的功率输送情况下，直流输电的造价低。杆塔结构简单，线路走廊窄， 线路损耗率较小，因此线路的运行费用也较低。 ( 2 ) 两端交流电力系统不需要同步运行，输电距离不受电力系统同步运行稳定 性的限制：还可以用来提高与直流线路并列运行的交流输电系统的稳定性。 ( 3 ) 采用直流联网能从网络结构上根除产生低频振荡的可能。 ( 4 ) 采用直流联网时直流线路短路电流较小，基本不会增加交流系统的短路容 量；直流线路的电流和功率调节比较容易而且迅速，可实现各种调节、控制。 ( 5 ) 在导线几何尺寸和电压有效值相等条件下，电晕对无线电干扰较小；线路 稳态下无容性电流，电压沿线分布平稳；线路无需无功补偿。 以上的种种优点再加之直流换流站建设投资的相对下降，极大地促进了直流输 华北电力大学硕士学位论文 电技术在现代输电工程中的实际应用，在我国直流输电应用情况如表1 - 1 所示。 表1 1 国内己投运的直流工程简介 t a b 1 - 1h v d cp r o j e c t si nc h i n a 1 2 本课题的研究意义 与交流输电相比，传统直流输电具有自己独特的优势，因此在远距离大容量输 电、电网互联及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络等 方面已经被广泛应用。然而传统直流输电由于自身结构的原因也存在一些无法克服 的缺点，如换流装置在交流侧和直流侧都会产生较多的谐波电压和谐波电流，注入 到交流系统的谐波影响了电力系统的电能质量，这对于系统中很多的用电设备是非 常不利的。当逆变侧连接弱系统时容易导致换相失败、复杂的滤波器设计使滤波器 投资占很大比重、不易实现多端连接等诸多弊端。因此对新形式的直流输电技术研 华北电力大学硕士学位论文 究从而改进传统直流输电的这些弊端是很有必要的。因此，如何提高h v d c 可靠性、 减少注入两侧交流系统谐波含量、改善交直流系统电能质量、简化滤波器设计以及 为以后实现直流系统的多端连接、减少直流输电工程投资等一系列问题成为国内外 电力领域h v d c 技术的研究课题。 对于传统直流输电的研究已经取得了很大的进展，大量的科学研究加上已经运 行的工程为h v d c 的更深入科学研究提供了理论依据和物理基础，控制方式也日趋 完善，但是对物理结构并未进行过改造的尝试。基于此，对于传统直流输电系统进 行改造并研究其可行性，从而改进直流输电的一些特性具有重要的意义，因而本文 提出一种在整流器直流侧并联大电容的直流输电系统( h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m w i t hp a r a l l e ll a r g ec a p a c i t o rc o n n e c t e di nt h ed cs i d eo ft h er e c t i f i e r ，以下简称 h v d c c 1 。 1 3 本课题的研究现状 对传统h v d c 的理论研究加上实际的工程运行经验使得对h v d c 技术的工作 原理、调节方式与特性、故障分析和保护方式、以及谐波、无功补偿、过电压与绝 缘等一系列问题都有了较成熟的理论。 与此同时，也出现了一些直流输电的新技术，如电容换相换流器( c a p a c i t o r c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ，c c c ) 与可控串联电容换流器( c o n t r o l l e ds e r i e s c a p a c i t o r c o n v e r t e r ，c s c c ) 技术以及基于电压源换流器的轻型直流输目巨( h v d c l i g h t ) 技术【3 1 。 c c c c s c c 的基本思想是用串联连接的电容器来补偿换流器的无功消耗。c c c 是把电容器放在换流变压器的次级侧，并且采用固定电容器。当与某一相相连的上 或下桥臂导通时，直流电流就会流过该相，从而对串联于该相的电容充电，充电后 电容电压的极性总是有利于换相过程的完成，只要适当地选择串联电容的大小，就 可达到使a o ，) ，= 0 ) ；有相控有负载情况( 口 0 ，y o ) 换相过 程的分析等等，并推导出h v d c c 的换相公式。 ( 2 ) 建立h v d c c 的稳态模型从而为后续研究工作打下基础。以稳态模型为基 础在p s c a d e m t d c 仿真环境下搭建h v d c c 仿真模型，并对其控制方式进行研 究。在选择控制特性时要考虑到防止交流系统电压的变化引起直流电流的大波动， 保持直流电压在额定值附近，保持送端和受端的功率因数尽可能高以及防止逆变器 换相失败等，由于电容对整流侧的电压稳定及支撑作用，因此在h v d c c 系统中采 用整流侧定电压带最小反角限制、逆变侧定电流带最小y 角限制并辅以其他形式控 制的控制策略，研究其调节方式和调节特性。 ( 3 ) 谐波研究及滤波器设计研究。并联的大电容本身就有滤波的特性，研究并 联后的电容对滤波的贡献。传统的直流输电由于线路串联平波电抗器使得换流站为 等效的电流源形式，针对此设计了电流源形式的滤波器。而整流器直流侧并联大电 容形式的输电系统整流器相当于电压源形式，因此要针对这种情况设计合理的针对 电压源型的滤波装置。利用自身的结构特点为h v d c c 系统设计新型的断路器，因 为h v d c c 系统包含有电容、电感可以构成振荡电路的条件，利用相位控制断路器 对电流过零点的检测能力来进行对直流线路的开合。 ( 4 ) 与传统直流输电异同的对比。主要是在控制方式异同、注入交流系统的谐 波含量、应用场所以及经济性等方面进行对比。 华北电力大学硕士学位论文 第二章h v d c c 系统物理模型与换相过程分析 2 1h v d c c 系统物理模型 与传统直流输电结构不同，謦v d c - c 的系统结构如图2 - l 所示。逆变侧为传统 的直流输电结构，由晶闸管和反相并联的二极管、换流变压器、平波电抗器及滤波 器组成。与传统的直流输电形式不同，在整流器直流侧不但串联有平波电抗器而且 并联有大电容c ，从而构成相当于电压源形式的换流器。 连哧l 己窭酌卜 睁 沓 叫连訇查羔匿酌卜 图2 1 整流器直流侧并联大电容的直流输电系统图 f i g 2 一lm o d e lf o rh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hp a r a l l e ll a r g ec a p a c i t o rc o n n e c t e di nt h ed c s i d eo ft h er e c t i f i e r h v d c c 系统主要由换流器、平波电抗器、并联大电容、滤波器、无功功率支 持元件及直流线路构成，其组成部分基本功能如下： ( 1 ) 换流器。其功能为实现交流一直流一交流的变换，是直流输电系统的关键设 备，其运行状况与整个直流系统各方面的技术问题密切相关。它由阀桥和有抽头切 换器的变压器构成【l0 1 。阀桥包含6 脉波或1 2 脉波安排的高压阀，换流变压器向阀 桥提供适当等级的不接地三相电压源。因为变压器阀侧不接地，直流系统能建立自 己的对地参考点，通常将阀换流器的正端或负端接地。换流器的接线方式多样，其 中三相桥式接线因为自身的优点被广泛接受。 ( 2 ) 平波电抗器。一般串联在换流站每个极和线路之间，其电感值高达1 o h ， 具有以下作用： 系统发生扰动时，可以抑制直流电流的上升速度。当逆变器发生故障时可避 免引起继发的换相失败。可减小因交流电压下降引起逆变器换相失败的几率。 减少直流输电线路中电压和电流的谐波分量。 6 t 华北电力大学硕士学位论文 ( d 能减小轻载时的脉动分量，避免直流电流的不连续。 ( d 当直流线路短路时可在整流器调节器作用的配合下限制短路电流的峰值。 ( 3 ) 并联大电容。电容对电压的稳定作用使得整流器相当于电压源形式，这使得 它与传统的直流输电的电流源形式有本质区别，因此也体现了h v d c c 的新特性。 与大电容串联有小电阻，其作用为线路发生故障时与l 、c 配合构成谐振电路在电 流过零点时切断直流线路。 ( 4 ) 滤波器。换流装置会在交流侧和直流侧产生谐波电压和谐波电流。如果进入 交流电网和直流输电线路的谐波含量过大就可能导致电容器和附近的电机过热，并 且干扰远动通信系统，因此，在交流测和直流侧都要装设滤波装置。 ( 5 ) 无功功率支持。直流换流器内部要吸收无功功率，稳态情况下所消耗的无功 功率是传输功率的5 0 左右，因此必须在换流器附近提供无功功率源。