基于Matlab系统的HVDC系统设计毕业设计说明书.docx
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基于Matlab系统的HVDC系统设计毕业设计说明书
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题目：
基于Matlab系统的HVDC系统设计
基于Matlab系统的HVDC系统设计
摘要
高压直流输电（HVDC）技术在过去的几十年中取得了巨大的成就。
直流输电技术的广泛应用和飞速发展得益于其具有高技术含量以及适应性。
该技术的出现和发展使得电力技术领域得以更进一步。
直流输电技术随着新材料的开发，可再生能源以及新能源的广泛利用，电子科技，计算机技术的进步，电力工业也会在将来有进一步的发展。
本文中介绍了高压直流输电（HVDC）技术，然后对该技术系统的基本元件和结构进行了分析，对系统的运行特性进行了总结和分析，并介绍了其历史背景，发展过程，以及国内和国外的应用现状。
在本文中，重点讨论了以电压源换流器为基础的高压直流输电（VSC-HVDC）技术，也就是柔性直流输电，并主要从其结构、特性、现状，以及其工作原理和现状进行分析。
本文着重对VSC-HVDC系统的原理以及基本架构进行分析，并利用Matlab仿真建立该系统的模型，最后，分析仿真结果，以验证VSC-HVDC系统的合理性和通用性，。
关键字：
高压直流输电柔性直流输电电压源换流器Matlab仿真
ThedesignofHVDCsystembasedonMatlabsystem
Abstract
HVDCtechnologyhasmadegreatachievementsinthepastfewdecades.Since1882,theuseoftheHVDCpowertransmission,especiallyintwentiethCentury,therapiddevelopmentofhighpowerswitchingdevices,topromotetherapiddevelopmentofthenewHVDCtransmission,theHVDCisextendedtothedistributionnetworkandthedevelopmentofnewenergysourcessuchaswiderareas.DCtransmissiontechnologyiswide,hightechnologycontent,strongcomprehensivetechnology,itnotonlypromotedthedevelopmentofpowerelectronictechnology,andwiththedevelopmentofcomputertechnology,powerelectronicdevices,theemergenceofnewmaterials,newenergydevelopmentandutilizationofrenewableenergy,willplayamoreimportantroleforthedevelopmentofelectricpowerindustry.
ThispaperfirstintroducestheHVDCtechnologydevelopmenthistoryandcurrentsituationathomeandabroad,analyzesthebasicstructureandcomponentsofHVDCsystem,andsummarizestheoperationcharacteristicsoftheHVDCsystem.DiscussestheHVDC,HVDCisbasedonvoltagesourceconverter（VSC-HVDC）.Thispaperanalyzesthebasicstructureanditsworkingprinciple,andestablishesthesimulationmodelofVSC-HVDCsystemusingMatlabsoftware,throughtheanalysisofsimulationresults,verifytheHVDCsystemapplicabilityandrationality.
Keyword：
HVDC；flexibleHVDC；voltagesourceconverter；Matlabsimulation
第1章绪论
1.1高压直流输电的课题背景
随着经济和电力技术的发展，现代电力系统已经发展的非常庞大和复杂。
