弱交流系统事故对交换站的影响

1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：弱交流系统事故对交换站的影响学生姓名：学 号：专 业：电气工程及其自动化班 级：电气-1指导教师：弱交流系统事故对交换站的影响摘 要高压直流输电（HVDC）对交流系统的故障极其敏感，会造成整流站或逆变站一些严重问题，这些问题都可能造成直流功率的传输中断。本文分析了与弱交流系统相连的直流输电系统的运行特性及电压稳定性，并通过对国际大电网会议(CIGRE)标准高压直流输电模型以及SVC-HDVC高压直流输电模型，利用PSCAD仿真软件对交流侧故障对直流交换站的影响进行建模仿真。关键词：弱交流系统；HDVC；短路比；换相失败；PSCAD/EMTD

2、C。Weak AC system failure of the DC switching stationAbstractHigh-voltage direct current transmission the failure of the communication system is extremely sensitive，Rectifier station or the inverter can cause some serious problems Station，These problems may result in interruption of DC power transmis

3、sion。This paper analyzes the weak AC system is connected with the DC transmission system operating characteristics and voltage stability，And by CIGRE and svc-HDVC standard model of high-voltage direct current transmission，PSCAD simulation software using the AC side of the fault on the DC switching s

4、tation modeling and simulation of the impact.Key words: Weak AC system; HDVC; short circuit ratio; commutation failure; PSCAD / EMTD.目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1高压直流输电11.1.1交流与直流输电技术的比较11.1.2高压直流输电的类型1第二章 弱交流电系统32.1 短路比32.2 与弱交流系统相关的稳定问题32.3 无功补偿设备与有效短路比3第三章 直流交换站33.1直流交换站33.1.1电流源换流器33.1.2电压源换流器33.

5、2直流变换站数学模型及等效电路3第四章 基于PSCAD软件的直流输电系统的控制策略研究34.1 PSCAD/EMTDC介绍34.2国际大电网会议(CIGRE)标准高压直流输电模型34.2.1直流输电系统基本控制方式34.3 VSC -HVDC直流输电系统仿真模型34.3.1 SPWM信号的产生和锁相环电路3第五章 弱交流系统事故对直流交换站的影响35.1故障搭建35.1.1交流系统短路故障35.1.2交流系统断线以及线路虚接故障35.1.3交流系统整流测滤波器故障损坏35.2故障分析35.2.1交流系统短路故障对交换站的影响35.2.2交流系统断线故障对交换站的影响35.2.3交流系统滤波器故

6、障对交换站的影响35.3 整流端不同短路比故障分析35.3.1交流系统滤波器故障对交换站的影响3第六章 总结3参考文献3第一章 引 言1.1 高压直流输电高压直流输电技术是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。输电过程为直流。常用于海底电缆输电，非同步运行的交流系统之间的连络等方面。高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立电力系统间的联接.在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出,在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后

7、，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。高压直流输电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速精确的控制，这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率，直流输电系统已经被普遍应用。 直流输电线造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多。一般认为架空线路超过600-800km，电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电经济。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。我国葛洲坝一上海1100km、500kV,输送容量的直流

8、输电工程，已经建成并投入运行。1.1.1 交流与直流输电技术的比较电力系统中在对直流输电和交流输电两种方式进行比较时，应当考虑以下因素； （1）技术性能；（2）可靠性；（3）经济性高压直流输电系统具有下列运行特性：（1）功率传输特性、众所周知，随输送容量不断增加，稳定问题越来越成为交流输电的制约因素为了满足稳定问题，常需采取串补、静补、调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提高输电电压但是，这将增加很多电气设备，代价是昂贵的。直流输电没有相位和功角，当然也就不存在稳定间题，只要电压降、网损等枝术指标符合要求，就呵达到传输的日的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的重要特点，也是一大优势（2）线路故障

9、时的自防护能力、交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.40.8s，加上重合闸时间约队0.61秒恢复，另外直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降到零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭不存在电流无法过零的困难，直流线瞎卑极故障的恢复时问一般在0.20.35秒内。（3）过负荷能力通常交流输电线路具有较高的持续运行能力，受发热条件限制的允许最大连续电流比正常输送功率大得多，其最大输送容量柱往受稳定极限控制直流线路也有一定的过负荷能力，受制约的往往是换流站然而下列日京限制了直流输电的应用范围： （1）直流断路器的费用高； （2）不能用变压器来改变电压等级； （3）换流设备的费用高；

10、（4）由于产生谐波，需要加交流和直流滤波器，从而增加了换流站的费用； （5）控制复杂。 近年来，直流技术已有了明显的迸步，除了上述的第（2）条之外，其余缺点都可予以克服这些技术如下： （1）直流断路器的进展； （2）晶闸管的模块化结构和额定值增加； （3）换流器果用12或24脉波运行； （4）采用氧化金属变阻器； （5）换流器控制采用数字和光纤技术。上述技术已经改善了直流系统的可靠性和降低了换流站的费用和控制的复杂性己不成为一个问题，实际上已用来对正常和非正常运行提供可靠和快速的控制此外，还可以采用控制来将两端直流联络线中的直流电流降到零，而不需要直流断路器甚至在多端直流系统中，还将直流断路器