对于强交流 系统，通常采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 功电源可采用同步调相机或静止无功补偿器。用作交流滤波的电容也可提供部分无 功功率。 ( 6 ) 直流输电线路。直流输电的线路可以是架空线也可以是电缆，除了导体数和 间距的要求有差异外与直流线路十分相似。 ( 7 ) 交流断路器。为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路 器。在直流线路首端也装有断路器，利用r l c 回路的过零点来选择切除电容器或直 流输电线路。 2 2 三相桥式全控整流电路 换流器的接线方式有多种，但三相桥式接线与其他各种接线方式相比具有下列 优点1 ：( 1 ) 在直流电压相同的条件下，桥阀在断态下所受的电压峰值是直流电压 的1 0 4 7 倍，该数值是其他接线方式的一半。( 2 ) 当通过的功率为一定值时，换流变 压器电网侧原绕组的容量小于或等于其他接线方式所需的容量，而阀桥侧副绕组的 容量则比其他接线方式小。( 3 ) 换流变压器的接线简单，不需要两个副绕组或中心 抽头的副绕组，对变压器绝缘有利。( 4 ) 阀的伏安容量较小。( 5 ) 直流电压纹波的峰 一峰值和直流平均电压的比值也较小。因此h v d c c 换流器也采用三相桥式接线。 三相桥式全控整流电路是换流器的理论基础，其原理图如图2 2 所示，三个晶 闸管( v t l ，v t 3 ，v t 5 ) 构成共阴极组，三个晶闸管( v t 4 ，v t 6 ，v t 2 ) 构成共 阳极组。晶闸管的导通顺序为v t l v t 2 v t 3 一v t 4 v t 5 v t 6 。关于三相桥式全控整 流电路的基本原理很多文章有详细的论述，这里不再赘述，通过对触发脉冲时间的 7 华北电力大学硕士学位论文 控制可以得到所需要的直流电压电流量，也正是这种能通过触发脉冲的控制使得直 流输电能够实现快速、精确的控制。 v t i v t j hd i f 一 一f l z z & b c 曩口 l - 一c 一r 1 zzj v t 。f 五d j 图2 2 三相桥式全控整流电路原理图 f i g 2 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h r e ep h a s eb r i d g ec o n t r o l l e dr e c t i f i e r 2 3 电容滤波的三相不可控整流电路原理 并联电容对直流侧的影响参见电容滤波的三相不可控整流电路，其原理如图 2 3 所示。当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大一个， 该线电压既向电容供电，也向负载供电【1 1 】。当没有二极管导通时，由电容向负载放 电，c ，d 按指数规律下降。由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假 设在印，+ 万= 2 州3 的时刻“速度相等”恰好发生，则有： d 痂舢争扣争删) d ( r o t ) 可得c o r c = 1 7 3 2 ，这是临界条件。c o r c 1 7 3 2 和o j r c 崞r 一 j = 耐精蕊广_ _ _ 。，。广= = ! 密密密 哪 l ：r 鬻拶”天i 。 一 拶欠1 。 。叮t 一 嘴 “弋义 ”l 3 1 “l 厶里 i 薹丰主= 詈； i ：二二l 砖密砖 “”。 = 。土。+ 。上 f 斟 、忙o m b u l 主卜噬 广= = ：= = ：- 密密可t 一 2 越 瑁： ， 砖密密 踅， 图3 2h v d c c 整流侧仿真图 f i g 3 - 2t h es i m u l a t i o nd i a g r a mo fr e c t i f i e rs i d ef o rh v d c c 表3 1 整流侧仿真参数 t a b 3 1s i m u l a t i o np a r a m e t e ri nr e c t i f i e rs i d e 图3 3 为h v d c c 系统采用集总参数的线路模型。线路的分布电容等效为c = 2 6 k t f 电容器，置于等效线路模型的中间，线路的阻抗等效为两个r = 2 5 q 电阻。