电力电子高压直流输电报告

一、高压直流输电的简介高压直流输电是电力电子技术的一个重要应用领域，与其他的应用技术相比，实用化较早，电压与功率等级最高。高压直流输电是指将发电厂发出的交流电通过换流器转变成直流电（即整流），然后通过输电线路把直流电送入受电端，再把直流电转变为交流电供给用户使用（即逆变）。相控整流及有源逆变是其理论基础与核心技术。高压直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点，是目前解决高电压大容量长距离输电和异步联网的重要手段。二、高压直流输电的特点与交流输电相比，高压直流输电的优缺点如下：高压直流输电的优点（1）直流输电架空线路的造价低、损耗小。（2）高压直流输电不存在交流输电的稳定性问题，直流电缆中不存在电容电流，因此有利于远距离大容量送电（3）高压直流输电可以实现额定频率不同的电网的互联，也可以实现额定频率相同但非同步运行的电网的互联。（4）采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电。（5）高压直流输电容易进行潮流控制，并且响应速度快、调节精确，操作方便。而交流线路的潮流控制比较困难（6）高压直流输电工程便于分级分期建设和增容扩建，有利于及早发挥投资效、人益。高压直流输电的缺点（1）直流输电的换流站比交流变电站设备多、造价高、结构复杂、运行费用高。（2）换流器工作时需要消耗较多的无功，需要进行无功补偿。（3）换流器工作时，在直流侧和交流侧均产生谐波，必须装设谐波装置，使换流站的造价，占地面积和运行费用大幅度提高（4）直流电流没有电流的过零点，灭弧较难。因此高压直流短路器制造困难，不能形成直流电网。（5）直流输电利用大地（或海水）为回路会产生一系列技术性问题。如接地极附近直流电对金属构件的电腐蚀问题，对通信系统干扰等、单极运行时变压器的直流偏磁而引起的噪声等问题。三、高压直流输电系统的结构和元件（1）换流器。换流器由阀桥和带载抽头切换器的整流变压器构成。阀桥为高压阀构成的6脉波或12脉波的整流器或逆变器。换流器的任务是完成交直或直交转换。（2）滤波器。换流器在交流和直流两侧均产生谐波，会导致电容器和附近的电机过热，并且会干扰通信系统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。（3）平波电抗器。平波电抗器电感值很大，在直流输电中有着非常重要的作用：降低直流线路中的谐波电压和电流。限制直流线路短路期间的峰值电流。 防止逆变器换向失败。 防止负荷电流不连续。（4）无功功率源。稳态条件下，换流器所消耗的无功功率是传输功率的50%左右，在暂态情况下，无功功率的消耗更大。因此，必须在换流器附近提供无功电流。（5）直流输电线。直流输电线既可以是架空线，也可以是电缆。（6）电极。大多数的直流联络线设计线设计采用大地作为中性导线，与大地相连接的导体（即电极）需要有较大的表面积，以便使电流密度和表面电压梯度较小。（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。四、基本模块化分析一一换流器换流器的功能是实现交流一直流或直流一交流的交换，是直流输电系统的关键设备。换流器的主要元件是阀桥和换流变压器。换流器作为直流输电最基础的功能模块，是直流输电得以实现的最根本的条件。在仿真设计中，也是必须以换流器为中心。在设计12脉波换流器时，首先要实现6脉动换流器的功能。这里首先介绍6脉动换流器。6脉波换流器分为6脉波整流器和6脉波逆变器（1）6脉波换流整流器图16脉波换流器其实是课本上第二章介绍的三相桥式全控整流电路，电路图如图1。这里以电阻性负载为例，各元件参数均为默认值，只为测试功能。三相交流电源相电压彼此相差120度，线电压彼此相差60度，一个周期六个脉波。下面介绍各个元件的功能三相电源经过变压器到副边经过晶闸管整流成六脉波，其中变压器用的星星连接，晶闸管模块用的是三相晶闸管构成的集成模块。其中晶闸管的触发角需要用AlphaController构成的触发角模块。通过书中介绍，触发角a=0度时，恰好Uac二0，所以这里的电压传感器测量的是a,c两点间的电压。由于实际中线路感抗、变压器漏抗的存在，原边电压不可避免会出现高次谐波，这里选用二阶低通滤波器，滤去含有的高次谐波，减少测量误差。