毕业论文--新型换流变压器在高压直流输电系统的应用研究.docx

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HUNAN

UNIVERSITY

毕 业 论 文

设计论文题目：

新型换流变压器在高压直流输电

系统的应用研究

学生姓名：

学生学号：

专业班级：

电气工程及其自动化1102班

学院名称：

电气与信息工程学院

指导老师：

学院院长：

2015年5月20日

湖南大学毕业设计（论文）

第Ⅰ页

摘 要

实现电网全国互联是我国电网发展的一个大的趋势。

创建“西电东送”和“南北互供”工程不仅解决了中国能源资源分布和需求不平衡的现状，而且还是中国电力工业发展的需求。

电网公司现在都将工作重点放在了建设特高压电网上，直流输电特别适用于远距离、大容量的电力输送，故特高压直流输电将会得到人们更高的重视。

直流输电系统中最重要的设备之一就是换流变压器，而自耦补偿和谐波屏蔽换流变压器具有传统换流变压器不具有的优势，有着非常美好的应用前景。

本文在新型换流变压器的基础上创建了直流输电系统的数学模型，并推算出了新型直流输电系统的动态方程。

通过MATLAB创建了新型直流输电系统仿真模型结构，将它的稳态运行特性进行分析与仿真，进而来验证新型换流变压器设计结构的正确性和它在抑制谐波和改善系统稳态运行性能上的优势。

创建了在新型直流输电模拟系统基础上的三种 PID控制器 固定参数PID控制器、模糊变参数PID控制器和变参数

PID控制器，把它们运用到新型直流输电系统仿真模型里，进而获得了三种控制器运行时系统的电压电流仿真波形，通过验证其控制效果我们可以得知，同固定参数PID控制器进行比较，新型直流输电系统利用模糊变参数PID控制器和变参数PID控制器都可以获得很好控制。

关键词：

新型直流输电系统；换流变压器；自耦补偿和谐波屏蔽；PID控制

Inthehigh-voltagedirectcurrenttransmissionsystemofthenewconvertertransformerapplicationresearch

Abstract

ThenetworkinterconnectionofthewholecountryisaninexorabletrendwiththedevelopmentofChineseelectricalnetwork．Building”TransmissionelectricalpowerfromWesttoEast’’and‘‘ExchangeelectricalpowerbetweenSouthandNorth’’projectsisthedesirabilityfortheunbalancedresourcesdistributionandtheunbalanceddemands．Itisalsoanecessarystrategyofourpowerindustry．UHVpowergridwillbethemajordevelopmentofSGCC，andDCtransmission，whichfitsfortransmittingelectricalpowerinlongdistanceandlargecapacityandwillbewidelyusedinUHVengineering．ConvertertransformerisoneofthemostimportantequipmentsinHVDCtransmissionsystem．The

auto—compensatorandharmonicssuppressionconvertertransformerhasaverygoodapplicationprospectforhavingthemeritsthattraditionaltransformerdoesn’t.

ItestablishthemathematicmodelofDCtransmissionbasedonthenovelconvertertransformerandderivethedynamicequationsofthenovelDCtransmissionsystem,anditalsoproposesthecontrolmethodsandtheircharacteristicofDCtransmissionsystem.Afterward,thesimulationmodelofthenovelDCtransmissionsystemhasbeenestablishedinMATLAB,thesimulationanalysisverifiedthemodel’scorrectnessandthesuperiorityinthefieldofharmonicsuppressionandimprovingthesystem’ssteady-stateoperationperformance.Atlast,threePIDcontrollerbasedonthenovelDCtransmissionsystemhavebeendesigned--

-PIDControllerFixedArguments（FAPID）,PIDControllerwithVariableArguments（VAPID）andFuzzyPIDControllerwithVariableArguments（FUZZY-VAPID）.SimulationstudyofthemhavebeenmadeonthenovelDCtransmissionsystem,wecangainthewavesofvoltageandcircleofthesystem,theresultsshowsthatVAPIDcontrollerandFUZZYVAPIDcontrollerbothcanreachasatisfactoryeffectcomparedwithFAPIDcontroller.withFAPIDcontroller.

