背靠背设计书

1、华南农业大学背靠背系统的MATLAB建模与仿真 背靠背系统的MATLAB建模与仿真一 绪 论1.1 直流输电的发展概况 直流电是人们最先认识和利用到的电能。19世纪初期，人们从电报的传输中获得启发，将其引用到电力传输的领域当中。法国物理学家德普勒提出：如果输电电压选择得足够高，即使沿着电报线路也可能输送较大的功率到较远的距离。1882年，通过装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机以及一条约 57公里的电报线路，德普勒将电能输送到慕尼黑举办的国际展览会上，完成了第一次输电试验，也是有史以来的第一次直流输电试验。 但到了20世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题，

2、使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争，直流输电技术进入了一个发展相对缓慢的阶段，而交流输电技术则在世界范围内被广泛应用起来。 至20世纪50年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加，电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有较好的经济效益和优越的运行特性，因而直流输电重新被人们所重视。1950年苏联建成一条长43km、电压200kV、输送功率为3万kW的直流试验线路。1954年，瑞典把高压直流输电技术应用于高特兰岛到瑞典本土的海底电缆，总长96km，电压100kV，送电容量2万kW, 其换流阀为汞

3、弧阀。1961年，英法两国采用海底电缆，建成100kV、160MW、总长65km的直流输电线路，把两国交流电力系统连接了起来，再次推动了直流输电的发展。到60年代，海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电，直流输电方式在跨越宽阔海峡的特殊自然条件下，优点更为突出。80年代，可控硅换流器在大型直流输电工程中崭露头角，巴西的伊泰普直流输电工程，使直流输电压达到600kV，输电功率达到6 300MW，输送距离806km，发展之迅速可见一斑。我国高压直流输电起步较晚，1977年曾建成一条31kV直流输电工业性试验电缆线路。浙江舟山跨海直流输电工程（电压100kV，输电容量5万kW）亦已完成。1987年建成

4、葛沪500kV超高压直流输电工程（西起湖北宜昌葛洲坝换流站，东到上海奉贤），输送距离1 080km，分两期建设，先建单极500kV，输送容量60万k W，1988年建成双极。该工程的两座换流站设备是从瑞士和西德引进的。近20年来，随着电力电子技术的发展，高压直流输电迅速发展。自1972年加拿大建成世界上第一座可控硅换流站以来，可控硅技术不断进步，容量增大，可靠性提高，价格逐渐降低，直流输电更趋成熟，已成为电力传输的一种重要方式。特别是光纤和计算机等新技术的发展，使直流输电系统的控制、调节与保护更趋完善，进一步提高了直流输电系统运行的可靠性。与此同时，直流输电应用于非同步联络站也有较大发展，到1

5、985年底世界上有芬兰苏联非同步联络站等11个工程相继投产，说明直流输电技术在交流电力系统的联网和分割功能方面将充分发挥作用。二 直流输电系统简叙2.1 直流输电的基本构成直流输电是以直流电的方式实现电能传输的输电方式。直流输电与交流输电相互配合构成现代电力传输系统。目前电力系统的发电和用电的绝大部分均为交流电，要采用直流输电必须进行换流。一个简单的直流输电系统的组成如下图所示，由换流器（整流、逆变）、换流变压器、直流输电线路、滤波器、平波电抗器、无功补偿装置、控制与保护装置等各种电气装置组成。图中交流电力系统I和II 用直流输电系统相连。交流电力系统提供换流器正常工作所必需的交流电源，该电源

6、可以是复杂的交流电力系统也可以是同步发电机，图中已设定交流电力系统I 为送电端，II 为受电端。 直流输电系统工作原理是：由交流系统I 送出交流功率给整流站的交流母线，经换流变压器1，送到整流器，把交流功率变换成直流功率，然后由直流线路把直流功率输送给逆变站内的逆变器，将直流功率变换成交流功率，再经换流变压器2，把交流功率送入受电端的交流电力系统II。(l) 换流变压器。换流变压器向换流桥提供适当等级的不接地三相电压源。由于 变压器阀侧不接地,直流系统能建立自己的对地参考点,通常将换流器的正端 或负端接地。(2) 换流器。它们完成交一直流和直一交流转换。换流器包括6脉动或12脉动安 排的高压阀

7、。(3) 平波电抗器。这些大电抗具有高达1.OH的电感，其作用是降低直流线路中的 谐波电压和电流、防止逆变器换相失败、防止轻负荷电流不连续、限制直流线 路短路期间整流器中的峰值流。(4)谐波滤波器。换流器在运行时在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流， 这些谐波会导致电容器和附近的电机过热,并干扰远动通信系统。因此,在交流 侧和直流侧都装有滤波置。(5)无功功率支持。直流换流器运行时需要消耗大量的无功功率稳态时所消耗的 无功功率占传输功率的40%60%左右,在暂态情况下,无功功率消耗更大。因 此,必须在换流器附近提供功电源。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

