柔性直流输电系统仿真研究.doc

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密级：

公开

柔性直流输电系统仿真研究

TheSimulatianandStudyofHVDCLightSystem

学院：

电气工程学院

专业班级：

***

学号：

***

学生姓名：

***

指导教师：

***

2010年6月

I

摘要

直流输电已经是一项成熟的技术。

造价较高是其与交流送电竞争的不利因素。

新一代的直流输电是指能进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术——直流输电性能创新的典型例子便是柔性直流输电系统（HVDCLight），它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力；与传统直流输电技术不同的是，这种新型直流输电系统由于采用PWM控制技术，能够对换流站输出交流电压幅值和相角在一定范围内连续可调，而且这种调节能够迅速完成，从而也能对系统潮流方便进行调节。

本文详细分析了柔性直流输电的工作原理、系统结构和技术特点，并在此基础上建立了两端有源系统的HVDCLight稳态模型，结合该模型确定了柔性直流输电技术在控制量与被控量上的合理对应关系。

基于PID控制原理设计了适用于HVDCLight系统的PID控制器，通过对采用PID控制器和PWM控制技术，应用电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对HVDCLight系统进行仿真分析，分别在改变其有功和无功功率两种情况下观察结果，系统功率可调性的结论得到了确认，验证了PID控制器应用于HVDCLight系统的可行性；HVDCLight凭借其自身的特点，在应用方面充分显示出了它的优越性能，其模块化结构、标准化设计、紧凑的结构、良好的可控性必将在我国得到越来越广泛的重视、研究和应用。

关键词：

柔性直流输电；PID控制；PWM控制；系统仿真

Abstract

HVDCisamaturetechnology.WiththehighcostoftransmissionisunfavorablefactorsofcompetitionwithACtransmission.ThenewgenerationofHVDCreferstofurtherimprovetheperformance,greatlysimplifyingequipment,reducethecostandcoversanareaofconvertertechnology.HVDCperformanceinnovationisatypicalexampleofflexibleHVDCsystem,itadoptsHVDC,GTO,IGBTetcwhichcanshutofftheflowofpartsin,savetheconvertertransformer,thestationcanmove,canmakethemedium-sizedHVDCprojectintheshortdistancetransportationiscompetitive.ThedifferentWithtraditionalHVDCtechnologyisthatthenewHVDCsystemusingPWMcontroltechnology,canconverttooutputvoltageamplitudeandphaseAngleinacertainrange,andthecontinuousadjustableadjusttoquicklyfinish,whichalsocanbeadjustedtotideconvenientsystem.

ThispapermakesadetailedanalysisoftheHVDCLightsystemstructureandworkingprinciple,technicalcharacteristics,andbasedontheendsoftheactivesystemsteady-statemodel,withthemodelofHVDCLighttechnologymakeincontrolandaccusedthereasonableamount.BasedontheprincipleofPIDcontrol,PIDcontrollerisdesignedforHVDCsystem,byusingPWMcontroltechnologyandthePIDcontroller,theapplicationofthepowersystemtransientsimulationsoftwareforonePSCAD/EMTDCHVDCsystemsimulationanalysis,thechangingitsactiveandreactivepowertwocasesobservationsystem,poweradjustabilitybemakesure,theconclusionvalidatedPIDcontrollerinoneapplicationfeasibilityofHVDCsystem,RelyingonitsownoneHVDCcharacteristics,applicationinfullyshoweditssuperiorperformance,themodulardesign,compactstructure,standardizationofstructure,goodcontrolinChinawillmoreandmoreextensiveattention,researchandapplication.

Keywords:

HVDCLight;PIDcontrol;PWMcontrol;SystemSimulation

II

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题的背景及意义 1

1.2课题国内外研究现状及趋势 3

1.3毕业设计研究内容及任务 4

第2章HVDCLight的基本原理 6

2.1引言 6

2.2脉宽调制电压源换流器 6

2.3电压源换流器的PWM控制原理 8

2.4HVDCLight的结构和原理 10

2.5HVDCLight的控制系统 11

2.6本章小结 13

第3章HVDCLight的控制方式和数学模型 14

3.1引言 14

3.2HVDCLight系统的控制方式 14

3.3HVDCLight系统稳态建模 15

3.4VSC控制量与被控制量之间对应关系的确定 19

3.5PID控制器基本原理及应用 21

3.6本章小结 22

第4章HVDCLight系统运行与控制仿真研究 24

4.1引言 24

4.2PSCAD/EMTDC介绍 24

4.3HVDCLight仿真模型的建立 26

4.4HVDCLight控制器的设计 27

4.4.1整流端控制器的设计 27

4.4.2逆变端控制器的设计 28

4.5仿真模型的研究与参数调整 29

4.5.1交流发送端内部结构与控制原理 29

4.5.2接受端的内部结构与控制原理 31

4.6仿真结果展示与分析 31

4.6.1在改变无功功率过程中系统动态过程的仿真与分析 31

4.6.2在改变有功功率过程中系统动态过程的仿真与分析 33

4.6本章小结 34

第5章结论 35

参考文献 37

致谢 40

沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）

第1章绪论

随着科学技术的发展，到目前为止，电力传输经历了直流、交流和交直流混合输电三个阶段。

早期的输电工程是从直流输电系统开始的，但是由于不能直接给直流电升压，使得输电距离受到较大的限制，不能满足输送容量增长和输电距离增加的要求。

19世纪80年代末发明了三相交流发电机和变压器，交流输电就普遍地代替了直流输电，并得到迅速发展，逐渐形成现代交流电网的雏形。

大功率换流器的研究成功，为高压直流输电突破了技术上的障碍，因此直流输电重新受到人们的重视。

直流输电相比交流输电在某些方面具有一定优势，自从20世纪50年代连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的世界第一条高压直流输电（HVDC）线路建成以来，HVDC在很多工程实践中得到了广泛的应用，如远距离大功率输电、海底电缆输电、两个交流系统之间的非同步联络等等。

目前，国内已有多个大区之间通过直流输电系统实现非同步联网；未来几年，南方电网将建成世界上最大的多馈入直流系统；东北电网也有多条直流输电线路正在建设或纳入规划。

1.1课题的背景及意义

20世纪90年代起，具有可关断能力的新型氧化物半导体器件—绝缘栅双极晶体管（IGBT-InsulatedGateBipolarTransistor）首先在工业驱动装置上获得广泛的应用，1997年第一个采用IGBT组成的电压源型换流器的直流输电（VSC-HVDC）试验工程在瑞典投入运行，标志着直流输电技术进入了新的发展阶段。

随着全控型功率器件的发展及其性能的不断改善，基于电压源换流（VSC）技术的高压直流输电（HVDC）（柔性直流输电）的应用越来越多[1]。

以ABB公司为代表的国外公司发展了柔性直流输电（HVDCLight）技术，即同时应用电压源型换流器（VoltageSourceConverter，VSC）和脉宽调制技术（PWM）的直流输电技术，并成功应用于多个领域。

2006年5月，我国的“柔性（轻型）直流输电系统关键技术研究框架研讨会”建议国内将该技术统一命名为“柔性直流输电”，对应英文为HVDCFlexible[2,3]。

ABB公司称之为轻型直流输电（HVDCLight），并作为商标注册；西门子公司则称之为HVDCPlus。

国际大电网会议CIGRE于前些年已经成立了专门研究VSC-HVDC输电的B4-37工作组，以推动柔性直流输电技术的发展，并已经完成了关于VSC-HVDC输电的工作组研究报告。

另外，国际大电网会议又成立了研究采用VSC-HVDC将风电场接入电网的B4-39工作组。

针对实际工程中所遇到的困难，国际上的研究热点包括如何提高柔性直流输电的容量、降低输电损耗、降低造价，如何提高柔性直流输电的安全可靠性，以及对交流电网的支持、与交流电网相互作用等[4,5]。

对一些远距离负荷供电，如偏远的城镇、村庄、孤岛或海上钻井平台供电，其输电距离和输电容量均不符合交流输电和高压直流输电的经济性要求。

传统直流输电又无法向无源网络供电，要由当地小型发电机组供电，而这些机组不仅运营成本高，而且不环保。

采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题成为迫切需要。

在国内，VSC-HVDC以其高度的经济性、灵活性与可控性，首先在中/低压输配电、分布式发电等领域得到推广应用[6-8]。

基于电压源型逆变器的柔性直流输电技术为电网建设与发展提出了一个新的解决方案。

随着电力电子技术的发展，核心