11、作为有效的控制手段另外经济性和可靠性也不错，这样就大力推动了直流输电在电力系统中应用。1.1.2 高压直流输电的类型 高压直流联络线大致可分以下几类；（1）单极联络线型；单极联络线的基本结构如图1.1所示，通常采用一根负极性的导线而由大地或水提供回路出于对造价的考虑，常采用这类系统，对电缆传输来说尤其如此这类结构也是建立双极系统的第一步当大地电阻率过高，或不允许对地下（水下）金属结构产生干扰时，用金属回路代替大地作回路，形成金属性回赂的导体处于低电压。 图1.1单极联络线型（2）双极联络线型；双极联络线结构如图1.2所示有两根导线，一正一负，每端有两个为额定电压的换流器串联在直流侧，两个换流器

12、间的连接点接地、正常时，两极电流相等且无接地电流两极可独立运行，若因一条线路故障而到致一极隔离，另一极可通过大地运行，能承担一半的额定负荷，或利用换流器及线路的过载能力，承担更多的负荷。图1.2 双极HDVC联络线（3）同极联络型；同极联络线结构如图1.3所视，导线数不少于两根，所有导线同极性通常最好为负极性，因为它由电晕引起的无线电下的干扰较小，这样的系统采用大地作为回路。当一条线路发生故障时，换流器可为余下的线路供电，这些导线有一定的过载能力，能承受比正常情况更大的功率。相反，对双极系统采说，重新将整个换流器连接到线路的一极上要复杂得多，通常是不可行的，在考虑连续的地电流是可接受的情况下同

13、极联络线具有突出的优点。图1.3 同极HDVC联络线第二章 弱交流电系统2.1 短路比交流系统的强弱是相对于直流系统的输送能力而言的，可用交流母线的短路容量Ssc 与直流额定输送功率PdN 的比值（即短路比SCR）来表示，SCR3 时该系统可视为弱交流系统。如基电压为换流母线额定电压，基准功率为PdN ，则有下式成立。交流系统短路容量Ssc(MVA)为式中V是额定功率下的换相母线电压，Zpu 为交流系统等值阻抗的标么值是由发电机、变压器、传输线和负荷等因素决定的。考虑到交流系统滤波器及无功补偿电容器的作用时，可引入有效短路比ESCR，定义如下 式中Qc 为换流站交流母线电压取额定值时由交流滤波

14、器及补偿电容所产生的无功；Bcpu 为交流滤波器及补偿电容的等值电纳标幺值。弱交流系统故障期间通常会发生更为严重的电压降落，且系统无法提供快速恢复所需要的无功，造成其恢复速度较慢，同时在谐波以及换流母线的不稳定电压作用下，极易发生逆变器的后继换相失败，这会进一步延缓系统的恢复速度。较强交流系统的无功功率充足，故障期间电压降落幅度相对较小。2.2 弱交流系统相关的稳定问题 弱交流系统相连的直流输电系统在运行时会产生以下稳定问题：（1）动态过电压与暂态电压波动在直流功率传输时换流器吸收的无功功率降为零，由于无功补偿切除时间的延时，此时无功过剩会导致交流系统的动态过电压，可能引起用户设备的损坏。弱交

15、流系统中，并联电抗器与电容器的投切会产生不可接受的暂态电压波动。（2）负荷特性引起的电压不稳定性; 一端连于弱交流系统的HVDC系统，逆变侧交流电压和直流电压对负荷变化相当敏感。电压下降时，直流电流增加，而实际功率的增加很少。这将使系统从干扰中恢复变得困难。直流系统的响应有时甚至会导致交流电压的崩溃，为恢复功率，采用定功率控制增加了直流电流。为维持换相裕度，逆变器的逆变角可能增加，导致电压进一步下降。随着电压下降，逆变器吸收了更多无功，而并联电容器发出更少的无功。整个过程形成一个正反馈，导致电压持续下降，这种情况发生在逆变侧就会引起逆变器换相失败最终导致电压崩溃。这种情况系统的灵敏性随着补偿容

16、量的增加而增加。(3)谐波谐振和谐波不稳定大多数谐波问题是由于交流电容器、滤波器和交流系统之间在较低次谐波频率下并联谐振引起。如果在这些元件发生谐振，那么会在换流母线处的感性元件和容性元件之间产生高阻抗并联谐振。远离系统的地方可能会产生低阻抗串联谐振条件，谐波电压会趋于放大而产生谐波不稳定。(4)直流系统在故障恢复时的暂态电压稳定问题在故障消除后，直流如能尽快恢复，将改善整个系统的性能。但交流系统较弱时，过快恢复会引起连续的换相失败和受端交流电压不稳定。发电机在直流端附近时，对满足无功需求和提高电压稳定是很有帮助的。连于弱系统，特别是弱受端系统的直流输电系统，可采取以下措施提高稳定性:(1)在