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KeyWords：

thenovelDCtransmissionsystem;convertertransformer;auto-compensatorandharmonicsshade;PIDcontrol

湖南大学毕业设计（论文）

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目 录

1绪 论 1

1.1直流输电的发展历史及概况 1

1.2HVDC系统主要构成 1

1.3直流输电运行方式 2

1.4高压直流输电相对于交流输电的特点 2

1.5HVDC现状和新发展 3

2新型直流输电系统数学模型和控制原理 5

2.1引言 5

2.2新型直流输电系统的等值电路图 5

2.3系统的控制原理 6

2.4系统的控制方式及控制特性 9

3新型直流输电系统运行与控制器研究 14

3.1新型直流输电系统的稳态模型 14

3.2新型直流输电系统控制器设计 19

3.2.1变参数PID控制器 22

3.2.2模糊变参数PID控制器 24

3.2.3各种控制器性能比较 28

4结论 31

致谢 32

参考文献 33

附录A新型直流输电模拟系统左侧换流站原理图 34

附录B新型直流输电模拟系统右侧原理图 35

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1绪 论

1.1直流输电的发展历史及概况

众所周知，我们输电的是从直流输电开始的。

早在1882年,首次远距离输电的实验取得了成功,通过一台直流发电机发出了电,并将其输送到了57km外的慕尼黑,为一次博览会提供电能。

因为当时电压不高,所以直流输电的效率相当低,仅仅只有25%可利用,而其他75%的电能却都被消耗在了输电线路上。

为减少线路上对电能的损耗,就需要将电压提高、让电流降低。

在上个世纪,想要将直流电压提高还没有什么好的办法,因此人们就开始了交流输电研究和发展。

那时变压器已经研制出来,通过升压变压器的升压,交流电压可以得到大幅度提升从而使输电效率得到提升。

慕尼黑成为了一个交直流输电交替的见证者。

交于是流输电从20世纪初就开始迅速发展起来。

但是,人们并没有将直流输电的研究与探索丢弃,如何能够得到高压直流电成为了一个研究的难点和重点。

1929年瑞典阿西亚（ASES）公司首次研发出了高压直流输电的技术。

从此开始,全球各个国家开始创建自己的试验性高压直流输电线路。

科学家利用交流发电机,通过换流装备把低压交流电成功转换成为了高压直流电,然后经输电线路输送到用户一端的换流站,最后再将直流电经换流装备转换成交流电提供给用户使用。

