柔性直流输电系统仿真研究.docx

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柔性直流输电系统仿真研究

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

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

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，核心设备成本的降低，柔性直流输电技术较其他输电技术将更具竞争力，将其广泛应用在我国新能源并网、城市电网及孤岛供电等方面将是完全可能的[9]。

综合目前已运行的HVDCLight工程经验和相关研究文献，基于VSC技术的HVDCLight具有以下技术优势[10,11]：

（1）VSC换流站本身可以自由控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为1，且各种调节能够快速完成；

（2）VSCLight整流与逆变站之间不需要快速通信联系，每个站可以独立控制；

（3）VSCLight系统无需添加无功补偿装置，且由于采用高频PWM调制技术，在交流侧只需要尺寸很小的高通滤波器，且随着多电平技术和相移载波（CPS-SPWM）技术的发展，甚至可以不需要滤波器；直流侧采用电容器滤波，易于制造和减小谐波，并具有短时的储能效果，有利于抑制系统的振荡；

（4）VSC型直流输电系统采用新型直流电缆具有高强度，环保和方便掩埋特点，适合于深海等恶劣环境；

（5）VSC型直流输电电站采用模块化设计，所有装置在生产工厂经过试验检验后运送到电站当地，占地较小，设计安装方便等。

由上述总结可以看出，基于VSC技术的HVDCLight完全解决了基于PCC技术的传统HVDC的缺陷，又由于其容量小，控制方便等特点，所以特别适合应用于新能源发电的直流传输和向无源交流网络供电等领域。

1.2课题国内外研究现状及趋势

目前柔性直流输电用于风电场并网的实际工程有:

瑞典哥特兰岛工程用于陆上风电场并网；丹麦Tjaereborg工程用于海上风电场并网。

这两个工程的顺利投运及其取得的效益，为我国风电场采用柔性直流输电方式并网提供了应用前提与可行性验证。

ABB公司投运的柔性直流输电技术实际工程有9项（见表1-1），最高直流电压等级为±150kV，最大容量为2006年投运的连接芬兰和爱沙尼亚两国电网的Estlink工程。

但在海岛供电与城市电网供电方面还没有实际的应用工程。

表1-1ABB公司已投运的柔性直流输电工程

投运年份

工程名称

国家（地区）

容量／MW

用途

1997

1999

2000

1999

2000

2002

2002

2006

2004

Hellsjon

Gotland

Tjaereborg

Directlink

EaglePass

Murraylink

CrossSoundCable

Estlink

TrollA

瑞典

瑞典

丹麦

澳大利亚

美国—墨西哥

澳大利亚

美国

北欧

挪威

3

50

7.2

180

36

200

330

350

40

工业试验

风力发电并网

风力发电并网

电力交易、系统互联

电力交易、系统互联

电力交易、系统互联

电力交易、系统互联

电力交易、系统互联

钻井平台供电和电机驱动

国内关于柔性直流输电技术的研究开始的比较晚，目前还属于起步阶段。

中国电力科学研究院、浙江大学、华北电力大学、华中科技大学、合肥工业大学等单位已经开展了这方面的基础理论研究，研究工作主要集中在柔性直流输电的建模仿真，柔性直流输电的控制和保护策略等。

从其技术特点和实际工程的运行来看，很适合应用于可再生能源并网，分布式发电并网，孤岛供电，城市电网供电，异步交流电网互联等领域。

因此，根据国家中长期科技发展规划和"十一五"发展规划纲要，发展直流输电技术，建设新一代直流输电联网工程，促进大规模风力发电场的并网，城市供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，增强自主创新能力，符合我国国情和我国的经济发展规律，符合市场需求，符合电力工业发展规律和电网技术发展方向。

我国电力科技工作者一直关注HVDCLight技术的发展，并开展了一些初步的研究工作[12,13]。

该技术的各方面优势也已引起一些应用单位的注意，正在考虑在实际输配电工程中予以采用。

但总体上说，该项研究在我国基本处于空白。

尽快提高该技术的研究水平并尽快投入应用，具有十分迫切而重要的现实意义。

另外，对于包括HVDCLight系统全部一、二次设备在内的新型数学模型及数字仿真新方法，适用于VSC的PWM新技术及相关保护策略，HVDCLight系统以及由多个VSC连接构成的多端直流系统的运行特性、控制方式（有功、无功潮流控制，电压控制）及保护策略，HVDCLight系统对整个电网电能质量的影响及控制手段等问题都有待进一步研究。