线 路串联的平波电抗器分别位于整流侧和逆变侧相应的直流线路上，平波电抗器的取 值与限制短路电流上升水平、电容器配合构成振荡电路的条件及工程造价相关，综 1 6 华北电力大学硕士学位论文 合考虑本文选取为l = 0 3 h 。 0 3 h2 5 q2 5 q 0 3 h j 一 工2 6 0 虾 图3 - 3h v d c c 线路仿真图 f i g 3 2t h es i m u l a t i o nd i a g r a mo fh v d c ct r a n s m i s s i o nl i n e h v d c c 系统逆变侧的仿真结构如图3 - 4 所示。逆变侧交流系统为等效电源形 式，其它部分结构与直流侧类似，各部分参数如表3 2 所示。 表3 - 2 逆变侧仿真参数 t a b 3 1s i m u l a t i o np a r a m e t e ri ni n v e r t e rs i d e 艘 6 盘密枣 。厂 疗 一t 下，7八v1 日 自j t j 、 ll 、 上土i ” 、： c 舟 盘密密 l 一 i n j o 咂 一 l 拙 盘童z 彰、i = i “ c 五刮一# l 出出出 生一2 0 92 2 e 82 3 0 0 l 星 t ； = 上， 图3 4h v d c c 逆变侧仿真图 f i g 3 - 4t h es i m u l a t i o nd i a g r a mo fi n v e r t e rs i d ef o rh v d c - c 由图3 - 2 、3 3 、3 4 构成了h v d c c 系统仿真的电气部分，配合控制部分( 第 四章详述) 构成整个系统的仿真模型。在此模型基础上可以完成对h v d c c 运行状 1 7 华北电力大学硕士学位论文 态分析、滤波器设计、谐波分析及断路器设计等各项工作。 3 3h v d c c 系统仿真分析 3 3 1 换相过程仿真分析 ( 1 ) 无逆变侧换流器，定a = 0 情况换相过程分析 为分析并联电容后对整流侧换相过程的影响，仅对整流侧换流器进行仿真分析 并在触发角a = 0 情况下进行。根据c i g r e 模型( h v d cb e n c h m a r km o d e l ) ，直流 线路额定电压u a = 5 0 0 k v ，直流线路额定电流厶= 2 k a ，所以逆变侧可以用2 5 0 q 的等效电阻替代逆变侧换流器。直流线路电压的理论值m 如口尸1 3 5 2 1 3 4 5 5 7 * 2 = 5 7 6 3 k v 。为验证并联电容的h v d c c 系统对直流电压的影响，与传统h v d c 进 行了对比，两者除并联电容差别外其他参数均相同。h v d c 与h v d c c 无逆变侧 直流电压对比如图3 5 所示。图中波动较大的曲线为传统h v d c 无逆变侧换流器直 流线路电压，波动较小的曲线为h v d c c 无逆变侧直流线路电压。 ou l w d e 口l 1 1 w d e - e 八八a 八八八aaaa 趴八 了vv vvv v v v v v t s 2 g e o o2 幽 z g 吉o o2 幽耋0 1 。0 图3 - 5h v d c 与h v d c c 无逆变侧直流电压对比图 f i g 3 - 5t h ed cv o l t a g ec o n t r a s td i a g r a mw i t h o u ti n v e r t e rb e t w e e nh v d ca n dh v d c c 由图3 5 可以看出，传统直流输电在无逆变侧情况下电压在5 4 0 k v 5 7 2 k v 范围 内波动，而同等的条件下仅含整流侧换流器的h v d c 。c 系统直流电压在 5 5 9 7 0 k v - 5 6 0 1 5 k v 范围内波动( 见图3 - 6 ) 。 b l 1 w d e - e 5 阻2 0 5 6 0 1 0 5 6 0 0 0 5 瓯 5 瓯 5 5 9 7 0 t s 2 叠2 02 9 4 0 i 孬r i 莎一 图3 - 6h v d c c 直流电压包络线 f i g 3 - 6t h ee n v e l o pl i n eo fd cv o l t a g ef o rh v d c c 1 8 委至 啪 季| 季 蛳 番至 立 华北电力大学硕士学位论文 显然，并联大电容的滤波作用使得直流线路电压较传统的直流输电电压平缓了 许多。