电力系统的进步要求电能调节要有更高的灵活性，而高效的电能调节方式又会给很多方面产生很多积极的影响，如电能的产生、传输和利用。
高压直流输电技术就是产生于这种背景之下。
相对于交流输电来说，高压直流输电的优点是输送成本低，容量大，输送距离远，线上损耗小，输送容量大，总体来说就是输送效率高。
除此之外，高压交流输电中的稳定性的问题并没有出现在高压直流输电中，所以，高压直流输电的低损耗和高稳定性更有利于长距离的大容量输电。
而且因为高压直流输电的经济性，适合两个不同频率的系统互联，能够远距离大功率送电等优点。
这些都使高压直流输电技术在未来的输电系统中占据一席之地。
对于新常态下的中国来说，高压直流输电在我国西电东送以及全国电力系统联网中起到十分重要的作用。
所以，对高压直流输电系统的原理、构成和控制技术的研究，以及对该系统的建模与仿真，对高压直流输电系统的动态和稳态特性的分析有非常重要的作用，并对该系统将来的发展有重要的影响。
1.2本课题研究的主要内容及选题意义
本课题主要研究VSC-HVDC系统的结构、原理以及控制方法。
广泛应用的电流源型换流器（CSC）型HVDC系统采用的是晶闸管阀和直流平波电抗器，这种系统存在固有的缺点。
相对于应用较为广泛的电流源换流器型的高压直流输电系统，电压源换流器型的高压直流输电系统的特点和优势如下：
（1）由于开关频率高，低次谐波大大减小，因而所需要的滤波器的容量相对较小。
（2）对无功功率和有功功率能够实现独立的控制，调节的灵活性更高。
（3）由于采用PWM控制，开关频率高，因而响应速度快。
VSC-HVDC系统是20世纪90年代中期才开始出现的技术，研究它有助于我国电力事业发发展。
1.3高压直流输电系统的结构
HVDC系统的总体结构如下图所示，其基本元件将在下面描述。
图1.1高压直流输电系统结构图
（1）换流器
它们完成交-直流和直-交流的转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成。
阀桥包含6脉波或12脉波安排的高压阀。
换流变压器向阀桥提供适当等级不接地三相电压源。
大多数情况下，换流阀的正或负极接地，由于变压器的阀侧不接地，对地参考点可以由直流系统自身来建立，使得电流转换更为便利。
（2）平波电抗器
平波电抗器是指在直流回路中与换流器串接的电抗器。
平波电抗器的设置和接线方式有多种。
平波电抗器的主要功能包括：
1）因为整流电路的脉波数总是优先的，在整流后输出的直流电压波形中一定存在脉动成分，需要由平波电抗器平抑直流电压中的谐波分量，从而减少对邻近高频通道的干扰，改善电磁环境。
2）电抗器可以在直流电流较小的情况下保证电流不会出现中断，防止因低负荷直流电流引起的电流间断造成的过电压现象3）在直流回路中出现短路或者逆变器换相未成功的情况下，对故障电流减小其增长速率和抑制其幅度，降低连续换相未成功造成的一极停运的可能性4）减小换流阀由于受到过电压而造成损坏的可能性，因为电抗器可以减小线路电容和流过换流阀的放电电流，还可以避免由直流开关或者直流线路中产生的陡坡电流冲击阀厅。
5）调整直流侧电路串联谐振频率，使之避开基波和二次谐波频率。
（3）谐波滤波器
换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。
这些谐波可能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。
（4）无功功率补偿
直流换流器内部要吸收无功功率。
在稳态条件下，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源。
在强交流系统中，一般会利用并联电容去补偿无功功率。
按照直流联络线和交流系统的要求，部分无功电源可以使用同步调相机或者静止无功补偿器（SVC）。
作为交流滤波的电容也能够提供部分无功功率。
（5）电极
当前，在大部分的直流联络线设计中，大地被用作中性导线。
为使表面电压的梯度和电流密度最低，导体需要较大的表面积以与大地相连，该导体即是电极。
因此，可以在直流电路中利用金属性回路的导体减小经过大地的电流来对电流进行分流。
（6）直流输电线
它们可以是架空线，也可以是电缆。
除了导体的数量和间距的要求之外，直流线路和交流线路的构成材料较为接近，并没有本质上的区别。
（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。
它们不是用来排除直流故障的，因为直流故障可以通过换流器的控制更快的清除。
1.4高压直流输电运行特性
高压直流输电系统具有下列运行特性：
（1）功率传输特性
输送的稳定性随着输送容量的增长变成了制约交流输电进一步发展的因素之一。