17、逆变器侧加装同步调相机和静止无功补偿器;(2)在直流控制策略上，把定功率控制切换为定电流控制，在逆变侧采用低压限流(VDCOL)，以使交流电压降低时降低直流电流;(3)采用改进的换流器方案。采用人工或强迫换相的换流器，如CCC/CSCC。2.3无功补偿设备与有效短路比稳态运行下HVDC的无功特性与直流线路参数无关，由换流器无功需求及无功补偿容量共同决定。直流系统的无功补偿原则是：无论联于强交流系统还是弱交流系统，直流系统所需无功均由补偿装置提供，即要求直流系统与交流系统之间基本上没有无功交换，称为“零无功交换原则”。一般而言，交流侧无功由滤波器及电容器组共同提供，只有当系统无功裕度较小或必须考

18、虑电压稳定问题时，才采用静止无功补偿装置，很少采用同步补偿装置。 固定电容（Fixed Capacitor，FC）补偿越大，有效短路比ESCR越小；在过激或欠激的情况下，同步调相机（Synchronous Compensator，SC）可分别发出不同大小的容性无功或感性无功，且其无功输出不受系统电压的影响，故障恢复期间SC可等效为一电压源与阻抗的串联组合，该阻抗可取为SC的暂态电抗或次暂态电抗。SC的接入使得交流系统的短路容量明显增大，系统得到明显增强。SC虽在实际工程中很少应用，但它在联于弱交流系统的HVDC换流站中仍发挥着重要作用。 静止无功补偿器（SVC）是一种被广泛应用的快速无功补偿设

19、备，晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）与晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）型SVC的电压电流特性曲线如图2.3所示。图2.3 SVC补偿特性曲线图中011、022、033和044分别为SVC中TCR并联1组、2组、3组和4组电容器时的电压电流特性曲线。SVC正常运行于O1、O2之间的线性可控范围内时，SVC可等效为电压源Vref 与阻抗XSL 串联以后再并联到交流电网；如交流故障使得母线电压下降很大，TSC投入全部电容使SVC运行在容性限制的范围内时，SVC应视为大电容与变压器漏感（SVC一般经

20、变压器与交流母线联接）的串联组合，这在很大程度上增大了交流系统的等值阻抗，且无法改变交流系统短路容量，ESCR变得很小，使得直流系统的恢复更加困难，且很可能发生后继换相失败。相反地，当SVC运行在感性限制范围时，SVC可视为电感与变压器漏感的组合，在此状态下SVC对系统有增强的作用。 目前广泛采用的静止无功电源（SVG）是电压型桥式电路，由可关断晶闸管（GTO）与二极管反向并联构成逆变器，通过电抗器或直接并联于电压为Vs的交流母线，其基本原理如图2.4所示。适当调节SVG交流侧输出电压Va的幅值和相角，或直接控制其交流侧电流IG即可以使该电路发出或吸收无功，从而实现无功功率的动态补偿。 SVG

21、与SVC相比，直流侧电容很小。交流系统故障期间SVG的运行特性与SC相似，可视为电压源与阻抗（变压器漏抗）的串联，因此SVG不会增加交流系统的强度，且由于其不是旋转设备，也不会在恢复过程中引起振荡。图2.4 SVG补偿原理图第三章 直流交换站3.1直流交换站高压直流输电系统主要包括换流站和线路两大部分。换流站(包括整流站和逆变站)由于设备较多，价格较贵，因此，它是高压直流输电系统最主要的组成部分。本章将主要介绍换流站的主要设备。图3.1直流输电设备简图换流站中主要电气设备包括: 1. 换流器 其主要作用是将交流电力变换成直流电力或反之。 2换流变压器 向换流器提供交流功率或从换流器接受功率的变

22、压器。 3. 交流断路器 将直流侧空载的换流装置投入到交流电力系统或从其中切除，当换流站主要设备发生故障时，在直流电流的旁路形成后，可用它将换流站从交流系统中切除。 4直流电抗器 又称为平波电抗器，其主要作用是抑制直流过电流的上升速度，并用于直流线路的滤波，同时对于沿直流线路向换流站入侵的过电压也将起缓冲作用。 5阻尼器 并联于换流器阀的阻尼器主要用来阻尼阀关断时引起的振荡，抑制相过电压，线路阻尼器用于阻尼线路在异常运行情况下发生的振荡。 6滤波器 主要作用是对交流侧和直流侧进行滤波。装于交流侧的称为交流滤波器，装于直流侧的称为直流滤波器。交流滤波器除了对交流侧进行滤波外，还可为换流站提供一部