8、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) 电极。大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线,至少在较短的时间内 是这样。与大地相连接的导体需要较大的表面积,以便使电流密度和表面电压 梯度最小,这个导体被称为电极。如果必须限制流经大地的电流,可以用金属性 回路的导体作为直流线路的一部分。(7) 直流输电线。它们可以使架空线,也可以是电缆。背靠背直流输电工程可以没 有直流输电。(8)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。2.2换流器电路分析直流输电用来进行换流的有6脉动换流器和12脉动换流器,由于12脉

9、动换流器是由两个6脉动换流器串联而成，因此可用6脉动换流器来进行原理分析。现在广泛运用的6脉动换流器是三相全波桥式整流电路，如图2.2所示。目前,直流输电工程广泛使用晶闸管换流阀的特点是:换流阀单向导电；换流阀导通的两个必要条件是晶闸管阳极对阴极电压为正和在晶闸管的控制极上输入触发脉冲；晶闸管的控制极没有关断能力，即一旦晶闸管导通后就会处于通态，直到流经晶闸管的电流减小到零，并且晶闸管电压保持一段时间为零或为负时，晶闸管才转入关断状态。 2.2.1整流器工作原理换流器作为整流器正常工作时的波形如下图2.3所示： 由图可见,在C,之前,电势的瞬时值最高，电势最低，接于这两相间的阀和处于通态，其余

10、四个阀承受反向电压而处于断态。在之后，电势最高，使共阴极组中的阀开始承受正向电压，经过滞后角后，阀受到触发开始导通，这时阀仍处于通态，电流经过阀,负荷和阀形成回路。阀 导通后，阀因承受反向电压而被关断。在点之后电势最低,经触发延迟角后阀触发导通，阀关断，电流通过和形成回路。接下来的是阀代替阀导通，电流继续通过阀。依次下去，阀的导通顺序是：和 ，和，和 ，和，和，和，和，如此周而复始。图2.3中,为触发延迟角，为换相角。 三 建模与仿真本文对一个典型12脉冲桥HVDC输电系统进行了暂稳态仿真，分析了在直流线路对地故障和交流单相对地故障情况下系统的性能。3.1 仿真原理电力系统暂稳态仿真主要研究电

11、力系统网络元件模型的建立及数值方程的求解，目前已开发出的主要仿真方法有状态变量法、节点分析法及修正节点分析法等。这些方法已用于开发不同的仿真软件，如适用于电磁暂态仿真的EMTP程序和用于电子线路、电力电子仿真的SPICE等。每个仿真软件都具有自己的优缺点，即有较其它软件更适合解决某一特定问题的特点，如EMTP很适合没有换流器的大型电力网络；而SPICE适用于有电力电子系统的小型网络。基于MATLAB/Simulink的电力系统用两部分表示，即线性电路的状态空间模型和非线性元件反馈模型（见下图）。图3.1 反馈式电力系统状态空间模型3.1.1线性电路状态空间模型线性电路通常包括电阻器、电抗器、电

12、容器和互耦电感，其状态方程可表示为 （1） （2）其中x,是状态变量及其导数；u是输入变量；y是输出向量；A,B,C,D是状态矩阵。线性电路中，状态变量是电容电压和电感电流；输入是电压、电流源；输出是被测电压和电流。3.1.2 非线性元件仿真 非线性元件，如变压器饱和支路、压敏电阻器、非线性电感、开关、电机等，用非线性曲线来建模。每个非线性模型用元件两端的电压作为输入，并将返回的电流注入线性电路状态空间模型，从而在线性电路状态空间模型输入、输出间形成反馈回路。3.1.3 状态初始化 在获得系统状态空间模型后，必须对所有状态变量进行初始化，以便可从稳态开始仿真，初始化向量。可通过下面的处理来获得

13、。 系统状态方程可以表示成如下所示输入变量的函数： （3）由式（2）可得到传输函数矩阵 （4） 其中s是拉普拉斯算子；X，U，Y是状态变量、输入向量、输出向量的拉氏变换；是单位矩阵。现设，则用输入电压和电流向量可计算状态向量的稳态值和时的初始值；角频率为的输出向量直接从式(4)中得到。如果系统含有不同频率分量的电压和电流源，对于每个频率分量重复上述过程，向量是每个频率分量下求得的向量总和。3.1.4 频率响应 获得系统状态空间向量模型后，可用于时域和频域研究。可利用各种MATLAB函数和工具箱对结果进行处理和绘图。3.2 图形用户界面和模型库3.2.1,环境下仿真工具 PSB是一个图形编辑工具