HVDCLight技术在我国应用的可行性和必要性等方面的研究论证工作也有待于进一步深入。

随着国家新能源政策的贯彻和执行，地区电网互联的稳步实施与不断完善，轻型直流输电技术必将在我国的电力发展过程中发挥重要作用，开展对柔性直流输电系统的仿真和控制策略研究具有很重要的意义。

1.3毕业设计研究内容及任务

鉴于目前HVDCLight的研究现状，本文主要进行了以下几个方面的研究：

熟悉直流输电技术的概念；研究HVDCLight的运行特性、工作原理、结构；建立HVDCLight系统的稳态数学模型，并结合该模型确定轻型直流输电技术在控制量与被控量上的合理的对应关系；基于PID控制原理，利用PSCAD仿真软件构建HVDCLight仿真模型及控制系统；通过对模型进行分析和计算，得到柔性直流输电系统的功率控制特性。

对柔性直流输电系统的原理和模型进行分析，见图1-1，通过采用定直流电压控制和定交流电压控制的方式，研究柔性直流输电的数学模型和仿真模型，在PSCAD仿真软件中进行分析，通过分析和计算，得到柔性直流输电系统的功率控制特性[13]。

图1-1HVDCLight系统原理图

用PSCAD仿真软件建立柔性直流输电功率传输特性的仿真模型。

HVDCLight的输出控制系统采用微机化的脉宽调制技术（PWM）控制，因而其交流侧输出电压，电流可以实现精确控制，可根据交流系统的需要自动调节电压、频率、有功和无功。

得出数学模型，最后通过仿真软件模拟其功率特性。

在对HVDCLight输电系统研究时，目前主要采用仿真技术。

因此，建立适合于系统仿真分析的数学模型就显得十分必要，本文重点和难点就在于系统建模和仿真分析，但在这之前，必须要做的工作便是了解它的原理和结构。

第2章HVDCLight的基本原理

2.1引言

在讲述HVDCLight基本原理之前，在这里再次介绍一下VSC技术的优点（与绪论中不大相同，针对VSC本身），这样我们可以更好的理解它的原理，并且从原理入手，掌握HVDCLight这门技术的应用：

（1）VSC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，使为远距离的孤立无源负荷送电成为可能。

（2）VSC可以独立控制有功和无功功率，控制更加灵活方便[14]。

（3）VSC-HVDC系统潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性保持不变，该特点有利于构成并联多端直流系统。

（4）VSC可以不需要交流侧提供无功功率，而且能够动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。

（5）由于VSC交流侧电流可以控制，不会增加系统的短路容量，增加新的VSC-HVDC线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更换。

（6）VSC通常采用PWM控制技术，开关频率较高，经过低通滤波后就可得到所需的交流电压，不需要专门的换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小[15]。

新一代的直流输电技术——HVDCLight，主要由电压源换流器（VSC）、直流输电线路、直流侧电容、换流变压器、换流电抗器和交流滤波器等部分组成。

2.2脉宽调制电压源换流器

目前已运行的轻型直流输电工程均采用由IGBT和二极管组成的非对称可关断换流器及三相全波桥式回路的PWM电压源换流器，电压源换流器为自换相换流器，它不需要交流系统提供换相电压，与交流系统同步连接，可以作为整流器运行，也可以作为逆变器运行。

对交流系统来说，它像是一个发电机逆变运行或电动机整流运行。

而且可以连续快速的调节有功和无功，同时还不增加系统的短路容量。

图2-1为单相电压源换流器接线示意图[13]。

图2-1由IGBT构成的VSC换流器单向图

图中1~5分别为：

1—直流电容器；2—IGBT；3—续流二极管；4—换流电抗器；5—换流电容器。

当工频正弦波控制信号

经与三角波载波信号

比较产生触发信号

。

当D1被触发导通后，输出电压

；当D2被触发导通后，

，由于D1和D2不是同时触发导通，所以

只有

两种数值。

经换流电抗器和滤波器滤除

中的高次谐波分量后，交流母线上可得到与

波形相同的工频正弦波电压

。

其中，

决定开关的动作频率，

决定输出电压

的相位和幅值。

改变

的相位，即改变

与

的相位关系，可改变有功功率的大小和方向；改变

的幅值，即改变

与

的数值关系，可改变无功功率的大小和极性（感性或容性）。

因此，VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。

HVDCLight的核心器件是基于脉宽调制技术的电压源换流器，电压源换流器由是全控型电力子器件构成。

绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是一种可以自关断的金属氧化物半导体元件，只需要用很小的功率进行控制。