为了解决稳定问题，一般采用串补、静补、调相机、开关站等措施，有时还必须提高输出电压。
但是这些措施增加了很多电气设备，代价是十分昂贵的。
直流输电就没有相位和攻角，因此就不存在稳定问题。
只需网损、电压降等技术指标符合要求，就能够达到传输目的，不需要考虑稳定问题，这不仅直流输电的一个重要特点，也是它的一大优势。
（2）线路故障时的自我保护能力
交流线路单相接地后，它的消除过程一般需要0.4s~0.8s，再加上重新合闸的时间，0.6s~1s恢复。
而在直流线路中，逆变、整流两侧的晶闸管在单极接地的情况下会马上闭锁，线路中电压降为0，同时使得直流电流也归零。
电流无法过0的问题不存在于故障电弧熄灭中。
由于单极接地问题造成的故障通常需要0.2s到0.35秒来恢复。
从自我恢复能力来看，交流线路采用单相重合闸，要满足单相瞬时未定才能够恢复供电，直流就不存在这种限制条件。
在线路故障在重合（交流）/再次启动（直流）中再次出现的情况下，交流线路会发生三相跳闸。
直流线路就可以通过降压方式来进行第二、第三次再启动，消除线路故障、恢复正常运行。
如果在单片绝缘子发生损坏的情况下，必须要将交流三项切除，并将直流侧降压运行，这种方式可以在很大程度上解决问题。
因此，对于单极或单相瞬间接地经常会造成线路故障（大约80%~90%的故障是因为这个原因出现），直流线路具有很多优点，如从故障恢复时间短，可以利用降低电压运行和再启动来解决故障，对错误的响应速度快，不受稳定性的制约。
（3）过负荷能力
在大多数情况下，交流输电线路的持续运作能力较强，可以长时间稳定工作。
因为相对于正常输送的功率，发热条件下限制的最大的连续运行电流要大得多，稳定极限往往控制着它的最大输送容量。
直流线路也具有一定的过负荷能力，受到制约的通常是换流站。
一般分2h过负荷能力、10s过负荷能力跟固有过负荷能力等。
前两者葛上的直流工程分别为10%和25%，后者因环境温度不同而不同。
总而言之，就过负荷能力来说，交流具有更大的灵活性。
直流线路如果需要更大的过负荷能力，就一定要在设备选型时预先考虑。
（4）利用直流输电的调节作用能够提高交流系统的稳定性
由于直流输电系统的响应速度快，因此利用其调节功能可以十分有效地提升交流系统的稳定性，从而可以解决交流系统中可能出现的问题。
一个有名的美国交流直流并列运行线路（BPA500kV）项目中，II回，总长度为1521km的交流输电线路的总输送功率为2860MW，平均下来，每I回的输送功率为1430MW。
由此可见，直流输电系统的调节作用对于系统的稳定性有着非常重要的作用。
（5）潮流和功率控制
交流输电中需要对负荷以及发电机的运作方式进行调度，对网络参数进行调整，这些都需要值班人员参与，但是人为的控制无法实现精确的控制结果，不过直流输电可以避免这种问题，因为所有的控制都可以自动完成。
（6）短路容量
交流互联的情况下，互联两端系统的短路容量都将增加，此时原有的断路器的性能可能不足以满足系统的要求，其结果可能是需要更新设备以满足遮断容量的需求。
但是，直流互联时，无论在哪里发生了故障，在直流线路上增加的电流都不是很大，所以不增加交流系统的短路容量。
（7）调度管理
因为通过直流线路互联的两端交流系统可以拥有各不相同的频率，输送的功率亦可保持恒定。
对送端来说，整流站就相当于交流系统的一个负荷。
对于受端而言，逆变站就类似于交流系统的一个电源。
互相之间的干扰和影响都不大，运行和管理简单方便，受到了电力管理和运行部门的欢迎。
对我国目前发展的跨区域互联、合同售电、合资发电等形成的联合电力系统非常合适。
（8）线路走廊
以500kV为标准电压来考虑，直流输电线路长度为40米左右，而交流线路的长度则为50米左右。
但是，从输送容量的角度来看，直流线路大于是交流线路的两倍。
线路走廊的长度略短，而且输送容量是两倍，所以直流输电的传输效率要比交流传输高出两倍还多。
1.5高压直流输电的历史及国内外现状
换流技术对直流输电技术的发展有着非常重要的作用，尤其是大功率、高电压的换流设备的发展对其有着更为重要的影响。
第一阶段：
汞弧阀换流时期
1901年发明的汞弧整流管只能用于整流。
1928年具有栅极控制能力的汞弧阀研制成功，它不仅可以用于整流，而且也解决了逆变问题。
由此大功率汞弧阀使直流输电成为现实。
不过汞弧阀制造技术有着诸多缺点，比如维护困难、成本较高、稳定性差、技术复杂、逆弧故障率高等，这些缺点制约了直流输电技术的进一步发展和广泛的应用。
第二阶段：
晶闸管阀换流时期
上世纪七十年代后，在微电子领域中各项技术的出现和进步，对换流设备的改进有了重要的影响。
高压大功率晶闸管的出现就是其中重要的一环，代表了一个时期的出现。