14、，在Simulink环境下能建立电力系统原理图并进行仿真计算。PSB库（见图3.2）提供了电力系统仿真通用的元件和装置，包括RLC支路和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子装置等。通过点击和拖拽可用PSB库内的模型来建立电力系统仿真原理图，并利用模型元件的对话框来设置相关参数。使用Simulink提供的示波器模型，可显示观测点处的仿真结果及其波形。 图3.2 PSB工具库3.2.2 模型库 根据电力系统内各电气设备特性，可将PSB库内的模型分成电源、元件、电力电子器件、电机、连接器和测量等几部分。元件集包括单相RLC支路和负载模块、变压器、互感器、型传输线、避雷器、断路器、n相分布参数

15、线路模型等。利用Simulink二次开发功能，可方便地编辑出更复杂的元件模型和集成参数对话框。电力电子集包括通用的半导体元件，每个元件（除二极管外）都有Simulink门极控制输入端和Simulink输出端，可显示开关的电压和电流值。电机集包括简化的和详细的同步电机、异步电机、励磁机、永磁同步电机和涡轮机等，每一个模块有一个Simulink输出来显示内部变量状态值。3.23 初始化和仿真每次仿真开始时都要执行初始化过程，来计算电路状态参数、检验电路是否符合电气规则。PSB图形界面利用对话框来设置电容电压和电感电流初始条件，这样可从初始条件仿真或从稳定状态下仿真，同样可显示所有模块状态参数值。3

16、.3 计算实例 本文采用的典型12脉冲桥HVDC输电系统如下图所示。整流器和逆变器均采用2个6脉冲桥串联而成的12脉冲桥结构，换流器间连接0.5H平波电抗器和500KV直流架空线路（长300Km）。整流侧交流源是短路容量为5000MVA的500KV电力网络（频率为60Hz）；逆变侧则连接10000MVA的345KV交流网络（频率为50Hz）。换流器所需的无功功率由一组滤波器（电容器组，11次、13次及高通滤波器）提供，整流侧和逆变侧容量各为600Mvar。整流侧采用电流控制，逆变侧采用电压控制方式7，8。图4是逆变侧直流线路对地发生故障和恢复时整流侧直流线路电压、电流和参考电流、触发延迟角 等

17、各参数仿真结果。从图中结果分析可知，逆变侧直流线路对地故障时，直流线路电迅速增至2.3pu；直流电压降为零。通过依赖于电压的电流指令限制（VDCOL）将整流侧电流参考值设为0.3pu，故障情况下直流线路中还有电流流过。0.65s时强制整流侧 为，使整流器处于逆变状态，此时直流电压转换为负极性，并将储存在线路中的能量返回到交流网络，在下一个过零点将故障电流迅速熄灭。0.7s时释放角，系统大约在0.3s内恢复正常。当整流端变压器交流侧单相对地发生故障时，整流器侧的直流线路电压、电流和参考电流、触发延迟角等各参数仿真结果见图 5。由于直流线路两端没有装设直流滤波器，使故障期间直流线路电压、电流有很大

18、谐波分量。0.7s时VDCOL开始运作，把参考电流降为0.3pu；故障清除后0.4s内系统恢复正常。图4 逆变侧直流线路对地故障时仿真结果图5 整流端变压器交流侧单相对地故障时仿真结果4 结论利用MATLAB/Simulink环境下的PSB模型库及Simulink强大的二次开发功能和丰富的工具箱，可对交直流混合输电系统进行仿真，能较准确地反映暂态过程中直流输电系统的动态特性，与纯电磁暂态仿真相比，可大大缩短仿真所需的时间。计算实例结果分析表明，该方法还可对直流线路的故障和恢复过程进行仿真；同时良好的图形用户界面可方便地实时显示参数波形，可直观地分析系统性能。结束语用了大概一个星期的时间，终于完成了这次现代控制理论基础的期末作业。作业过程中，由于自身知识的不全面，很多东西都不太懂，需要花大量时间找资料，在这段时间对学过的知识进行了温故而知新，令我获益匪浅。无论是在开始设计之前的资料收集工作，还是在MATLAB建模和仿真时，付出了不少的时间和精力，这项工作也必须心细谨慎才能做得好。虽然过程不简单，但我在这次的期末作业中对学过的知识进行了全面的复习，同时也学到了很多自己没有了解的知识。或许老师会在这次的作业发现还有许多不足乃至错误的地方，但我已经很努力地做得更好，我亲手去设计过，仿真过，这让我对现代控制理论的实际应用不再那么空泛