之后接入一个由运放构成的过零比较器，接入AlphaController的同步信号输入端。将一个恒压源接入AlphaController的Alpha输入端，通过改变参数来改变其触发角，将一个阶跃信号接入AlphaController的使能输入端，保证其AlphaController一直工作。下面来测试6脉波整流器的功能触发角=0度时的波形，如图2图2由图2可知，在一个周期内（0.02s）有六个脉波，但是由于本身器件的传输时延，产生的波形不是完全的正弦信号。触发角沪30度时的波形，如图3图3触发角沪60度时的波形，如图4触发角日20度时的波形，如图5图5图6图6中的幅值0.0025接近为0,与书中所述相符2电阻性负载时，a的移相范围为0,综合上面几幅图像，可以得到如下结果。(2) 6脉波逆变器 逆变器与整流器不同之处在有两点51JI触发角a不同。整流器的触发角：一，逆变器的触发角一. 22逆变器的直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，极性与晶闸管导通方向一致,其值大于变流器直流侧的平均电压.6脉波逆变器的电路图如图7图7想要改变触发角,调节Alphacontroller的Alpha输入端，即恒压源的参数想要在直流侧产生所需的电动势，需要加入了如图的电动势，并使其大于经过变压器降压的三相电压的幅值。测试6脉波逆变器的功能，波形如图&图8在一个周期有六个脉波，幅值为负值，满足逆变要求。在设计好6脉波整流器和6脉波逆变器之后，需要设计12脉波换流器3）无反馈12脉波整流器这里首先采用开环方式（无反馈方式），且先设计单极性系统。12脉波整流器电路图如图9：图9要想得到12脉波整流器，需要进行以下步骤：1）将一个6脉波的相位不变，将另一个6脉波的相位移相30度，为后面两个脉波叠加提供基础。实现的具体步骤：将第二个6脉波的变压器变成星三角连接。这样第二个6脉波的变压器变换后的电压信号滞后第一个6脉波的变压器变换后的电压信号30度，但是这样会使幅值减小到原信号的幅值的1=0.57735。为了使幅值保持不变，改变星三角的变压器的副边与原边之比为原来的、3=1.732。（2）由于第二个6脉波的相位滞后30度，所以第二个晶闸管的触发角也要滞后第一个晶闸管的触发角30度。实现的具体步骤：将图中所示的恒流源幅值升高30。（3）要想使两个6脉波信号叠加成12脉波信号，需要将第一个晶闸管的负极性输出端口与第二个晶闸管的正极性输出端口相连。完成上述步骤后，测试其功能，波形如图10：图10这样可以看到图10中上方的波形为两个晶闸管模块整流的各自的电压波形，在一个周期里有6个脉波，图10中下面的波形为要求的12脉波整流波形。下面对图10的两个波形做进一步分析：160I：一图11两个信号彼此间相差t=0.0217-0.02二0.0017s，换算成角度0.0017360二30，满足星三角变换的相移要求。0.02（4）无反馈12脉波逆变器在得到12脉波整流器成功之后，仿照相同的步骤，将6脉波逆变器改变成12脉波逆变器触发角及电动势选用上面已经介绍，这里不再赘述测试其逆变器功能，得到的波形如图13所示：TnhiM图13得到了12脉波的逆变波形。（5）采用开环方式下实现的12脉波直流输电系统。这里首先需要将前面实现的12脉波整流器和12脉波逆变器连接在一起，如图14。图14由于此系统连线杂乱，且多为重复部分，因此决定对其进行模块化操作，得到封装后的电路图如图15：图15首先，要想得到双极HVD（系统，必须将第一个单级HVD係统的整流模块（逆变模块）的负极输出端（输入端）接到第二个整流模块的正极输出端（输入端），并使其接地。这里的12脉波整流模块电路如图16：12脉波逆变模块电路如图17:图17滤波模块在下面介绍参数的时候会介绍，这里首先测试模块化电路实现的输电功能，如图18：空g4D2IQ2ZDllQ2Te谓图18通过对比发现传输时电能有所损耗，不过整流、逆变后均为12脉波，且经过传输后，电压变化更加平稳可靠。五、反馈调节控制方式：直流输电系统的控制调节，是通过改变线路两端换流器的触发角来实现的，它能执行快速和多种方式的调节，不仅能保证直流输电的各种输送方式，完善直流输电系统本身的运行特性，还能改善两端交流系统的运行性能。