h v d c c 直流电压的包络线见图3 - 6 ，横坐标为时间轴，纵坐标为直流电压。 可见电压曲线中包含直流成份和两个交变的成份。 ( 2 ) 有逆变侧换流器，a o 情况换相过程分析 为验证一般情况下的h v d c c 系统直流电压较传统直流输电的平缓性，本例选 择完整的h v d c c 系统，并且按常规的触发方式保证一定的裕度，即a 0 情况。 另外考虑换相电感的存在，即) ，o 情况。仿真结果如图3 7 所示。选择一个周波， 其中波动较大的曲线为传统直流输电直流电压曲线，波动较小的曲线为h v d c c 系统直流电压曲线。显然，h v d c c 系统因电容对电压的支撑与滤波作用使得直流 电压曲线更加平稳。这明显降低了直流侧谐波电压的水平，从而为在同等条件下， 较传统直流输电能传输更多的功率创造了条件。 1 0 5 0 1 0 了 0 9 5 0 o 9 0 0 or e c t i f i e rd c v d t a o e o r a e t i f i e ri x ；v d t a f l e 扒j刎心 刃一 | | f i朋。f恨所 。j r f 1 i |v v 7 fj r f 。 广 。j ff i i t s o 9 o oo 9 白5 0o 9 o 的5 01 0 6 0 图3 7h v d c 与h v d c c 有逆变侧直流电压对比图 f i g 7t h ed cv o l t a g ec o n t r a s td i a g r a mw i t hi n v e r t e rb e t w e e nh v d c a n dh v d c - c 图3 8 为h v d c c 系统与传统直流输电系统阀电压波形对比图。其中横坐标为 时问轴，纵坐标为阀承受的电压。标示正方形的曲线代表传统h v d c 系统，标示圆 形的曲线代表h v d c c 系统阀电压波形。由图可见，传统的直流输电阀电压波形由 一段直线和七段正弦弧线组成，而在h v d c c 中阀电压波形变得平直。 o l h v d c - c ol h v d e 卅 l 以以尸卵 t s 0 9 幻00 9 3 2 5o 9 5 0o 9 j f 7 5o 9 幻oo n 2 so 萌5 00 9 五7 50 9 幻0 图3 - 8 阀电压波形对比图( 圆：h v d c c方：h v d c ) f i g 3 8t h ev a l v ev o l t a g ec o n t r a s td i a g r a m ( c i r c l ef o rh v d c - c ，s q u a r ef o rh v d c ) 1 9 o - - - - 撇 伽 。 伽 猢 暑 伽 ) i 华北电力大学硕士学位论文 3 3 2h v d c c 系统稳态运行仿真分析 h v d c c 系统稳态运行仿真结果如图3 - 9 所示。s l 为同步发电机，直流输电系 统从0 秒开始启动，在启动初始阶段0 - 0 5 s 内，系统s 1 为电压源形式，待直流系 统启动后在o 5 s 转为同步发电机运行。本文暂不考虑启动初期阶段各种外界因素的 影响，只对直流系统稳定运行后的工况进行分析。图3 - 9 ( a ) 为整流侧与逆变侧的直 流电压和直流电流波形，均为标么值。图3 - 9 ( b ) 为整流侧和逆变侧交流系统的电压 波形。图3 - 9 ( c ) 为整流侧触发角反的波形。由图3 - 9 ( a 、b 、c ) 可以看出h v d c c 系 统在稳定状态下运行平稳，各测量参数均在整定值附近波动。 