在第二次世界大战之后,电力需求得到了迅速的增长。

在电网技术发展的需求下,交流输电显现出自身明显的局限性。

在此种情况下,人们再一次将直流输电的研发推向新的高潮。

1954年,世界上的第1条工业性直流输电线路得以建成,它就是ASEA公司在瑞典本土与果特兰岛之间的海底输电电缆。

人们把这个项目作为直流输电新发展的重要标志。

直到20世纪70年代出现大功率晶闸管将原来的汞阀用作换流装置取代之后,直流输电才得到了迅猛的发展。

1.2HVDC系统主要构成

直流输电系统通过接地极、接地极线路、直流送电线路和换流站构成。

其中换流站是用来连接交流侧和直流侧的设备，即供交流电和直流电间进行转换的换流设备。

详见图1.1所示。

图1.1直流输电系统接线示意图

换流装置由换流器、换流变压器、控制保护装置、控制极触发装置以及其他辅助装置组成。

1.3直流输电运行方式

<一>两端直流输电系统

（1）单极系统，大地、金属线作为回线，常常用作故障切换运行方式；

（2）双极系统，经常用到的一种接线方式；

（3）背靠背系统，没有中间的输电线路，常用作各个不同电网之间的互联。

<二>多端直流输电系统，由三个或三个以上换流站连接换流站之间的高压直流输电系统，由于技术还不成熟，故未能得到广泛的应用。

1.4高压直流输电相对于交流输电的特点

（1）高压直流输电与其相联的两个交流系统的频率和相位是没有关系的。

由此可通过直流输电环节来连接两个相互独立的交流系统，既能得到减小热备用容量等联网效益，还可以各自保持有功及无功平衡等电网管理的独立特性。

另外，一个电网短路可因直流环节的隔离作用从而不会直接连累到另一电网，故可防止全系统的大面积停电事故的发生。

因此高压直流输电特别适于电网之间的互联。

（2）高压直流输电只有有功功率传输。

所以不会增大所联交流电网的短路容量，也就是说不会使断路器的遮断容量增大，而且直流电缆不会产生充电电流，可以长距离的送电。

（3）高压直流输电的传送功率是快速而且可以控制的。

所以可以方便而又精确地按照计划及时控制到所联交流电网之间的交换功率，并且不会受到两侧交流电网运行

状况的影响，非常适合于所联两电网间按协议送电。

（4）高压直流输电线路非常的经济。

因为单、双极直流输电分别需要一、二根导线，所以直流输电线路需要的线路走廊宽度小，线材、金具、塔材都少，塔轻使得塔基的工程量也变小了好多。

输电距离较远时，直流线路节省的费用完全比直流换流设备多花的费用要多，线路越是长，节省的费用就更多。

因此高压直流输电非常适用于长距离大容量的输电线路。

1.5HVDC现状和新发展

自从1954年瑞典哥特兰第一项世界高压直流输电工程投运以后，高压直流输电技术就开始随着电力电子技术的迅猛发展而得到飞速的发展，它在长距离输电、电网互联等方面有着自己很大的优势，慢慢成为了高压交流输电的有力补充进而在全世界得到了广泛的应用。

不过目前HVDC中也存在一些问题：

（1）换流器的制造比较的贵；换流器在运行中需要的无功功率还是比较的多，而且还要配备滤波装置；换流器过载的能力相比较也是较小的。

（2）现在还没有适用的直流高压断路器，对今后多端电网的发展有很大的影响。

（3）以大地作为回流电路时，会造成沿途金属构件和管线的腐蚀。

最近几年，由于连续可调交流滤波器、有源交流滤波器等技术的快速发展，晶闸管控制串联电容器技术慢慢的成熟起来，原来的串联电容换流器CCC再次成为一个研究和开发的热点，进而创造出了一种新的换流器--CSCC。

这种换流器是在换流变压器的二次侧串联连接的电容器用来补偿换流器的无功功率的消耗。

传统的直流输电都是以半控型功率器件为主，电流不能做到自关断，而

CCC/CSCC采用附加接线能够实现强迫关断，是对传统直流输电一次重要更替。

可是

CCC/CSCC和传统的直流输电同样，还是需要利用触发相位控制，只能通过有源逆变方式工作，与电网换向换流器有着本质上的区别，被认为是未来直流输电中电网换向换流器的理想替代者。

在世界大部分的国家，要得到批准去建设一条新的架空输电线路变得越来越困难了，电网的运营商需要不断提升输电线路的输电能力。

把交流输电转变成直流输电线路将成为电网提供一条新的发展途径。

同样的输电线路可以提升31%-

175%的输电能力。

我国幅员辽阔，西电东送、南北互供的电网发展战略更是推动了高压直流输电技术大的发展，预计未来将会出现一系列高压直流输电的工程项目。

我国可开发的水电资源67.5%集中在西南地区，已获知的煤炭储量82%集中在西部地区，然而等到2020年却有高达75%的电力消费将集中在中、东部和南部沿海地区。

由于一次能源分布与负荷中心的极不平衡，使得我国必须选择长距离的西电东送。

21世纪国家能源工业建设的基本战略方针，就是要大力开发西部发电资源，实行西电东送。

预测只2020年，西电东送容量可达到1.2亿千瓦。

我国电力电力发展的总目标就是西电东送、南北互供、全国联网。

因此高压直流输电在我国长距离大容量输电和电网互联中必将发挥出其极为重要的作用，我国长距离大容量西电东送战略及各区域电网互联的发展阶段将为高压直流输电提供了更好地发展的机遇。