因此，直流输电的控制调节对整个交直流系统的安全和经济运行具有重要的作用。之前设计中的控制方式是采用开环控制，不能对输电系统进行实时监控，下面介绍一种可以对输电系统进行实时监测的反馈控制方式。1. 基本控制原理本设计采用定电流和定电压作为基本的调节方式。这种方式中，整流器按定电流调节，其基本原理是把系统实际电流和电流整定值进行比较，当出现偏差时，通过改变换流器的触发角而使差值消失或减小。逆变器按直流线路末端（或始端）电压保持一定的方式调节，定电压调节的原理和定电流调节相似，仅反馈量或被调量改为相应的直流电压。要提高功率因数，必须保证整流器的触发延迟角和逆变器的熄弧角尽可能的小。为了确保触发前阀上有足够的电压，以及留一些升高整流器电压的裕度来控制直流功率潮流，整流器有一个最小触发延迟角限制，约为5度。对于逆变器，必须维持一个确定的最小熄弧角以避免换相失败。确保换相完成且有足够的裕度很重要，因为即使换相己经开始，直流电流和交流电压仍有可能改变，所以必须要有足够的换相裕度，一般为15度左右。2. PI调节原理PI是比例、积分的缩写。比例调节是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节会立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例会使系统稳定性下降，以至系统不稳定。积分调节可以使系统消除稳态误差，提高无差度。误差存在，积分调节就进行，直至无误差，积分调节才停止，输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分调节作用就越强，反之Ti大，则积分调节作用弱。加入积分调节会使系统动态响应变慢。对于整流侧来说，PI控制器的控制原理为：当电流测量值高于整定值时，PI控制器动作，使出发延迟角增大，从而减小直流电流使其恢复至整定值；当电流测量值低于整定值时，PI调节器动作，使出发延迟角减小，从而增大直流电流使其恢复至整定值。其传递函数为：(1)式（1）中，Kp、Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数。3.控制电路（1）电路图设计在PSIM仿真电路中，使用电压传感器（电流传感器）获得电压（电流）的测量值，用直流电压源（阶跃电压源）模拟电压整定值（电流整定值），测量值和整定值经过一个加法器做差，得到的差值作为PI控制器的输入。我们知道，无论是定电流调节还是定电压调节，控制量和受控量，即电流、电压与触发延迟角，它们均为非线性关系，但电流、电压和触发延迟角的余弦值呈线性关系，所以PI控制器的输出实际上是触发延迟角的余弦值。为了避免过饱和，必须在PI控制器的输出端加一个限制器。由于要得到的是触发延迟角，而PI控制器的输出是触发延迟角的余弦值，所以在限制器之后加一个反余弦环节，以此得到触发延迟角。控制电路如图19所示。图19十图20（2）参数设计PI控制器的参数设计尤为重要，下面不妨以逆变侧定电压控制来说明PI控制器参数的设计方法。由式（1）的传递函数可得(2)uUnUn-UUn(3)cos：二Kp：UKj：U*dt对照式（4）和式（5）可得式（2）、式（3）中，AU*为标幺值，Un为整定值，U为测量值。PSIM中的PI调节器的参数为K（增益，GAIN）和T（时间常数,TIMECONSTANT），PI调节器的输入为3，有(4)(5)iKpUnKjKp(6)式（6）中，Kp的经验值为5:20，Kj的经验值为20:100整流侧定电流控制的PI控制器的参数设计原则与上述一致（把U改为I即可）进一步考虑，在逆变侧定电压控制中，如果整定值Un和测量值U均取正值，则K和T应为负值，即在基于以上算法得到的结果前加一个负号，这主要是因为逆变角和触发延迟角：之间是8的关系（这一点需仔细体会）。实际上，以上得到的仅仅是经验值，具体的参数值应取多少要由仿真来确定。除PI控制器的参数外，限制器的参数设定也很重要。整流侧定电流控制中，由于是整流，故触发延迟角:应大于且小于9，对应的余弦值为大于而小于1，基于此可以把限制器的上下限值分别设为1和;逆变侧定电压控制中，由于是逆变，故触发延迟角:应大于9且小于18，又考虑到换相裕度角的问题，:达不到18，不妨给出15的裕度，即最多达到165，故逆变时的余弦值大于-0.966而小于，基于此就可以把限制器的上下限值分别设为和-0.966。