23、分无功功率。 7无功补偿装置 换流器在运行时需要消耗无功功率除了滤波器提供部分无功外，其余则由安装在换流站内的无功补偿装置(包括电力电容器、同步调相机和静止补偿器)提供。逆变器的无功补偿装置，一般还应供给部分受端交流系统负载所需要的无功功率。另外，无功补偿装置可兼作电压调节之用，静止补偿器和装有快速励磁调节器的同步调相机也有助于提高直流输电系统的电压稳定性。 8过电压保护器 其作用是保护站内设备(特别是换流器)兔受雷击和操作过电压之害。在有直流电压的结点必须装设直流避雷器。 9电压互感器和电流互感器 对交流系统采用交流电压互感器和电流互感器；对直流侧需采用直流电压互感器和直流电流互感器。 10

24、接地电极 其主要作用是连接大地(或海水)回路，固定换流站直流侧的对地电位。 11调节装置 根据系统的运行情况，自动控制换流器的触发相位，调节直流线路的电压、电流和功率。 12继电保护装置 检测换流站内设备(特别是换流器)和直流线路的故障、并发出故障处理的指令。 13. 高额阻塞装置 抑制换流器在换相过程中所引起的无线电干扰。本章主要讨论换流站中一次主要设备，包括换流器、直流电抗器、滤波器等并了解对这些设备的一些特殊要求。直流换流站分为电流源交换站和电压源交换站，为了能够将电能从交流变成直流或从直流变成交流,直流输电系统会需要一个电子换流器。可以完成这一变换的器件有两种，一种是电流源换流器（CS

25、C），另一种是电压源换流器（VSC）。图3.1 （a）电流源换流器和（b）电压源换流器3.1.1 电流源换流器 在对传统6脉波桥(图3.1.1)进行理论分析时需作如下假设： 1)直流电流Id恒定(即平波电抗器Ld为无穷大)； 2)阀为理想开关； 3)交流系统为无穷大(即三相电动势平衡并且是完全正弦形的)。 由于换流变压器漏电感的存在，从一个阀换相到另一个阀不是瞬时完成的。换相交叠过程是必然存在的，交叠过程的长短与漏电感的大小有关。在任何时刻，可能会有两个、三个或四个阀同时处于导通状态。在最一般的情况下，当换流变压器的漏抗取典型值1318时，任一时刻可能会有两个或三个阀处于导通状态。图3.1.1

26、 6脉波桥式电路相应地，此时的换相角(国家标准中称为重叠角，但电力行业内习惯称为换相角)将小于60度，其典型值为2025度。即在换相过程中有三个阀导通，而在两次换相之间只有两个阀导通。两阀导通或三阀导通的工况如图2.3所示。为了导出换流器交流侧和直流侧变量之间的关系，采用分两步推导的做法：第一步，采用没有漏电抗(换相电抗)的理想换流器模型，即没有换相过程；第二步，考虑漏电抗的作用，但由此引起的换相角应小于60度。 图2.3 换相阀两阀导通简图3.1.2 电压源换流器大功率、高电压的GTO和IGBT阀在20世纪90年代的商业化的应用，使得VSC在高压直流输电中得到广泛的应用。本质上VSC是CSC

27、于SVC相并联，使其变得更加灵活。可以采用不同的脉宽调制（PWM）技术使VSC运行于逆变和整流状态，为交流侧提供正弦波形输出。电压源换流器(VSC)的优点有：（1）快速控制有功和无功功率。（2）高电能质量。（3）对环境影响最小。（4）可与弱交流系统甚至是无源网络连接。VSC的运行原理如图图 2.1 VSC的运行原理图2.1 说明了VSC的运行原理。直流侧电容器C和交流侧电感器Lc是VSC的必备元件。直流电压Vd被监视并与参考值Vref做比较以产生一误差信号来调节PWM控制器。3.2 直流变换站数学模型以及等图3.2 直流输电换流器等效计算电路换流器的稳态数学模型可以根据上图来加以描述，稳态数学

28、模型的输入变量有3个，输出变量有5个，其输入输出关系如下图所示 其中3个输入变量分别为：（I）换流站交流母线线电压E（kV）。（2）触发角()。（3）平波电抗器上的直流电流Id（kA）。而5个输出变量分别为：（l）平波电抗器后的直流电压Vd（kV）。（2）换相角。（3）关断角。 （4）交流系统注入基波有功劝率P（kw）。（5）交流系统注入基波无功功率Q（kva）。 直流电压Ud的计算公式为其等效电路如图3.2所示图3.2换流器等效电路换流器运行特征变量的计算公式为交流侧变量计算公式为交流侧近视计算公式3.3 换流变压器换流站所用的电力变压器称为换流变压器它和普通电力变压器在结构上基本相同。但由

29、于两者运行条件的不同，所以换流变压器在设计、制造和运行上都具有一定的持点。一 换流变压器的特点1短路电抗当换流器的阀臂发生绝缘破坏事故时造成换流变压器的桥侧短路；而换流器的换相过程实际上就是换流器二相短路过程。为了防止过大的短路电流通过当时正导通着的健全阀而损坏其它的元件，所以换流变压器应具有足够大的漏电抗来限制短路电流。当交流系统容量比换流器容量大得多，即交流系统的等值电抗比换流变压器漏抗小很多时，把换流变压器的漏抗作为换相电抗(短路电抗)。但换流变压器的漏抗也不宜选择得过大否则换流器在运行中消耗的无功功率将增加，需要加大无功补偿设备的容量，此外直流电压中换相压陷也将过大，因此换流变压器短路