2新型直流输电系统数学模型和控制原理

2.1引言

自从20世纪50年代第一个直流输电工程投运以后，为了使电力系统的运行要求得到满足，控制保护技术的发展总是处在相关技术研究的前沿。

通过换流器触发相位的控制方发，进而实现了快速和多种方式的调节是直流输电的一个大优点。

不但能够调节和改善直流输电系统本身所具有的运行特性，而且还能够对交流系统进行调节。

所以说控制方式所决定了直流输电系统的许多运行性能，因此控制方式在直流输电系统中占有非常重要的地位。

2.2新型直流输电系统的等值电路图

直流输电系统的数学模型主要包括交流系统发电机模型、直流控制系统模型、直流输电线路模型、换流器模型、负荷模型等。

图2.1为新型直流输电模拟系统的原理图，本系统整流侧运用新型换流变压器，而逆变侧则安装的是传统换流变压器。

通过该图我们可以了解到，因为新型换流变压器具有自身独有的绕组接线技巧和感应滤波方式，进而使得传统直流输电系统原有的结构发生了一定的改变。

图2.1采用新型换流变压器的新型直流输电模拟系统

图2.1如果新型直流输电系统模型在交流侧装备上完整的滤波器和无功补偿装置，

则我们可以用图2.2示来表示它的等值电路。

图2.2新型直流输电系统的等值电路

为了使分析与计算变得更为方便，交流和直流部分需要使用统一的标么值。

交流部分的标么值与普通交流一样。

它的基准功率我们取100兆伏安，它的基准电压我们取各电压等级的额定电压的平均值。

则我们就可以得到以上直流部分的标么值对应的关系。

其中，1/2直流线路的电感和电阻分别用Ld和Rd来表示；整流侧与逆变侧平波电抗器的电感分别用Ldr和Ldi来表示；整流侧和逆变侧的直流电压分别用Vdr和Vdi来表示；整流侧和逆变侧的直流电流分别用Idr和Idi来表示；直流输电线路总的对地电容用Cdc来表示；电容上的电压用Vc来来表示。

运用电路理论的相应知识，我们可得到直流输电线路动态方程式：

进而通过转化可得到如下方程式：

（2.1）

（2.2）

2.3系统的控制原理

直流系统在稳态运行情况下，直流电流是定值，即Idr=Idi=Id，通过（2.2）我们可以得到下面公式：

（2.3）

将Id计算出来以后，各点直流电压和直流功率就可以确定了。

由式（2.3）可知，直流电压和直流电流均由α、β、Var和Vai这四个变量来决定，控制以上4个变量

来满足不同的运行要求便是直流输电系统的基本控制方法，因此输送的直流功率和直流电流便可以通过以下两方面进行调节：

（1）改变换流器交流电势Vai或Var，一般是更换换流变压器的分接头或者对发电机励磁进行调节。

（2）对整流器触发滞后角α或者逆变器触发超前角β进行调节。

通过调节控制极，不仅使调节范围很大，而且反应非常迅速，因此成为了直流输电系统的一个重要调节方法。

而调节换流变压器分接头的方法则显得不仅速度缓慢而且范围较小，因此它可作为控制极调节之外的一个候补。

杜宇选择控制特性，需要考虑到下面几个要求：

（1）保证送端和受端具备相当高的功率因数；

（2）保证直流电压与额定值接近；

（3）避免因使用汞-弧阀的整流器而发生逆弧以及逆变器换相失败；

（4）避免交流系统电压的变化导致直流电流发生较大的变化；

通过换流器对电流的快速控制进而避免直流电流发生大的变化，是直流输电系统能够稳定运行的一大保障。

由式（2.3）可知，因为换流器和线路的电阻非常小，所以

Var或Vai很小的变化就能导致Id的产生较大的变化。

例如，如果逆变器和整流器的电压发生25%的变化，就会导致直流电流发生100%的变化。

这也就是说，如果α和

γ保持恒定，任何一端交流电压的幅值发生小的变化都会引起直流电流在一个很大的范围内发生变动。

为保证系统运行的良好性能，这种变化是不被允许的。

另外，电流很有可能高到足以损害阀或其他设备，因此防止直流电流波动的快速换流器控制系统的正确运行是至关重要的。

在给定传输功率下，为保证直流电流达到最小值，沿着线路的直流电压应与额定值接近，使得线路的损耗达到最小。

为了达到以下几个目的，就需要保证输电系统送端和受端的功率因数做到更高化:

