基于matlab的高压直流输电系统建模与仿真

基于matlab的高压直流输电系统建模与仿真内容摘要：

大地回线方式 单极连接是用一根架空导线或电 缆线，以大地或海水作为返回线路组成直流输电系统。 如图 (a)所示这种方式。 由于正常运行时电流需流经大地或海水，因此要注意接地电极的材料、埋设方法和对地下埋设物的腐蚀以及对地下通讯线路、航海罗盘的影响等问题，通常用正极接地方式较多。 图 (a) 单极大地回线方式接线图 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4直流输电线路； 5接地极系统； 6两端交流系统 （ 2）单极金属回线方式单极金属回线方式是利用两根导线构成直流侧的单极回路，见图 （ b） ,其中一根低绝缘的导线（也称金属返回线）用来代 替单极大地回线中的地回线。 这种方式避免了电流从大地或海水中流过，又把某一导线的电位钳位到零。 其缺点是当负荷电流在流过导线时，要产生不小的电压降，所以仍要考虑适当的绝缘强度。 这种方式大多用于无法采用大地或海水作为回路以及作为双极方式的过渡方案。 32 7 图 (b) 单极金属回线方式接线图 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4直流输电线路； 5接地极系统； 6两端交流系统 此外，当双极直流输电工程在单极运行时，还可以接成双导线并联大地回线方式，其接线图如图 （ c）所示。 图 （ c）双导 线并联大地回线方式接线图 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4直流输电线路； 5接地极系统； 6两端交流系统 双极线路方式有两根不同极性的导线，即一正一负。 可具有大地回路或中性回路，分述如下： （ 1）双极两端中性点接地方式如图 (a)所示这种方式是将整流站和逆变站的中性点均接地，双极对地电压分别为 +V 和 V。 正常运行时，接地点之间没有电流通过。 实际上，由于两侧变压器的阻抗和换流器控制角的不平衡，总有不平衡电流以大地作为回路流过。 当一线路故障切除后，可以利用健全极和大地作为回路， 维持单极运行方式。 图 (a)双极两端中性点接地方式接线图 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4直流输电线路； 5接地极系统； 6两端交流系统 （ 2）双极一端中性点接地方式这种运行方式如图 (b)所示，它是在整流侧或逆变侧中性点单端接地，正常运行时和上述方式相同。 但是一线故障时，就不可以继续运行32 8 了。 图 (b)双极一端中性点 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4直流输电线路； 5接地极系统； 6两端交流系统接地方式接线图 （ 3）双极金属中性线方式将双极两端的中性点 用导线连接起来，就构成双极中性线方式，见图 (c)所示。 这种方式是在整流侧或逆变侧任一端接地，当一极发生故障时，能用健全极继续输送功率，同时避免了利用大地或海水作为回路的缺点。 这种方式由于增加了一根导线，在经济上将增加一定的投资。 图 (c)双极金属中性线方式接线图 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4直流输电线路； 5接地极系统； 6两端交流系统 （ backtoback）”换流方式 如图 所示，没有直流输电线路，而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为“背靠背”换 流站。 这种方式用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统的互联。 背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可以选择低电压大电流，可充分利用大截面晶闸管的通流能力，同时直流侧设备也因直流电压低而使其造价也相应降低。 背靠背直流输电由于整流器和逆变器均装设在一个阀厅内，直流侧谐波不会造成对通信线路的干扰，因此可降低对直流侧滤波的要求，省去直流滤波器，减小平波电抗器的电感值。 这样，整个直流系统的绝缘费用可以降低，有色金属的消耗量和电能耗损较少。 目前世界各国己修建和准备投建的“背靠背”直流工程较多，其主要优点是有 利于系统增容时限制短路容量，从而不致更换大量的电气设备。 背靠背 HVDC 系统可根据互联32 9 的目的和要求的可靠性而设计成单极或双极运行。 大多数点对点 (两端 )带线路的 HVDC输电系统是双极的，只在偶发事故时作单极运行。 图 背靠背换流站原理接线图 1换流变压器； 2换流器； 3平波电抗器； 4两端交流系统 高压直流输电系统的元件 HVDC系统主要由换流站 (有整流站和逆变站 )和 HVDC线路组成，主要包括换流器、直流平波电抗器、交直流滤波器、无功补偿装置、直流输电线路以及电极。 下图是一个双极联络线系 的基本组成元件示意图，其他类型的接线，其主要元件与此图所示基本相同。 下面分别介绍如下： 图 两端高压直流输电系统的主要设备 图 中主要设备如下： (1)换流变压器。 换流变向阀桥提供适当等级的不接地三相电压源。 由于变压器阀侧32 10 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。 (2)换流器 (阀桥 )。 它们完成交 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。 (3)直流平波电抗器。 这些大电抗具有很大的电感值，可以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，限制直流电流短路期间整流器中的峰值电流。 (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装置。 交流滤波器一般安装在换流变压器的交流侧母线上。 对单桥用交流滤波器吸收 6n177。 1 次谐波，对双桥吸收 12n177。 1 次谐波。 直流滤波器一般安装在直流线路两端，用来降低流入直流线路和接地极引线中的谐波分量。 单桥时吸收 6n 次谐波，双桥时吸收 12n 次谐波。 (5)无功补偿装置。 直流换流器运行时需要消耗大量的无功功率。 稳态条件下，换流器所消耗的无功功率占传输功率的 40％～ 60％左右，而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无功电源。 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统的要求，部分无功电源可采用同步调相机、无功补偿电容器、交流并联电抗器和静止无功补偿器等来提供。 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)直流输电线路。 它们可以是架空线，也可以是电缆。 背靠背直流输电工程可以没有直流输电线。 除导线数目和所需空间外，直流线路在其他方面与交流线路十分相似。 (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。 由于直流系统故障可以通过换流器的控制更快地切除，所以交流断路器一般不用来切除直流系统的故障。 换流器的工作原理 换流技术是指交流电力与直流电力之间 相互交换的技术。 换流器是实现这种交直流变换的主要设备，是直流输电系统中的重要组成部分。 换流器的主要元件是阀桥和换流变压器。 安装在换流站内的换流器既可以运行于将交流变成直流的整流状态，也可运行于反向变换的逆变状态。 运行于前一种状态的换流器称为整流器，运行于后一种状态的32 11 换流器称为逆变器。 换流器的基本电路 换流电路有多种可选择的结构，为保证阀截止时阀上的反向峰值电压较低，更充分地利用换流变压器，高压直流换流器采用三相全波桥式电路为基本模块，即 6 脉动换流电路。 此外，比较常用的还有 12 脉动换流电路，但由于 12 脉动换流器是由两个 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，其原理接线图如图 所示。 其中， ea、 eb、 ec 为等值交流系统的基波正弦相电动势， 为每相的等值换相电抗，Ld 为平波电抗值。 为了阐述简洁明晰，在以下的分析中若非特殊说明采用如下假设条件： (1)三相交流电源的电动势是对称的正弦波，频率恒定。 (2)交流电网的阻抗是对称的，而且换流变压器的激磁导纳忽略不计。 (3)直流侧平波电抗器具有很大的电感值，使直流侧电流滤波后其波形是平直的，没有波纹。 (4)阀的特性是理想的，即通态正向 压降和断态漏电流可忽略不计。 (5)三相六个阀以 l/6 周期 (60176。 )的等相位间隔依次轮流触发导通。 32 12 图 六脉动整流原理接线图 目前，直流输电工程广泛采用的晶闸管换流阀的特点有：①换流阀的单向导电性。 换流阀只能在阳极对阴极为正电压时，才单方向导通．不可能有反向电流。 即直流电流不可能有负值。 ②换流阀的导通条件是阳极对阴极为正电压和控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲两个条件，必须同时具备，缺一不可。 换流阀一旦导通，它只有在具备关断条件时才能关断，否则一直处于导通状态。 ③换流阀的控制极无关断能力，只有当流经换流阀的电流为零时，它才能关断（惟一的关断条件），是靠外回路的能力来进行关断的。 换流阀一旦关断，只有在具备上述两个导通条件时，才能导通，否则一直处于关断状态。 因此，以上基本概念对人们分析换流器的正常工况和故障工况都是很有用的。 六脉动整流器的工作原理 所谓理想情况是指同一时刻换流桥上、下半桥各有且仅有一个阀导通，不考虑变压器漏抗造成的叠弧，也不考虑阀导通时的触发延迟。 此时，每一段导通的阀及输出整流电压的情况如表 所示。 由该表可见， 6 个阀的导通顺序为 V1 一 V2 一 V3 一 V4 一V5 一 V6。 32 13 表 单桥整流器等值电流阀工作情况 时段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 共阴极组中导通的阀 V1 V1 V3 V3 V5 V5 共阳极组中导通的阀 V6 V2 V2 V4 V4 V6 整流输出电压 Vd eaeb=eab eaec=eac ebec=ebc ebea=eba ecea=eca eceb=ecb 整流器的输入、输出波形如图 所示。 图 、输出电压波形 (a)直流端 m、 n对中性点的波形 (b)直流输出电压的波形 输入波形中的 C1～ C6 为自然换相点。 由图 可知，理想情况下整流电路的工作特点为： (1)每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，从而形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不为同一相的晶闸管。 (2)对触发脉冲的要求： 6 个晶闸管的脉冲按 V1— V2 一 V3 一 V4 一。