30、电抗的选择要兼顾到这两方面，一般取值为15202直流磁化(直流偏磁)如果换流器触发相所用的时间间隔不相等，则交流相电流的正负半波不同，它的平均值将不等于零。也就是相电流中存在着直流分量，这一直流分量流过换流变压器桥侧绕组时，将产生直流磁化现象(也称直流偏磁)。3.4 直流电抗器直流电抗器(又称平波电抗器)在主回路中的作用主要有以下几个方面：减少直流侧的交流脉动分量、小电流时保持电流的连续性以及当直流送电回路发生故障时能抑制电流的上升速度。从以上作用来看，希望它的电感量越大越好。但是电感量过大，当电流迅速变化时在直流电抗器上产生的过电压就越大。另外作为一个延时环节，电感量过大对额定电流的自动调节

31、不利。所以在满足上述三相要求的前提下，直流电抗器的电感量应尽量小。第四章 基于PSCAD软件的直流输电系统的控制策略研究4.1 PSCAD/EMTDC介绍程序EMTDC(Electronic-magnetic Transient in DC System)是目前世界上被广泛使用的一种电力系统分析软件。该软件能研究交直流电力系统问题，也能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具(versatile tool)。特别是PSCAD图形界面(GUI)的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC以进行电力系统仿真计算，而且软件可以作为实时数字仿真器(RTDS，real time digital sim

32、ulator)的前置端(front end)。现在新版的PSCAD/EM TDC不但有工作站版(适用于Unix Work stations)，而且有微机版(PC版)，其大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点，已经被世界各国的科研机构、学校和电气工程师所广泛使用。PSCAD/EMTDC软件包的主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外，PSCAD/EM TDC软件包可以广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。PSCAD/E

33、M TDC有元件模型库非常全面，其中高压直流输电(HVDC)及灵活交流输电(FACTS)模型库，包括二极管、晶闸管、GTO、IGBT及避雷器模型库，可以进行电力电子仿真、模拟FACTS元件(如SVC)和HVDC特性，为本文的工作提供了一个方便而专业的仿真平台PSCAD/EMTDC配有图形输入程序，是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各个元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口。此外，PSCAD/EMTDC还具有强大的自定义功能及支持子网嵌套的功能，

34、用户可以根据自己需要创建具有特定功能的电路模块。正是由于PSCAD/EM TDC软件强大的仿真功能，全面的元件模型库以及专业电力数据分析，建立了多种情况下基于电压源型和电流源型直流输电系统的仿真模型，从而对HVDC的运行特性有更深刻的研究。4.2国际大电网会议(CIGRE)标准高压直流输电模型图4.1国际大电网会议(CIGRE)标准高压直流输电模型由于没有得到实际运行的高压直流输电(HVDC)系统数据，因此本文仿真计算的模型是基于国际大电网协会CIGRE直流联络线研究委员会HVDC系统控制工作组提出的第一个用于HVDC控制研究的标准测试模型。因此，用这个标准模型作为研究的对象。可以反映HVDC

35、控制研究中主要问题，而且也具有代表性。 CIGRE高压直流输电详细模型图4.2和图4.3所示图4.2 整流站主接线图从图3.2的左侧是整流站模型的滤波设备，称为交流滤波器，主要作用是对交流侧和直流侧进行滤波。交流滤波器除了对交流侧进行滤波外，还可为换流站提供一部分无功功率，但是对于本仿真模型来说，是提供大量的无功。紧接着是交流母线部分，连接交流母线的是换流变压器，换流变压器采用星三角接法，再过来接着是12脉冲的换流器，它的结构简图如下所示：图4.3 6脉冲换流器接下来是逆变站的详细模型结构图图4.4 逆变站主接线图换流站控制在直流输电系统中占有很重要的作用，这部分在直流输电中属于极控制级。采用

36、限制的定电流控制法，整流侧定电流控制器采用PI控制，PI控制器的结构如下图所示。PI控制器的输出为触发角BETAR，它与整流侧的触发延迟角AOR之间的关系为=180BETAR。Pl控制器环节其参数为 K=1.0989，T=0.，pmax=3.054(175)，pmin=0.52(30)。图4.5 CIGRE输电模型整流侧定电流控制简图对于整流器，如果测得的电流实际值小于整定值，则必须减小AOR角，增大cosa，也就是增大整流器的空载电压，使电流增大(或接近)到整定值。反之，如果测得的电流实际值大于整定值，则增大AOR角，减小cosa。，使电流减小到整定值。图 4.6 逆变站详细控制图CIGRE