（1）减轻阀上的压力；

（2）降低换流器损耗的无功功率；

（3）降低与直流系统连接的交流系统的损耗；

（4）当负荷增加时，交流终端的电压降达到最小；

（5）当给定变压器和阀的电流电压额定值的时，换流器的功率达到较高值。

只有将逆变器的熄弧角和整流器的触发延迟角α达到尽量的小，才能够获得高的功率因数。

可是，在触发前换流阀上需要拥有足够高的电压，因此整流器对α角有固定的最小值。

在整流一侧，为了能够使触发滞后角α调节得以实现，相位与触发电路和信号放大环节就作为α调节器的基本环节，正如下图2.3所表示：

图2.3整流器α调节原理方框图

在这里，调节器的控制信号用Uα来表示，当利用按触发滞后角α偏差比例进行调节时，信号放大环节的传递函数可表示为:

（2.4）

这里，α调节器放大系数用Kα来表示，时间常数用Tα来表示，∆α=α−α0，将式（2.4）改写为微分方程，可以得到下式：

这里触发滞后角α给定值正常运行时由α0来表示。

（2.5）

逆变侧相位控制电路的结构图和整流侧在直流系统中是完全一致的，如图2.4所

示。

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图2.4逆变器β调解原理方框图

Uβ表示β调节器的控制信号。

故信号传递函数在放大环节可表示为：

（2.6）

这里，Kβ调节器的放大系数为β，调节器的时间常数是Tβ，∆β=β−β0，我们将将式（2.6）改写为微分方程，可以得到下式：

（2.7）

这里β0用来表示触发滞后角β在正常运行时的给定值。

因此逆变器关断超前角

γ可以表示为:

（2.8）

2.4系统的控制方式及控制特性

直流输电中有几种主要的控制方式，它们的特点和相互之间的比较如下所示：

（1）定功率控制

定功率控制的主要特点是：

①运行起来管理比较方便；

②保证了输送功率的定值性，并且还不会担心来至直流系统无功调节和两端交流系统运行条件的干扰；

③无功调节能力相对比较强；

④动态特性与定电流控制相比显得较弱。

一旦遭遇端直流电压下降亦或各种故障突发的情况，常常需要通过限电流的控制方法来使直流电流降低。

在定功率是控制方式的时候，直流电流定值却随电压的降低而反方向增长，这样变使控制作用备削弱。

在整流侧是定功率控制方式的时候，直流输送功率一点也不变化。

这个时候，换

流器吸收的无功便用下面的公式来表示：

（2.9）

在无功调节要求直流电压下降的时候，定功率控制会自动增大直流电流用来维持功率不变，可是电流也有一定限制，它只能在设备规定的最大电流范围内变化。

故在最大电流运行时，进行无功调节就不能保持有功功率恒定。

（2）定电流的控制

①由于电流定值不随电压的降低而加大，动态限流能力较强，因此动态性能比定功率控制好；

②只有在逆变侧为定直流电压控制方式时直流输送功率才能保持恒定。

在适用逆变器开始无功功率控制的时候，直流输送功率会受到直流电压的影响。

在整流侧是定电流控制方式的时候，运行中维持直流电流不变。

这个时候，换流器吸收的无功便可以用下面的公式来表示：

（2.10）

无功调节的某些要求使直流电压产生了变化，所以在定功率控制方式的情形下，直流功率就要随直流电压的下降而下降，不能维持不变了。

而且无功调节的能力也会随着有功的减少而降低。

所以直流电压降低同样的值，定功率调节方式比定电流调节方式可以调节的无功要多。

（3）定关断角γ控制

关断角调节器应用于维持逆变侧关断角γ为指定值γref（通常选为180），鉴于逆变器的安全运行保障，以及降低发生换相失败的概率，这就需要保证逆变器的关断角γref 大于或等于γ0。

而且，为了兼顾逆变器功率因数的增加和保证它的运行状态是较小的关断角。

逆变器通常都安装定关断裕角的调节设备，保证它可以在定关断角的特性上运行。

（4）定电压控制

整流侧的直流电压调节器的特性是动态的。

一般情况下，当满足本侧直流电压大于限值的条件时，才可能正常运行。

在现实测量的电压限值Vref低于直流电压Vd 的

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时候，直流电压会随着调节器输出的控制触发角变大进而下降。

逆变侧的定直流电压调