基于Matlab系统的HVDC系统设计(旧文,略有修改)

湘潭大学毕业设计说明书题目：基于Matlab系统的HVDC系统设计院系：信息工程学院专业：建筑设施智能技术学号：2011550223姓名:李伟指导教师:罗培完成日期: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ThedesignofHVDCsystembasedonMatlabsystemAbstractHVDCtechnologyhasmadegreatachievementsinthepastfewdecades.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目录第一章绪论......................................错误!未定义书签。1.1高压直流输电的课题背景....................错误!未定义书签。1.2本课题研究的主要内容及选题的意义..........错误!未定义书签。1.3高压直流输电系统的结构及元件..............错误!未定义书签。1.4高压直流输电系统的运行特性................错误!未定义书签。1.5高压直流输电的历史及其国内外现状..........错误!未定义书签。第二章VSC-HVDC系统的基本结构和工作原理...........错误!未定义书签。2.1VSC-HVDC系统的基本结构.....................错误!未定义书签。2.2VSC-HVDC系统的工作原理.....................错误!未定义书签。2.3VSC-HVDC系统的控制.........................错误!未定义书签。2.4VSC-HVDC系统的特点及应用场合...............错误!未定义书签。第三章VSC-HVDC系统的仿真及仿真结果分析...........错误!未定义书签。3.1VSC-HVDC系统的稳态情况仿真.................错误!未定义书签。3.2VSC-HVDC系统的三相接地故障情况仿真.........错误!未定义书签。第四章总结......................................错误!未定义书签。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