与用于控制换相晶闸管的功率比较，其功率只需用缓冲器电路提供，这就使串联成为可能，甚至在kHz级换相频率范围内都具有很好的电压分布。

相比IGBT而言，GTO阀可以允许通过较大的电流，但IGBT阀的优势在于可以承受较大的电压。

对于较长距离的输电，为了保持较高的输电电压以减小损耗，选择IGBT将比GTO更为合理。

就现今的技术条件下，IGBT阀的阻断电压可达150kV,基于这种阀的VSC能承担高达1kA的有效值交流线电流，对应单个VSC的设计容量约为150MVA。

这样，一个双极性系统可以很容易达到300MVA。

2.3电压源换流器的PWM控制原理

VSC换流器阀控制采用SPWM技术。

脉宽调制技术即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所。

PWM控制的思想源于通信技术和全控型器件的发展。

PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置在电子技术的发展史上占有十分重要的地位。

VSC基于脉宽调制（PWM）技术的控制方法，能够独立控制有功功率和无功功率，并能产生低次谐波，提高电能质量[16-19]。

由高频开关器件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC换流器的单相电路及工作原理如图2-2所示。

图2-2电压源换流站单相示意图

PWM控制的基本思想是面积等效原理——冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同（电力电子技术）。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。

VSC是整个轻型直流输电系统的核心元件，其桥臂由大功率可控关断型电力电子器件（如：

IGBT、GTO等）和反并联二极管组成。

目前，IGBT的耐受电压达到6.5kV，通断电流最大达到3kA。

为了提高VSC的容量，通常采用的方法有：

桥臂期间的串联、多电平拓扑结构、换流器单元串并联形式等。

目前换流器拓扑结构主要采用：

（1）两电平拓扑结构；

（2）二极管箝位式多电平拓扑结构；（3）飞电容式多电平拓扑结构[20]。

见图2-3。

（1）两电平拓扑结构

（2）二极管箝位式多电平拓扑结构

（3）飞电容式多电平拓扑结构

图2-3HVDCLight换流器拓扑结构

2.4HVDCLight的结构和原理

所谓HVDCLight就是基于电压源换流器（Voltagesourceconverter）的直流输电技术，其基本原理如图1-1所示，设送端、受端换流器均采用VSC，则两个换流器具有相同的结构。

换流器采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个IGBT或GTO串联而成。

直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也起到滤波的作用；交流滤波器的作用是滤去交流侧谐波[21]。

HVDCLight两侧换流站采用电压源换流器，换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等组成。

下面做分别介绍：

（1）换流变压器：

尽管HVDCLight系统可以不需要换流变压器，但实际工程中都装设了三个单相变压器或三相变压器，且变压器的二次侧绕组带有分接头开关。

首先，为了能够调节换流器最大传输的有功功率和无功功率，往往是通过调节带分接头开关的变压器二次侧电压来获得；其次，换流变压器将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压匹配的二次侧电压，确保开关调制度不至于过小，以减小输出电压电流的谐波量，进而可以减小交流滤波装置的容量和换流器的运行损耗。

（2）换流电抗器：

它是VSC与交流系统之间传输功率的纽带，同时也可以用来抑制直流过电流的上升速度和滤除换流器所产生的谐波。

（3）直流侧电容器：

直流侧电容是VSC的直流侧储能元件，它可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。

此外，直流侧电容的大小一方面决定其抑制直流电压波动的能力，另一方面会影响VSC控制系统的动态响应特性。

（4）交流滤波器：

由于电压源型直流输电系统采用PWM技术，VSC的开关频率较高，因此其输出的交流电压和电流中含有很少的低次谐波，可以进一步改善波形质量。

传统直流输电中滤波器还起到了无功补偿的作用。

（5）续流反向二极管：

是负载向直流反馈能量的通道，同时也起着使负载电流连续的作用。

以上介绍了HVDCLight的基本结构，以及各结构的原理和作用，下面将对其工作原理进行探讨和研究，目的在于看其究竟如何实现自动调节和控制。

设交流母线电压基波分量为

，换流器输出电压基波分量为

，

滞后于

的角度为δ，换流电抗器L的等效电抗为X，假设换流电抗器是无损耗的，忽略谐波分量时，换流器所吸收的有功功率P