直流输电系统整流装置设计讲解.docx
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直流输电系统整流装置设计讲解
西安科技大学高新学院
课程设计报告
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摘要
直流输电是电力系统中近年发展最快的一项新技术，直流输电克服了电感损耗，只有导线损耗。
主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、配电网络的轻型直流输电等方面。
构成现代电力传输系统。
直流输电受到广泛的应用与发展。
与直流输电相关的技术，如电力电子、微电子、计算机控制、绝缘新材料、仿真以及电力系统运行、控制和规划的发展为直流输电开辟了广阔的应用前景。
直流输电适应与长距离点对点大功率输电，采用交流输电系统便于向多端输电。
交流与直流输电配合，将是现代电力传输系统的发展趋势。
此文在论述直流基本概念、构成、整流及发展主要设备基础上，讨论了直流输电的基本工作原理、以及整流的应用、直流输电的控制与保护并在MATLAB上搭建并仿真了一些直流线路的运行。
通过对仿真的不足分析，联系到在实际工程可能存在的问题。
关键词:
高压直流输电;谐波;滤波器;晶闸管;PI控制;
前言
1.1 高压直流输电控制部分的课题背景
随着电力电子技术的发展，高压直流输电变得可行，且得以充分的发挥其各
方面的优点。
目前世界上已近有80项高压直流输电工程投入运行，我国也有10项高压直流输电工程在国家电力网架中应用，在优化能源配置,保障国家能源安全和促进国民经济发展中起着重要的作用。
随着国家“西电东送、南北互供、全国联网”战略方针的实施，加快建设以百万伏级交流和±660kV、±800kV、±1000kV级直流系统特高压电网为核心的坚强的电力网架已成为趋势。
中国将建设世界上输送容量最大、输送距离最远的高压直流输电工程。
在高压直流输电中系统控制尤为重要，它决定着整流与逆变能否正常进行。
1.2 本课题研究的主要内容及选题的意义
本课题对±500kV高压串联12脉波直流单级输电整流部分的PI控制器参数进行研究，通过不同参数下整流效果的不同来找到最适合的PI控制器的参数。
选题的意义：
高压直流输电要想得到稳定的直流电压控制部分必须要做好，通过本课题的研究可以找出定电流控制PI控制得到合适的触发角，进而得到很好整流直流电压。
1.3 高压直流输电的构成
1.3.1 高压直流输电的概念
高压直流输电的概念是将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流的一种输电方式。
主要应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，具有线路投资少、不存在系统稳定问题、调节快速、运行可靠等优点。
直流输电系统：
主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成（见图直流输电系统的基本构成）。
其中换流站是直流输电系统的核心，它完成交流和直流之间的变换，前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管）组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。
一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流直流变交流的功能。
到目前为止工程上绝大部分直流输电的由半控型的晶闸管器件构成。
1.3.2 高压直流输电的分类
直流输电按输电的极数可分为单极直流输电、双极直流输电、直流多回线输电和多端直流输电。
现在运行的直流输电工程中只有很少的运用了多端直流输电，但也只限于放射式。
直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两线运行，但输送功率要减少一半。
1.课程设计的目的
（1）有利于基础知识的理解
（2）有利于逻辑思维的锻炼
（3）有利于其他学科的整合
（4）有利于治学态度的培养
2.课程设计的任务与要求
2.1课程设计的任务
（1）高压直流输电是将发电厂发出的交流电经整流器变换成直流电输送至受电端。
（2）直流输电系统主要有换流站、直流线路、电力滤波器、直流电抗器以及保护控制装置构成。
一般用三相桥式整流作为基本单元，实现交-直-交转换功能。
（3）直流输电可分为单极直流输电、双极直流输电、直流多回路输电和多端直流输电。
2.2课程设计要求
（1）随着全国联网、西电东送的步伐加快，用HVDC在电力系统更具竞争力和优势。
（2）高压直流输电具有明显的经济性。
（3）高压直流输电是电力电子技术的一个重要领域，是目前解决长距离输电的重要手段。
3设计方案选择及论证
3.1方案的比较
直流输电一般采用双极线路，当换流器有意极退出运行时，直流系统可按单极两线用行，但输送功率减半。
单极高压直流输电又分为一线一地和单极两线的方式，即单极大地回线方式和单极金属回线方式。
直流双极中性点接地方式，线路并联多回输电方式每级都采用多回输电线路，可提高输电的容量、输电可靠性及可用率。
3.2三项桥式全控整流电路设计
由电力电子器件组成，具有将交流电变为直流电或将直流电变为交流电的设备统称为换流装置，或称为换流器。
其中，工作在将交流电转变为直流电时，换流器处于整流状态，此时的换流器也称为整流器；工作在将直流电转变为交流电状态时，换流器处于逆变状态，此时的换流器又称为逆变器。
在高压直流输电系统中换流器通常采用三相桥式全控换流电路作为最基本单元，如图3所示，由于该电路的直流侧整流电压在一个工频周期中具有6个波头，所以三相桥式全控换流电路又称为6脉动换流器。
当两个6脉动换流器采用直流端串联、同时交流端并联方式连接后构成12脉动换流器。
如图4所示
图中1-6和1′-6′分别代表一组6脉动换流器。
现代高压直流输电工程均采用12脉动换流器作为基本换流单元。
在高压直流输电系统中，换流器不仅具有整流和逆变的功能，而且整流器还具有开关的功能。
通过对整流器实施快速控制，实现高压直流输电系统的启动和停运。
在交、直流输电系统故障以及故障后的恢复过程中，对整流器的快速控制可有效保护直流输电系统，同时也是交流电网安全和稳定运行的重要保障。
如下图4所示
图4 脉动换流器
4下面简单介绍各个元件的作用:
（1）变压器
换流（整流和逆变）变压器向阀桥提供适当的不接地三相电压。
由于变压器阀侧不能接
地运行，直流系统能建立自己的对地参考点，通过将换流器的正端或负端接地。
（2）整流器和逆变器
在直流输电系统中完成整流和逆变的任务，通常接成三相桥式电路。
单桥式有6个晶闸管组和而成，其直流电压是脉动的，双桥侧有两个单项桥式构成，其脉动电压是12脉动的。
（3）平波电抗器
平波电抗器的电感一般较大，串联在每个极换流的直流输出端与直流线之间，它们有以下作用：