or e x ：t i f i e rd cv o l t a g e 口r e c t i f i e rd cc u r r e n t t s 0 i o0 2 00 3 00 幻0 5 00 6 00 7 00 8 00 酌1 6 c 图a 整流侧和逆变侧直流电压电流 图b 整流侧与逆变侧交流系统电压 r e c i f i e ra l p h ao r d e r o 5 01 0 01 5 0 图c 整流侧触发角a 图3 9h v d c c 稳态运行仿真图 f i g 3 - 9 s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t e a d y - s t a t ef o rh v d c c 2 0 l 0 o ， o o t 1 & 3d 华北电力大学硕士学位论文 3 3 3h v d c c 系统短路过程仿真分析 为验证h v d c c 系统在暂态情况下的稳定性，选定直流线路短路与逆变侧交流 系统发生单相短路故障【2 1 1 两种情况来进行。 ( 1 ) 直流线路短路情况 初始情况为h v d c c 系统稳定运行，在t = 1 5 s 时发生金属性接地短路故障，在 发生故障后o 0 2 s ，即在t = 1 5 2 s 时切除故障。直流线短路过程如图3 1 0 所示。其中 r e c t i f i e rd cc u r r e n t 为整流侧直流电流曲线，r e c t i f i e rd cv o l t a g e 为整流侧直流电 压曲线，p r e c 为整流侧直流线路传送的功率，r e c t i f i e ra cv o l t a g e ( l l ) 为整流侧交 流系统线电压。 3 o j 2 0 d 1 0 0 0 1 0 0 3 d 0 5 0 0 o o 1 o o 夏o 5 0 0 0 0 t ，s 4 0 0 o 一4 0 0 | 1 1 咿一 一v o 1 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 4 0 2 6 02 8 03 0 0 、八、八以八八八 v v v vvv v t s1 4 4 01 4 6 01 4 8 01 5 0 01 5 2 01 5 4 0 1 5 6 01 5 8 01 6 0 0 图3 一1 0 直流线路接地短路仿真结果 f i g 3 10s i m u l a t i o nr e s u l t sw h e nd cl i n e - t o g r o u n df a u l to c c u r s ( 2 ) 逆变侧交流系统a 相短路情况 初始情况为h v d c c 系统稳定运行，在t = 1 5 s 时逆变侧交流系统发生a 相金 2 l 华北电力大学硕士学位论文 属性接地短路故障，发生故障0 0 2 s 后切除。短路过程仿真结果如图3 1 l 所示。其 中r e c t i f i e rd cc u r r e n t 为整流侧直流电流曲线，r e c t i f i e rd cv o l t a g e 为整流侧直流 电压曲线，p r e c 为整流侧直流线路传送的功率，i n v e r t e ra cv o l t a g e ( l l ) 为逆变侧 交流系统线电压。 f - f r 旷 - i | ve i 证丫 cv o t t a 9 e 【l _ l nn 九八 r 、r 、，、n 、n 九 川vvv j vvvvvvvv 1i| 、 乇位 i 舛l 5 1 s ；oi 矗o o1 后s o1 7 0 c 图3 一i 1 逆变侧交流系统a 相接地短路仿真结果 f i g 3 一li s i m u l a t i o nr e s u l t sw h e nal i n e - t o - g r o u n df a u l to c c u r so np h a s eao ft h ei n v e r t e r s i d e a cs y s t e m 由直流线路短路和逆变侧交流系统单相短路图可以看出，h v d c c 系统在故障 切除后的较短时间内恢复到原来的状态，具有很好的稳定性。这是由直流输电的快 速控制能力实现的。 3 4 小结 本章首先介绍了本文仿真使用的软件p s c a d e m t d c 的基本情况和功能。按 照提出的物理模型，搭建了h v d c c 的仿真模型，并对换相过程、稳态运行、直流 线路短路和逆变侧交流系统单相短路情况进行了仿真分析，验证了所建模型的合理 性和在故障情况下的自恢复能力。 华北电力大学硕士学位论文 第四章h v d c c 系统控制方式分析 4 1 直流输电的基本控制手段 高压直流输电系统是高度可控的，其有效的运行依赖于其可控性的正确应用， 来保证电力系统中期望的性能。