基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真电气工程专业.doc

论文题目 基于MATLAB的高压直流输电系统的建模与仿真 目 录 1绪论 5 1.2高压直流输电系统的优势和不足 5 1.3高压直流输电的应用 6 2 高压直流输电系统的原理 6 2.1高压直流系统的元件与接线 7 2.2换流器的工作原理 12 2.3十二脉动换流器 17 2.4直流输电系统的基本控制原理 19 2.5直流输电系统的基本控制 19 3高压直流输电系统仿真建模 21 3.1单个最大接地回路直流输电系统基本结构（正极） 21 3.2 建模与仿真工具MATLAB/Simulink 简介 22 3.3高压直流输电系统建模 23 4高压直流输电系统仿真结果分析 27 4.1高压直流输电系统的起停和逐步仿真 27 总结 31 参考文献 31 基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真 摘 要：高压直流输电系统（HVDC）是一种成本低，耗能少，稳定性高，并且利用长距离线路来进行大容量输电的技术。这种技术一般运用在海底电缆等长距离大容量的输电线路中。本篇论文对高压直流输电系统（HVDC）的结构和概况进行论述。运用Matlab仿真软件中的Simulink对其进行建模和系统的仿真得到相应的仿真波形，验证其有效性。 关键字：高压直流输电系统；Matlab仿真；Simulink模块库 中图分类号：TP273.6 Modeling and Simulation of HVDC Transmission System Based on MATLAB Abstract : HVDC (HVDC) is a low cost, low energy consumption, high stability, and the use of long distance lines for large capacity transmission technology. This technique is commonly used in long-distance, large-capacity transmission lines such as submarine cables. This paper discusses the structure and general situation of HVDC. Simulink of Matlab simulation software is used to simulate the simulation of the simulation and verify its effectiveness. Key words: HVDC transmission system；The Matlab simulation；Simulink module library 基于MATLAB的高压直流输电系统建模与仿真 1绪论 1.1高压直流输电系统的发展概况 在现如今这个时代，用电在日常的生活中不可或缺，那么输电系统就显得更加重要，传输系统可分为直流传输和交流传输与交流传输相比，高压直流传输具有低功耗，低成本和高传输容量的优点，直流传输更加稳定。在现实生活中利用得更加普遍。直流输电系统有3个阶段，（1）1960年前后，那个时候交流高压输电是最常用的输电方式，由于当时的技术限制，DC转移并没有得到人们的赞赏。（2）之后，东欧瑞典直到1972年才建成该行业的第一条高压直流输电线路，目前，技术已经逐渐成熟，高压直流输电系统正在大功率，长距离使用。（3）20世纪70年代到现在，科学技术日新月异，高压直流输电系统在生活更加普遍，直流输电系统越来越被人们重视。 1.2高压直流输电系统的优势和不足 HVDC传输系统具有的优势： 第一：从经济方面来看，首先，整个直流输电系统的成本相对较低，整个线路只需要两根导线，能够节约很多成本，所以电缆线的成本比较低，因此电缆费用低。第二:直流输电系统运行的时候需要的电能比较小，可以尽可能的节能，最后：线路窄，土地需求量少，费用低。例如，使用相同的500千伏电压，直流路线走廊只有40米宽。对于数百公里或数千公里的输电线路，储存的土地数量巨大。传输系统的优点还包括更快的调整和更可靠的运行。由于直流输电系统可通过快速调整有功功率轻松实现，并通过晶闸管换能器实现，因此也可实现“功率翻转”。一旦出现了紧急情况，它能够从正常交流系统向出现问题一端紧急支援，大大提高了线路的可靠性。 当使用交流传输时，短路电流会因为容量的增加而增加。它可能会超过原来的断路器闭锁能力。使用直流输电时，这种效应会降低。 HVDC传输系统的不足之处： 在换流站方面，直流输电系统相比交流输电系统来说就有好多劣势，比如直流换流站的结构复杂，设备数量多，造价高，损耗大等等。交流变电站通常仅需要变压器和断路器，但除上述设备外，直流变电站还需要变频器，平滑电抗器，直接交流滤波器和无功功率放大器。 晶闸管变换器在更换期间需要消耗大量的无功功率。目前，换流站需要无功补偿设备，当交流滤波器提供的无功功率不能满足无功补偿时，也需要静电电容，当开关站接入弱交流系统时，为提高系统动态电压的稳定性和改善替换状态，同时还需要安装同步摄像机或静态无功补偿装置，这也增加了转换站的投资和运行成本，当使用新型旋转半导体装置或循环电容逆变器时，无功补偿问题将得到解决。 1.3高压直流输电的应用 根据分析，直流输电的应用有以下的方面： 1） 距离很远功率很大的输电 2） 直流电缆输电，能节约资源 3） 电力系统的联网。 4） 现有交流输电系统的增容改造 5） 轻型直流输电 2 高压直流输电系统的原理 2.1高压直流系统的元件与接线 2.1.1高压直流系统的接线方式 DC传输系统的接线一般分为三种类型：单极，双极连接和背对背连接。 1 单极系统（正极或负极） 单极直流输电系统可以使用正负极性。