限制直流系统发生事故时直流电流上升率，避免事故的扩大；抑制直流侧波的谐波分量，减少对邻近高频通道的干扰；防止直流底负荷时直流间断以及引起过电压现象的出现；抑制线路电容和换流站直流端容性设备通过换流器的放电电流，以免损坏阀的原件；对于沿直线线路向换流站入侵的过电压起缓冲作用。
（4）谐波滤波器
直流输电中的换流器可以看成一个谐波源。
脉动数为p的换流器，在直流侧会产生n=kp次谐波，而在交流侧产生n=kp+-1次谐波。
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。
装设滤波器可以减少谐波，以降低旋转电机和电容器的谐波附加损耗，防止局部过热和避免谐波谐振过电压，同时也降低对音频通道干扰影响。
因此，在交流侧和直流侧都有滤波器。
（5）无功补偿装置
直流线路本身在运行中不需要无功功率，但是两端换流器在运行中会消耗大量的无功功率。
稳态条件下，其所消耗的无功功率是传输有功功率的40~60%；暂态条件下，无功功率消耗会更大。
因此，必须在换流站装设无功补偿设备。
换流站所需的无功功率，一部分有换流站内的交流滤波器中的电容器提供，不足部分在由无功补偿装置提供。
5高压直流输电原理图及其说明
高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。
从交流系统I向交流系统Ⅱ输电时，换流站I把交流系统I送来的三相交流功率变换或直流功率。
通过直流输电线路把直流功率输送到换流站Ⅱ，再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功率，送人交流系统Ⅱ。
这个过程称作HVDC。
HVDC系统主要由两个换流站和直流输电线组成，其中换流站是高压直流输电系统的核心所在。
换流站的主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备及控制保护设备等。
换流器又称换流阕是换流站的关键设备，其功能是实现整流和逆变。
目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管）组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。
一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流或直流变交流的功能。
换流变压器是向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。
其作用不仅能实现电压变换，而且可以抑制直流故障电流，削弱交流系统入侵直流系统的过电压，减少注入交流系统的谐波。
平波电抗器是串联在线路中的大型电感，它的作用是防止轻载时直流电流断续，抑制直流故障电流的快速增加，从而减小继发换相失败的几率;此外还能减小直流电流纹波;防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入周厅，损害换流器。
滤波器是减小注入交、直流系统谐波的设备。
按电源特性可分为有源滤波器和无源滤波器。
无源滤波器按滤波的实现方式又可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器和高通滤波器。
无功补偿设备的作用是提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。
换流站换流的过程中会消耗大量的无功功率，其中整流器消耗输送直流功率的30%—50%;逆变器消耗输送直流功率的40%—60%。
PI控制
PI控制的原理及整定
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分，简称PI控制，又称PI调节。
PI控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PI控制技术。
PI控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称（System with Steady-state Error）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
总结
高压直流输电是电力电子技术应用最为重要、最为传统也是发展最为活跃
的领域之一。
本文在论述了直流输电基本概念、构成、发展及主要设备的基础上
讨论了直流输电的基本工作原理、谐波与无功问题、直流输电的控制与保护并搭
建并了一些直流线路的运行。
通过对高压直流输电的一些不足的分析联系到在实际工程可能存在的问题。
本文主要分为这几大部分。
其中第1部分为概述简单的介绍了高压直流输电的基本概念、构成与分类高压直流输电的优缺点及适用场合高压直流输电的历史与国内外的现状。
第2部分简单的讨论了高压直流输电的主要设备即换流装置、换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器的等。
第3部分简单的介绍了常规电网换相高压直流输电的控制技术给出了包括定电压控制、定电流控制、定功率控制、定熄弧角控制在内的控制方法。
最后是对全文的总结。
近年来直流输电技术又有新的发展，可用轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。
同时大幅度简化设备，降低造价。
随着我国西部电力资源的开发，巨型水电站和巨型火电基地的建设，水电、火电打捆送出，送电距离越来越远，送电容量越来越大，送电可靠性要求越来越高，给直流输电技术也提出了更高的要求。
现在，南方电网是我国第一个交直流并联运行的电网，已经积累一些运行经验。
随着直流输电项目的增多，在我国将会形成新的交直流并联运行系统，而且交直流并联运行系统的结构将会更加复杂。
因此，我们必须认真研究这种电网结构的安全稳定运行方案，以提高交
直流并联系统的运行水平。
结术语
感谢我的导师古教授，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
感谢我的古老师，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。
而你开开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室。
感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。
四年了，仿佛就在昨天。
四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。
只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。
也愿离开我们寝室的开开心心。
我们在一起的日子，我会记一辈子的。
感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。
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