37、直流输电模型的控制方式采用的是定电流和定电压控制，一、定电流控制特性及原理定电流控制是直流输电系统最基本的控制方式之一，在正常运行过程中，由于某种原因而引起的直流电流Id的偏移，都将由这一控制系统快速地将电流调整到正常值，也就是说定电流控制器的主要任务就是要维持直流电流的恒定。定电流控制中的电流调节器实际上是一种简单的带反馈的高增益放大器。在整流侧，定电流控制器的输入是电流整定值与实际电流的偏差，由这个偏差驱动PI控制器得到的输出作为触发角的相关信号，通常这个输出就直接作为触发延迟角的指令值。首先通过直流互感器来测量直流电流Id，并将直流电流与电流整定值(也称为电流指令)进行比较，然后将比较后

38、的差值输入控制放大器中进行放大，放大的信号被输入到相位控制回路作为控制电压来进行所需的相位控制，从而达到控制直流电流为恒定的目的。图3.1 CIGRE 直流输电控制器总框图图3.2直流输电稳态运行曲线1、整流侧换流母线电压下降时逆变侧控制器的动作机理分析正常时整流侧由定电流控制决定系统运行电流，逆变侧由定凡控制决定系统运行电压，此时系统运行在A点。当交流电压下降很小时，整流侧在定电流控制作用下迅速将。角减小，只要。角还没有达到其上限。PI就可以使电流恢复到整定值，运行点保持不变，仍然在A点。交流电压下降较小，但a角已达到其上限。时，整流侧限制在定amln控制曲线上，电流未能恢复到整定值而有所下

39、降，逆变侧电流偏差控制开始起作用，逆变侧仍为定r控制，不过此时的整定值还包括由电流偏差控制产生的r角增量，运行点在B、C、D点。电压下降较多时，整流侧仍为定amln控制，逆变侧VDCOL控制投入，电流跟随电压下降，运行点在E、F、G点。电压下降很多时，整流侧仍为定amln控制，逆变侧进入最小电流限制控制，使电流保持在定电流曲线Id=0.45上，运行点在H、I点。2、逆变侧换流母线电压下降时整流侧控制器的动作机理分析正常时整流器由定电流控制决定系统运行电流，逆变侧由定r控制决定系统运行电压，此时系统运行在A点。逆变侧电压降低较小时，整流侧在定电流控制作用下迅速将r角增大，使电流恢复到整定值，整流

40、侧定电流运行，逆变侧仍为定从运行，运行点在定电流直线上下移动，运行在K点。逆变侧电压下降较多时，整流侧VDCOL控制投入使用，使整流侧电流减小，逆变侧仍为定r控制，运行点在M、N、X点。逆变侧电压下降很多时，整流侧进入最小电流限制控制，使电流保持在定电流曲线Id=0.55上，逆变侧仍为定r控制。运行点在Y、Z点。交流系统波动不大的情况下，通过HVDC的传统控制方式间的灵活转换可以一定程度上避免换相失败的发生。HVDC特有的低压限流环节(VDCOL)，可以在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制，有助于抑制换相失败的发生。此外，控制器的参数需经优化后方能使系统整体性能达到最佳

41、。4.2.1直流输电系统基本控制方式在实际系统中，为了满足正常的运行要求，直流系统换流站的控制通常备有如下的基本控制方式:1.直流电流控制，保持电流等于给定值定电流调节的基本原理是，把直流电流互感器测得的系统实际直流电流Id和电流整定值Ido进行比较，再将误差进行放大。放大器的输出用来控制相位控制电路，改变整流器的触发角，使差值消失或减小，以保持Id等于或接近于Ido。2.直流电压控制，定电压调节的原理和定电流调节原理相似，只是反馈信号为直流电压。它保持直流线路送端或受端的电压在给定的范围内或等于给定值，定电压控制有利于提高换流站交流电压的稳定性，另外，在轻负载(直流电流小于额定值)运行时，由

42、于逆变器的熄弧角Y比满载运行时大，对防止换相失败有利。3.整流器触发延迟角(a角)控制，直流输电基本控制仿真分析使正常运行时a角较小，一般保持在10度20度范围内，以小无功功率的损耗，并留有调节的余地来控制直流功率潮流。4.逆变器熄弧角行角)控制，为了保证逆变器的安全运行，限制熄弧角不小于给定的最小熄弧角0，以减小换相失败的概率，提高运行可靠性。另外，为了尽可能提高逆变器功率因数，降低无功功率的损耗，又希望它在较小的角状态下运行，因此有熄弧角的调节装置，使其运行在定0特性上。5.功率控制，通常要求HVDC联络线传输预定的功率。在这种应用中，相应的电流指等于功率指令除以测量的直流电压。功率控制单

43、元一般设在高一级的控制，如主控制部分。在以上的基本控制环节中都要有一些限制环节，以保证系统的正常运行主要是电流限制和触发角限制。1.电流限制确定电流整定值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。因此，在12脉波的运行情况下，电流在一个周期内会被中断12次。这种情况是不允许的，因为在中断瞬间电流变化率很高，会在变压器绕组和直流电抗器上感应出过电压。（3）依赖于电压的电流指令限制(VDCOL)系统受到大扰动时，直流电压或换流母线电压将迅速下降，在低