六、高压直流输电系统的谐波分析与滤波装置任何形式的换流器在换流的同时都会产生谐波，高压直流输电系统的谐波不仅影响这电能的质量，而且对电网本身、电网中的电力设备、计量装置、保护装置、通信系统都会产生严重的干扰。采用滤波装置是对高压直流输电系统所产生谐波进行抑制的唯一方法。1、高压直流输电系统的谐波分析：首先从理论上对高压直流输电系统的谐波进行分析，为了使分析得到简化，并且可以分析得到谐波中的主要成分，在分析中作出如下假设：（1）交流电压是三相对称、平衡的正弦电压，除了基波以外，没有任何谐波分量。（2）换流变压器的三相结构对称，各相参数相同。（3）换流器的直流侧接有无限大电感的平波电抗器，直流电流是没有谐波分量的恒定电流。（4）在同一换流站中，各换流阀以等时间间隔的触发脉冲依次触发，且触发角保持恒定。然而，实际上由于计算特征谐波的理想条件是不存在的，以及母线电压不对称、变压器阻抗不对称以及变压器的励磁电流的影响，少量的非特征谐波总是存在的。2、换流站交流侧特征谐波的分析：在简化假设条件下，交流线电流的波形如图21。1f-J27T/3L/k/2x/30nh/3皿2图21在忽略换相过程影响的情况下，交流线电流波形由正、负相间的矩形波组成,2二。波形如图21所示。矩形波的宽度为3，正、负脉冲间的相位差为对丫-Y变压器连结的6脉波换流桥，交流电流的傅里叶展开式如下:2(31111iYYId(sintsin5tsin7，tsin11，tsin13,t-.)-571113对于丫-D变压器连结的6脉波换流桥，交流电流的傅里叶展开式为:iYDJI2、31111ld(sintsin5tsin7，tsin11，tsin13，t.)571113对于12脉波换流桥，交流线电流是上述两电流之和，所以总的线电流为:JIi=U|d(sint丄sin11t丄sin13丄sin23tsin25t.)11132325所以，对于12脉动换流器换流站，交流电网侧只含有12k_1次的特征谐波,而且这些谐波的幅值随着谐波次数的增加而衰减，第h次谐波的幅值是基波的当考虑换相电抗，即变压器漏抗的影响时，换相重叠角圆滑了线电流波形的矩形边缘，如图21中虚线所示，由于阀电流的波形更接近于正弦半波，谐波电流比忽略换相电抗时有所减小。3、换流站直流侧特征谐波的的分析对于6脉波桥式换流器，u的波形是一个以-为周期的周期性函数，即它的谐波频率为交流侧电压频率的6倍。所以，Ud中只含有直流和6倍次谐波分量，即含有6n次谐波。对于12脉波换流器，在两个桥中，6次、18次、30次谐波的相位相反,而12次、24次、36次谐波的相位相同。因此由直流端产生的谐波电压主要是12次及其整倍次分量。4、滤波装置的设置由于非特征谐波一般远小于特征谐波，所以在滤波时，仅考虑特征谐波。（1）交流侧滤波装置在换流站的交流侧主要是电流会受到谐波的影响，滤波装置大都并联在换流变压器交流侧母线上。滤波装置由若干个无源滤波器并联而成，每个滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某个频带内呈现低阻抗，从而吸收相应的谐波电流。常用的滤波装置有调谐滤波器和阻尼滤波器。设计中采用简单的单调谐滤波器。R图211单调谐滤波器如图21,其谐振频率为，二lc，根据交流侧特征谐波主要为11、13、23、25次谐波，要选择的单调谐滤波器的谐振频率分别为2二kf（k“1、132325,f=50Hz）选择滤波器电容和电感的参数分别为：WF、8.37102H；1JF、610-2H；1JF、1.9210-2H；1JF、1.6210-2H。（2）直流侧滤波装置由于整流装置产生的直流电压中含有谐波，在直流侧需要对电压进行滤波，使电压为更平稳的直流电压。滤波装置主要采用平波电抗器，设计中取平波电抗器为0.5H。七、输电系统参数计算：1、电源内电感：短路容量S=10Sn，22由S二乡，得Z弋二纣，L=Z互二0.0795H100二2、变压器参数:ZbSn3UnIn（Un，In均为额定线电压）Zb所以z=ZbZ丄=2：fL，得Ll=0.033H，L2=0.0053H(Li为变压器原边漏电感，L2为变压器副边漏电感）激磁电感Lm很大，不妨取为500H