晶闸管换流阀配合计算机控制在很大程度上提升了整个系统的性能和稳定性，让整体的换流效率有了更大的提升，使得直流输电技术有了进一步的发展。
第三阶段：
新型半导体换流设备的应用
90年代以后，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开始被广泛运用于换流设备当中并取得很大的成功。
在1997年的瑞典，世界上第一个在电压源换流器中采用IGBT的直流输电项目投入使用并取得成功。
北欧地区的Estlink（海底电缆工程）是当前世界上最大的轻型高压直流输电系统，该系统的出现也是得益于IGBT的应用。
Estlink标称的运行电压为，传输容量350MW，电缆全长105km该工程的额定向分别为：
电压：
150kV，容量350MW，电缆长度105km。
我国直流输电的发展
1989年，我国自行研制的舟山直流输电工程（士l00kV，100MW，54km）投入运行；葛洲坝—上海（葛上线）是我国的第一个高压直流输电工程（±500kV，1200MW，1064km）1990年投运。
90年代下叶，开始建设三峡—常州直流工程、三广直流工程和贵广直流工程。
向家坝-上海±800千伏特高压直流输电示范工程起于四川复龙换流站，止于上海奉贤换流站。
额定输送功率640万千瓦，最大输送功率700万千瓦；直流输电线路途经八省市，全长约2000公里。
近期即将开工的直流输电工程：
（1）呼盟－辽宁直流工程，此工程计划近期开工。
这是我国第八个长距离、大容量高压直流输电工程。
该工程的各直流项的额定值分别为：
电压：
500kV，电流3kA，功率3000MW。
直流线路西起内蒙呼盟、东至辽宁沈阳，全长约908km。
通过此工程，内蒙地区的富裕能源将源源不断地送往东北工业基地。
（2）宁东－山东直流工程，这将是是我国第九个长距离、大容量高压直流输电工程。
也是第九个西电东送的高压直流输电工程。
该工程的各直流项的额定值分别为：
电压：
500kV，电流3kA，功率3000MW。
直流线路西起宁夏银川、东至山东潍坊，全长约1043km。
目前正处于规范书编制阶段。
通过此工程，西北地区的富裕能源将源源不断地送往东部工业基地。
第2章VSC-HVDC系统的基本结构和工作原理
2.1VSC-HVDC系统的基本结构
VSC-HVDC系统的基本结构如下路所示，其基本元件将在下面介绍。
图2.1VSC-HVDC系统结构图
VSC-HVDC的基本结构主要是由这几个部分设备组成：
a直流电容器的部分、b六脉动换流桥的部分、c交流侧滤波器的部分和d用来保护环流器的部分的设施。
换流阀由IGBT元件串联组成，每一个元件都有一个反并联二极管。
为了让串联元件在导通和关断的时候能够得到均匀的动态电压分布，配有专门的触发设施，每个元件上海并联有均压回路。
低电位的控制系统产生控制信号，通过光电转换，使用光导纤维传输到高电位的IBGT上去，完成对换流阀的控制。
换流阀使用去离子水进行冷却。
直流电容器能够给关断电路提供一个路径，这个路径是低电感的，于此同时又能为潮流控制存储能量，不仅如此，还可以减少直流侧的谐波分量。
换流电感器两端的电压大小确定换流器转换的功率大小，通过改变换流桥交流侧输出电压的相位幅值，可以对有功和无功进行控制。
换流站还可以省去换流变压器很直流滤波器，在交流侧只需要安装小容量的高通滤波器就可以满足滤波的要求。
2.2VSC-HVDC系统的基本原理
VSC-HVDC系统的原理图如下图所示:
图2.2柔性直流输电单线原理图
（1）为了能够给逆变器提供一定的电压支持，我们给直流一侧并联了大电容，除此之外这一设置还有缓冲桥臂的关断冲击电流和减小直流一侧的谐波等作用；
（2）换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也有滤波的作用
（3）交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波
（4）由并联了反向二极管的IGBT组成的电压源换流器有两个主要的作用：
充当主回路的作用以及续流和保护的作用。
换流器和电网之间传输电量的有功功率P，及无功功率Q，在忽略谐波分量的情况下分别为（设换流电抗器是无损耗的）:
式中，为换流器输出电压的基波分量；为交流母线电压基波分量；为和之间的相角差；为换流电抗器的电抗。
和
分别用来决定有功和无功功率的传输，换流器通常采用脉宽调制（PWM）控制技术。
由换流器输出的PWM电压脉冲宽度控制，
就是PWM的调制波相角。
决定了有功功率的传输，控制
就可以控制输送功率的大小和直流电流的方向，m决定了无功功率的传输，控制m就可以控制VSC吸收或发出无功功率及其大小。
尤其当
＝0时VSC只发出无功功率，当