44、电压条件下，要想保持额定直流电流或额定功率不可能的。因为当一个换流器的电压降超过30%时，和它相隔很远的换流器无功需求将增加，这对交流系统可能有不利的影响。系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器所提供的无功功率明显减少，而换流器吸收的无功功率大部分由它们提供。另外，当电压降低时也面临换相失败和电压不稳定的危险。在这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入依赖于电压的电流指令限制(VDCOL)来防止。当电压降低到预定值以下时，这个限制通过降低最大容许直流电流以降低直流功率，这样可以减少故障期间换流站对交流系统无功功率的需求，帮助恢复交流电压，减小发生换相失败的概率。2.触发角限制通过控制电

45、流指令和电流裕度可以控制线路的传输功率，这些信号能通过一个远动通信线路传送到换流站。在换相失败或直流线路故障时，逆变器可切换为整流方式。这将逆转功率传送方向。为预防这种情况，在逆变器控制中引入最小a限制，这就将逆变器的触发角限定在大于90度的某个值，其典型范围为95度到110度。但是，在特定故障条件下，可以允许整流器运行于逆变区域以帮助系统。典型地加于整流器触发角的最大限制在90度到140度之间。这样所计算出来的电流整定值用作电流控制的输入信号。综上所述，直流输电系统基本的控制方式有:定电流控制、定电压控制、定越前触发角p控制、定熄弧角0控制和定触发延迟角。控制和定功率控制等。其中定功率控制属

46、于主控制级，响应较慢;定电流控制、定电压控制、定越前触发角p控制、定熄弧角控制和定触发延迟角a控制属于极控制级，响应较快。在高压直流输电系统中，实际应用的控制方式并不是一种，而是几种基本方式的组合，它们各自担负着不同的控制调节任务而又相互配合，即使在整流器或逆变器中也不仅仅单一地采用某一种控制方式。4.3 VSC HVDC直流输电系统仿真模型为了研究高压直流输电系统，Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局(Manitoba Hydro)开发完成了EMTDC的初版，随后在曼尼托巴大学(Universityof Manitoba)创建高压直流输电研究中心(Manito

47、ba HVDC Research Center)，多年来该直流输电研究中心在Dennis Woodford的领导下不断完善了EMTDC的元件模型库和功能，使之发展为研究交直流电力系统问题的专业软件，VSC HVDC直流输电系统虽然采用了完全不同于传统HVDC直流输电控制方式，但是它对仿真软件的要求却与传统的HVDC直流输电基本相同，因此可以很方便的利用电力系统专业仿真软件PSCAD/EMTDC对VSC HVDC直流系统仿真。VSC HVDC直流系统仿真的电压源换流器采用GTO或IGBT等全控型的大功率开关元件，其控制方法与基于半控晶闸管的传统线换向换流器有很大的差异。PWM-VSC换流器在直流

48、电压恒定时，PWM的调制度M决定VSC输出基波电压的幅值，而正弦给定的相位决定VSC输出电压的相位。由于正弦给定信号的调制度和相位可以独立调节，可以实现在同一电压源换流器中既能调节交流端母线基波电压幅值同时又能调节电压相位。由于VSC吸收或发出的有功和无功的大小和方向取决于VSC交流输出端基波电压的调制度和相位，因此通过控制PWM的调制度和给定正弦信号相位就可以实现有功和无功相互独立的调节。 图4.3 (a)VSC-HDVC整流站以及控制简图 图4.3 (b)VSC-HDVC逆变站以及控制简图由于VSC是一个两输入两输出的控制对象，其控制策略的研究首先要确定两个制量与两个被控制量之间的对应关系

49、，寻找这种对应关系的基本原则是：(1)整个运行区域内，被控量与控制量之间应有单调的函数关系；(2)两端控制系统之间的耦合尽可能小。即要得到控制量与被控量之间的线性和解耦的对应关系。本文所设计的控制器都采用闭环PI控制，通过实时的计算给的被控量实际值与给定值之间的差值来调节控制PWM的调制比和触发角。图4.4.1系统控制简图VSC HVDC系统的基本控制方式:VSC HVDC系统与互联交流系统之间的相互作用主要体现在稳态物理量之间的关系，因此只要研究VSC HVDC两端的控制策略。首先通过对VSC输出相电压的基波分量进行分析，确定VSC HVDC的控制量与被控制量，以此为基础从理论上建立VSC

50、HVDC系统的基本控制模式及控制方法。基于以上分析，并结合实际工程经验，目前HVDC Light系统主要采用以下五种控制方式：(1)定直流电压控制控制的基本方法是：利用直流电压变化量去调节VSC交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控直流电压达到其设定值；(2)定直流电流控制控制的基本方法使：利用直流电流的变化量去调节VSC交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控直流电流达到设定值；(3)定有功功率控制控制的基本方法是：利用VSC传送的有功功率的变化量去调节VSC交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控VSC传送有功功率达到其设定值；(4)定无功功率控