高压直流输电通过改变换流器触发相位实现快速和 多种方式的调节。这不仅仅是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的快速调 节特性实现对交流系统的调节达到改善交流系统运行特性的目的。 在选择控制方式时，下列要求应当充分考虑： ( 1 )防止交流系统电压的变化引起直流电流的大波动； ( 2 )保持直流电压在额定值附近； ( 3 )保持送端和受端的功率因数尽可能高； ( 4 )防止逆变器的换相失败和使用汞弧阀的整流器逆弧。 运用换流器的快速控制来防止直流电流的大波动是保证h v d c c 线路满意运 行的一个重要要求。由于直流线路和换流器的电阻很小，因此在整流器和逆变器内 电势的微小变化在保持仅，和y i 恒定的情况下就能引起直流电流的较大变动。考虑到 保证系统的良好性能，这种变化是不允许的。另外，最终电流可能高到足以损害阀 和其他设备。 在直流输电系统中，对应于整流侧和逆变侧换流变压器的阀侧空载电压( ， 和u d o i 可以通过调节换流变压器的分接头加以调节，但是其响应速度较慢，通常为 5 1 0 s 。这样，可认为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触发控制角仅、逆变侧触发控制角口，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。 在直流输电系统中能实现快速控制的控制量只有触发控制角，因此在两端的直 流输电系统中控制的自由度只有2 个，即能被控制的变量也只有2 个：整流侧触发 控制角。c 、逆变侧触发控制角，它们具有极快的相应速度，通常在1 4 m s 之内。 通常要求直流输电系统按照某种既定的功率指令运行，这样最直接的控制模式即定 功率控制，为达到定功率运行的目的。最简单的做法就是- n 控制直流电压恒定， 另一侧控制直流电流恒定。 在正常运行条件下，整流器维持恒定电流，直流电压则靠逆变器的控制来维持： 对逆变器来说，还要维持一个确定的最小熄弧角) ，( ) ，= 声叫，为换相角，决定于厶 2 3 华北电力大学硕士学位论文 和换相电压) ，以避免换相失败。 在整流站的控制中一般有定电流控制和定电压控制可以选择。正常运行条件 下，整流器采用电流控制和o c 角限制控制，最小。 参考角整定在5 。左右，以保证 触发时阀上有足够的正电压，从而保证换相成功。整流侧的直流电压调节器是一种 动态限值调节。正常情况下，它不投入运行，只有当本侧直流电压高于限值时，才 可能参与调节。当实测直流电压大于电压限值时，调节器输出的控制信号使触 发角增大，以降低直流电压。 可选择的逆变侧控制方式有定电压控制，最小熄弧角控制和电流控制。逆变侧 的直流电压调节器用来调节并维持直流电压恒定，这种调节方式有利于提高换流站 交流电压的稳定性；但为了防止换相失败，正常运行时逆变侧的熄弧角一般比定熄 弧角控制时略大，使得换流器在正常情况下消耗的无功功率较多，换流器的利用率 较低。熄弧角调节器用于保持逆变侧熄弧角为指令值，为了保证逆变器的安全运行， 减少发生换相失败的机率，要求逆变器的熄弧角不小于最小熄弧角：在采用该控制 方式下，当交流电压下降时，角将增大，以保持熄弧角不变，因此逆变器的功率 因数下降，消耗的无功功率增大，致使交流电压进一步下降，在某种条件下甚至形 成恶性循环，最终可能导致交流电压崩溃。 逆变侧恒电流控制在正常情况下也不投入运行，如果整流侧的电压下降使整流 器的触发角减小到最小限制值时，整流侧切换为最小0 c 角限制控制，而逆变侧设为 电流控制，一般整流侧的电流指令和逆变侧的电流指令有一个差值厶，称为“电流 裕度”，通常整定为额定电流的1 0 到2 5 。 整流侧和逆变侧的控制方式配合是整个直流输电控制的核心。传统方式下，实 际直流输电系统中通常按整流侧控制保持直流电流恒定，逆变侧控制保持直流电压 恒定或者与之等效的最小熄弧角来控制。在h v d c 系统的整流侧采用恒定电流控制 是必然的，一方面可以限制过电流，使因故障引起的损害最小，另一方面，则可以 防止系统因交流电压的波动而停运。整流侧在确定电流指令时必须考虑如下限制： ( 1 ) 最大电流限制。为避免换流阀受到过热损害，一般短时间最大电流限定在正 常满负荷电流的1 2 到1 3 倍。 ( 2 ) 最小电流限制。当电流值较低时，电流的波动会引起它的不连续或间断。 ( 3 ) 依赖于电压的电流指令限制( v o l t a g ed e p e n d e n tc u r r e n to r d e rl i m i t e r , v d c o l ，简称低压限流环节) 。在低电压条件下，一方面，为了维持直流电流使得对 无功功率的需求增加，另一方面，系统电压水平的降低使得系统所提供的无功功率 明显减少，对交流系统相当不利，并且会面临换相失败和电压不稳定的风险；此时 要想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或不可能的。可以通过引入v d c o l 2 4 华北电力大学硕士学位论文 来提高电压的稳定性，它的作用是在直流电压下降到一定程度之时相应地降低直流 电流指令。在交流故障恢复阶段，由于有了v d c o l 环节，直流电流指令将会在直 流电压恢复到足够水平以后再复原，这一过程将有助于直流系统的恢复。 4 2 直流输电控制系统的分层结构 为提供高效稳定的运行和功率控制的最大灵活性，同时保证设备的安全运行， 高压直流输电系统采用各种分层控制方式【2 2 1 。通常直流输电的控制系统分为三个层 次，分别为主控制级、极控制级、和阀组控制级，各级的基本功能如图4 1 所示。 图4 1 直流输电控制系统的分层结构 f i g 4 lt h el a y e rs t r u c t u r eo fh v d c c o n t r o ls y s t e m 直流输电控制系统各层次功能如下：主控制极通常接收来自调度中心的直流输 送功率指令( p 。t ) ，经过控制运算后发送一个直流电流指令m 。) 给极控制级，极控制 级经过运算以后发送一个触发角指令( o 。，d ) 给各个阀组控制单元。为了低层控制能够 跟踪高层控制的指令，使整个控制系统能够平稳运行，直流输电控制系统的3 个层 次在响应时间上有较大差别，控制层次越高，响应速度越慢。主控制级做功率阶跃 2 5， 华北电力大学硕士学位论文 变化时间一般在l o o m s 左右，而阀组控制级层次触发角指令变化的响应时间只需要 1 - 4 m s 。 4 2 1 直流输电主控制级控制功能 直流输电的主控制级通常由3 个功能模块构成，分别为接收调度中心发送来的 输送功率指令( p 。) 模块、功率调制和快速功率变化控制模块、直流电流指令值计算 模块。 对于交直流并列的输电系统，利用直流输电的功率能快速抬升和降低特性可以 非常有效地提高交流系统机电振荡模态的阻尼。快速功率变化主要用于直流所联两 端交流系统的紧急功率支援。例如逆变侧交流系统损失发电功率，或整流侧交流系 统甩负荷就要求紧急功率提升；反之，则要求紧急功率回降。 通常的直流输电系统中传输的功率是固定的，因此主控制级的一个重要任务是 按照给定的功率指令值来计算直流电流指令值。直流电流指令值等于双极功率除以 双极电压。通常在交流电压或直流电压较低时，定功率运行模式转化为定电流运行 模式。如图4 - 2 所示。基于直流电压魄的典型选择逻辑如下：当魄下降到低于 0 7 观。时选择观。v ，只有当魄上升到高于0 8 5 耽c 时才从新选择魄，即选择逻 辑带有时滞特性。 图4 - 2 直流电流指令计算模块 f i g 4 2t h ec a l c u l a t i n gm o d u l eo fd cc u r r e n to r d e r 图中的一阶惯性环节是为使计算得到的直流电流指令玩，能够平滑变化，不会 因为b 的跳变而使如，跳变。 4 2 2 直流输电极控制级控制功能 直流输电的极控制级中，通常的控制器有带0 m m 限制的定电流控制器、定电压 控制器、定电流控制器和定) ，角控制器等。各种控制器通过合理选择参数并按一定 2 6 华北电力大学硕士学位论文 的规则做出适当的控制方式转换从而使直流输电系统按照某种指定的特性曲线运 行。 定电流控制器、定关断角) ，控制器及定电压控制器其结构类似，都为p i 控制器。 其中定电流控制器的应用最为广泛。定) ，角控制器分为闭环型控制器( 实测型控制 器) 和开环型控制器【2 3 2 5 1 ( 预测型控制器) 。三种控制器的基本结构如图4 3 所示。 图4 3 定电流、