时VSC以单位功率因数运行。
2.3VSC-HVDC系统的控制
VSC-HVDC系统换流器的基本控制方式
（1）定直流电压控制方式，用来控制输送到交流侧的无功功率和直流母线电压；
（2）定直流电流（功率）控制方式，用以控制输送到交流侧无功功率和直流电流（功率）；
（3）定交流电压控制方式（适用于向无源网络供电），只控制交流侧母线电压；
（4）变频率控制方式（适用于与风力发电厂连接或黑启动），用来控制交流侧频率。
通常对于一个两端VSC–HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。
2.4VSC-HVDC系统的特点
由IGBT组成的电压源换流器的高压直流输电具有的特点是：
（1）可以减少换流站的设备、优化换流站的结构。
使用由IGBT组成的换流器的高压直流输电可以替换流站节省直流滤波器、换流变压器、无功补偿设施、平波电抗器、及简化的交流滤波器，即使换流站有直流电容器和换流电抗器。
总而言之，换流站设施减少了，结构得到了优化。
对小容量低电压的换流站来说，方便采购模块式结构，减少工程造价，提高可靠性，减少施工周期，经济上具有非常好的竞争性。
（2）由于使用了新的换流器，使得输电工程具备了良好的运行性能，例如两端换流站可以快速独立地进行有功和无功的调节来达到交流系统的要求；减少系统的短路功率；可以向无源负荷点输电，谐波性能好等。
（3）VSC-HVDC可以使用传统的架空路线，但是采用地下线缆更能使效益充分发挥出来。
在很多环境下电缆的成本远远低于架空线路的成本，而且使用电缆更能满足环境的要求
（4）跟传统的交流和就地发电相比来说，除了有成本优势以外，VSC-HVDC还能够提供高质量的电能。
（5）使用可控关断型的电力电子器件和PWM技术，能够实现有功功率和无功功率的独立控制。
（6）可以向无源网络系统供电。
（7）在海边，退潮涨潮（即潮流反转）时，虽然直流电流变的与原来相反，但是电压的极性并不变，而且环流器不需要辅助设施或者通信，这样的特性使它适于组建并联的多端直流输电系统。
（8）柔性直流输电系统之所以能够提高系统的电压稳定性和攻角稳定性，是因为它能够输送有功功率，不仅如此还能实现无功功率的紧急支援。
（9）模块化设计大大缩短了柔性直流输电的设计、生产、安装和调试周期。
2.5VSC-HVDC系统的应用场合
VSC-HVDC系统的应用场合如下：
（1）向城市送电。
随着工业化的快速发展，城市的用电量急剧增加，线路走廊发生了较大的困难，使用VSC-HVDC系统输电和新型地下电缆是一种可行的方法。
（2）向远方的孤立负荷点输电。
例如：
可以代替海岛上柴油发电机的不便，用VSC-HVDC系统与海底电缆向沿海远方的孤立小岛的输电。
（3）新型环保再生能源的开发（比如低水头小型水电站、风力发电站）
（4）应用于相同额定频率的交流系统或者不同额定频率系统之间的非同步运行；
（5）直流环网供电
（6）提高电网电能质量。
第3章VSC-HVDC系统仿真及仿真结果分析
3.1VSC-HVDC系统的稳态情况仿真
利用Matlab软件在Simulink环境下进行仿真。
模型参数如下：
交流系统参数为230kV，2000MVA，50Hz；整流器逆变器全部都使用IGBT的三电平NPC电压源换流器，电压源换流器参数为200MVA，+/-100kVDC；调制方式是正弦脉宽调制SPWM，载波频率是基波频率的27倍，1350Hz；直流线路长度是75km，如下图所示。
图3.1VSC-HVDC系统仿真模型
在稳态情况下，也就是没有任何扰动的情况下，电压源换流器交流侧的电压电流都应该是标准的正弦曲线，同时直流侧电压应该类似呈一条直线。
各波形图如下。
图3.2VSC1交流侧电压电流
图3.3直流侧电压
图3.4VSC2的交流电压电流
3.2VSC-HVDC系统的三相接地故障情况仿真
在t=1.5秒的时候，交流系统1发生了-0.1p.u.的阶跃变化。
在t=2.1秒的时后，换流站2的地方发生了三相接地故障。
换流站2直流侧功率及电压变化和换流站1的有功无功变化如下图所示。
图3.5有功无功功率变化
图3.6直流侧电压以及直流线路有功传输变化
图形显示在t=1.5秒发生阶跃变化的时候，换流站1的有功和无功分别同时发生了大致为0.09p.u.和0.2p.u.的下降，但是在小于0.3秒的时间内恢复到了稳态。
在t=2.1秒的时候换流站2发生三相接地故障的时后，直流功率直接中断了，直流电压也增加到1.2p.u.，最后在0.5秒以内系统又恢复正常。
3.3VSC-HVDC系统的有功、无功跟直
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