51、制控制的基本方法是：利用VSC吸收或发送的无功功率的变化量去调节VSC交流输出端电压的幅值，以使被控VSC吸收或传送无功功率达到其设定值；(5)定交流电压控制控制基本方法是：利用VSC所联交流母线电压幅值的变化量去调节VSC交流输出端电压的幅值，以使被控交流母线电压幅值达到其设定值。以上五种控制策略，(1)(2)(3)是通过调节VSC交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差来实现的，(4)(5)是通过调节VSC交流输出端的幅值来实现，且这两种调节是同时进行和相互独立的。因此VSC HVDC控制方案选择的原则是：每端VSC都具有两种基本控制策略，首先有一端必须采用(1)定直流电压控制，另一端

52、则可从(2)、(3)中任选一种，其次每端VSC再从(4)(5)中任选一种。本文所涉及的仿真主要采用(1)、(3)、(4)、(5)这四种控制方式。两端直流系统中，换流站可以进行遥控，并可以通过两个站中的任何一个站进行监控，或者从另外一个遥控点通过通讯线进行监控。在正常运行方式中，每个站都不受另一个站的影响而独立地各自控制其无功潮流，但是直流电网的有功潮流必须保持平衡，也就是离开电网的有功潮流必须等于电网所接收的有功功率减去直流系统中的损耗，否则会引起系统直流电压的迅速升高或降低。因此，为了实现功率平衡，两个换流站中必须有一个作为直流电压调节器(DC Voltage Regulator)来调节直流

53、电压，而另一个作为功率调节器(Power dispatcher)用于控制系统中传输的有功功率为定值(这两者都既可以是整流端，也可以是逆变端)。直流电压调节器可以调整其功率信号来保证系统的功率平衡(即获得恒定的直流电压。站与站之间可以在没有通信的情况下实现平衡，而只需测量直流电压即可。同理，在多端直流系统中，至少要有一个换流站作为直流电压调节器，而其它的换流站可以作为功率调节器运行。另外，当联接有源交流网络时VSC输出的基波电压频率必须与受端电网电压频率保持一致；当联接无源网络时，VSC输出的基波电压频率必须根据负荷的要求决定。4.3.1 SPWM信号的产生和锁相环电路VSC的门极控制极脉冲采用

54、正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)控制方式，即以与系统电压同相位的正弦波为调制波、以三角波为载波进行调制，原理如图4.3.1所示。图中，电压比较环节采用PSCAD/EMTDC提供的IGBT门极触发电路模块。 图4.3.1 SPWM信号发生电路以及调制原理和波形输出SVPWM控制方式具有以下特点：1每一扇区内虽有多次开关状态切换，但每次切换仅牵涉到一个逆变器件，因而开关损耗较小；2逆变器输出电压矢量逼近圆形的程度取决于扇区作用时间Tc，Tc越小，越逼近圆形，但Tc的减小要受到功率器件开关速度和损耗的制约；3 SVPWM控制下电路直流电压利

55、用率较高；4实现方法简便。(1)正弦波的产生 图4-3为VSC HVDC的正弦波产生电路。其中PLL为PSCAD/EMTDC软件包提供的三相锁相环，它跟踪Usa、Usb、Usc并输出与输入信号同步变化的相角。根据由VSC HVDC控制规则决定的控制相位角sh及变压器的接法对PLL的输出相位进行移位得到正弦波的相角。正弦波的幅值受VSC HVDC控制规则得出的幅值调制msh的控制。图4.3.2 正弦波产生电路图4.3.2中，RefRon产生用于控制IGBT开通时间的调制信号，RefRoff产生用于控制IGBT关断时间的调制信号，RefRoff输出脉冲的相角与RefRon相差180度。(2)三角载

56、波的产生三角载波的产生电路如图4.3.3所示。通过锁相环得到输入信号的同步相位后再乘上希望的载波次数，被360除后取余，并将得到的值变换为三角波，TrgRon是通过将0，90，270，360与0，1，-1，0相对应的方法得到的三角载波；TrgRoff是通过将0，90，270，360与0，-1，1，0相对应的方法得到的三角载波。三角载波TrgRon用于与正弦波RetRon相比较得到控制极脉冲；而三角载波TrgRoff用于与正弦波RetRoff相比较得到IGBT的关断时间。图4.3.3 三角波发生电路第五章 弱交流系统事故对直流交换站的影响直流系统对所连交流系统发生的故障非常敏感，所以当交流系统发生故障时对直流输电系统的影响进行分析是十分重要的。直流系统的两端均与交流系统互联，交直流系统间不是各自独立的系统，它们具有相互作用相互影响性。两端交流系统的强度不同会对系统的运行产生不同的影响，尤其是受端交流系统较弱时，微小的扰动或发生故障现象都会很容易引起换流站交流母线电压不稳甚至是崩溃现象，需要进行无功补偿或采用适当的控制方式来提高系统的动态响应。换