正极和负极由转换器站的地电位定义，对地电位为负，对正极为正。输电导线有正负级导线之分，和正极相连的为正极导线，那么与负极相连的即为负极导线。单环和单极金属环是单极系统的两种接线方式。 （1）单极大地回线方式 作为高压直流输电系统的重要组成部分，地球和海水是该系统的返回线。如图2.l(a)所示这种方式。电流正常运行的条件是必须流过海水或是地面，因此极其重要的一点就是它电极材料的选用、受到地下通讯线路等一些方面的影响，往往使用的较多的方式为正极接地。 图2.1（a）单个最大环路连接图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统 （2）正如这个名字所表明的那样，在直流侧使用两根金属线形成单极环路称为单极金属环路方法见图2.1（b）,单极大地回线里面的地回线是用一根低绝缘的导线来替代的。这种单极环路方法可以防止电流流过地面或海水，并使导线的电位为零。缺点是当电流通过导线时，会导致大的压降，因此具有足够的绝缘强度。这个方式通常为过渡方式。 图2.l（b）单极金属环路布线图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统； 6-两端交流系统 双导体并联接地回路是单极性操作中的双极直流输电系统。接线图如图2.1（c）所示。 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统 2.双极系统 双极线路是由正负连接线组成的线路。中性回路和大地回路是他的两个不同的分支，分述如下： （1）图2.2（a）显示了双极性接地的中性点。这种方法将整流和逆变站的中性点连接到地， +V和-V为双极对地电位。在正常操作下，电流不流向两个接地点。实际上，变压器两端的阻抗和变流器的控制角度并不平衡，因此总是有不平衡电流作为回路流过地。一旦线路中的故障得到解决，可以使用全极和地面作为回路来保持单极操作模式。 图2.2(a)两端中性点零线接线方案 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统 （2） 双极性中性点接地方式2.2(b)所示，在整流侧或中性侧的一侧接地，在正常运行时与上述相同。但是，当前线遇到问题时，无法继续正常操作。 图2.2(b)双极一端中性点 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-双向交流系统地线图 （3）如图2.2（c）所示，双极性金属中性点系统通过将双极中性点连接到导线形成双极中性点模式。在换向侧或换向侧连接到地面将允许您继续在健康的电杆上传输电力，同时避免在一侧出现问题时使用地面或海水作为回路的缺点。这种方法通过增加电线来增加经济投资。 图2.2(c)双极金属中性模式连接图 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-直流输电线路；5-接地极系统；6-两端交流系统 3.背靠背（back-to-back）”换流方式 如图2.3所示，没有直流输电线路，将整流器和逆变器站相结合的直流系统称为“背对背”换流站。背靠背换向方式的主要特点是直流侧可以选择低电压大电流，可以更好地利用大截面晶闸管的流通能力，同时直流侧设备由于直流电压较低，也可以节省成本。背靠背换向系统由于所有整流器和逆变器都安装在灯泡孔中，直流侧的谐波不会引起通信干扰，降低了直流侧滤波器的要求，节省了滤波器，大大降低了平波电抗可以减少电感值。这样可以降低直流系统的绝缘成本，最大限度地保持成本，这种替代方法在很多地方都得到了认可。它的主要优点是受益于系统增加容量时限制短路容量，因此它不会取代大量的电气设备。背靠背高压直流输电系统可以根据互连的目的和要求的可靠性设计为单极或双极运行。大多数使用线路的点对点（两端）高压直流输电系统都是双极性的，并且仅在意外事故期间单极运行。 图2.3 背靠背站接线图原理 1-换流变压器；2-换流器；3-平波电抗器；4-两端交流系统 2.1.2高压直流输电系统的元件 HVDC系统主要由变流站（整流站和逆变站）和HVDC电路组成，主要包括变流器，直流滤波电抗器，交直流滤波器，无功补偿器，直流输电线路和电极。下图是一个双极接触线系统的基本组件的示意图。其他组件基本上与本图中所示的组件基本相同。下面分别介绍如下： 图2.4高压直流输电系统两端主要设备 图2.4中主要设备如下： (1)换流变压器。由于变压器阀侧的接地，直流系统可以建立自己的对地参考点，通常将接地的正或负端接地阀门转换器。 (2)换流器(阀桥)。它们完成交-直流和直一交流转换。变频器由一个6脉冲或12脉冲高压阀组成。 (3)直流平波电抗器。这些大电抗具有高电感值，减小直流线路的谐波电压和电流，防止逆变器换相，防止轻负载电流不连续，并且当直流电流短路时，整流器的峰值电流限制。 (4)谐波滤波器。转换器在运行期间在交流和直流两侧产生谐波和谐波电流。这些谐波会导致冷凝器和附近电机过热并干扰遥控通信系统。因此，滤波器装置安装在交流侧和直流侧。AC滤波器一般安装在变流器变压器的交流侧母线上。在单桥交流滤波器的情况下吸收6n±1次谐波，在双桥吸收的情况下吸收12n±1次谐波。直流线路两端通常安装直流滤波器，以减少输入直流线路和地线的谐波含量。单桥吸收6n次谐波，双桥吸收12n次谐波。 (5)无功补偿装置。直流逆变器在运行过程中会使用大量的无功功率。在静止状态下，换能器消耗的无功功率约占发射功率的4成至6成，而瞬态状态下的无功功率消耗较大。因此，需要在换流器附近提供无功功率。在强大的交流系统中，通常使用并联容量补偿。根据直流环节和交流系统的要求，可以通过同步调相机，无功补偿电容，交流并联电抗器和静止无功补偿器提供一些无功电源。用于AC滤波的电容器也可以提供部分无功功率。 (6)电极。大多数直流链路设计至少在短时间内将地线用作中性线。连接到地面的导体需要较大的表面