交流故障下直流控制系统的仿真分析

••教学单位：电子电气工程系•学生学号：20109501S014•编号：DQ2012DQ20109501S104••••本科毕业设计••••题目：交流故障下直流控制系统的仿真分析•课题性质：实践应用型•学生姓名:刘俊勇•专业名称:电气工程及其自动化•指导教师:党常亮•2012年5月20日摘要我国电网正处于高速发展时期，目前己经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段，随着高压直流输电技术在我国的广泛应用，高压直流输电技术成了电力界研究的热点。其中对直流系统进行准确有效的建模是关系到电力系统稳定分析和协调控制的重要问题，受到了广泛关注。本文先对直流输电控制系统进行了细致的分析，阐述了直流输电系统的基本控制手段、分层结构、及各控制级层的功能及运行特性，并建立了复频域内极控级各控制环节的数学模型，再以CIGRE直流输电标准测试系统为模型，得出了交流故障下控制系统的复频域数学模型，据此分析了交流故障时相应的控制系统稳态特性，从而得到输电线路直流电压和直流电流与控制系统触发角指令间的定量关系，使得对直流系统建立其调制模型时能充分的考虑控制系统的影响，提高了模型的准确性。第一章绪论1.1引言•随着我国经济的快速发展，全国装机容量不断增加，2005年全国装机容量突破500GW，2010年全国装机已达950GW，平均每年新增装机90GW左右。这些新增电力装机相对集中在西部大水电基地和大火电基地，与此同时华南、华中、华东和华北等负荷中心的电力需求也不断增加。为满足未来持续增长的电力需求，实现更大范围的资源优化配置，中国南方电网公司和国家电网公司提出了加快建设特高压电网的战略方针。相对于交流输电，直流输电更适合于远距离大功率输电[1]，因此高压/特高压直流输电系统越来越受到人们的关注。•高压直流输电系统是由整流桥和逆变桥通过直流线路连接而成的。对于交流系统中交流线路、变压器、发电机等元件已有准确有效的数学模型，而对于直流系统中包含的换流器等离散开关元件，由于电力系统的庞大性和复杂性以及计算规模和时间的限制，不可能对其采用详细的电磁暂态仿真，采用过于简化、忽略模型本身动态的模型又会使得分析缺乏准确性。•对于直流系统建模的方法，已经形成了一系列的理论，它们或比较成熟，已经得到了广泛的应用；或比较新颖，还有待于进一步的发展。其中调制理论法具有很大的发展潜力，国内外关于直流系统建模的研究多集中在建立基于调制函数的直流系统频域模型[2]。其中高压直流系统是高度可调节系统，控制系统的触发角指令影响了各阀触发的时刻和导通的时间，因此调制函数与直流控制系统的触发角指令有密切关系。1.2直流输电的发展•60年代可控硅元件的出现，为换流器设备开辟了新的途径，高压直流输电也出现了新的发展前景。从此以后，直流输电进入了大力发展阶段，各国都积极从事直流输电技术的研究和工程建设，使直流输电技术得到了迅速的发展。•世界第一条工业性高压直流输电线路即哥特兰直流输电工程于1954年投入运行，其换流阀为汞弧阀；•1970年，瑞典果特兰岛直流试验工程，第一次采用晶闸管进行换流；•1972年，加拿大的伊尔河背靠背直流输电工程首次采用晶闸管阀；•1997年，世界上第一个轻型直流输电试验工程在瑞典建成。•到2000年为止，世界上已投入运行的直流工程（含汞弧阀）共63项（其中我国5项），其中，背靠背26项，电缆线20项，架空线17项。1.3与交流输电相比直流输电的优越性•1．输电线路造价低•高压直流输电是采用两线制的两极直流输电线路，比高压交流输电的三相三线制输电线路省了一根输电线，节省输电材料1/3，线路电阻上损耗的电能也比交流输电小了1/3。•2．直流输电可实现非同步交流电力系统之间的联网•直流输电时，发电的交流系统和用电的交流系统无需同步运行，两端的交流系统可以按各自的频率和相位运行。•3．调节快速•直流输电采用了电力电子换流装置，可在直流回路中快速且大幅度地调节有功功率或改变潮流的方向，提高了交流系统运行的可靠性。•4．从网络结构上隔断交流故障的传递•电线路中的两极是独立调节和工作的，彼此间并无影响，因此，当一极发生故障时，只须停运故障极，另一极仍可工作，只是输送的电能减少了。•随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，使高压直流输电技术也日趋完善，直流输电的建设费用和运行能耗也不断下降，可靠性也逐步提高，直流输电越来越显示出它的重要性，目前在大功率远距离输电、海底电缆和交流系统间异步联接等方面都得到了广泛的应用。1.4直流输电在我国的应用•我国关于直流输电技术的研究工作在50年代开始起步，但是发展曲折并且缓慢，而且从设计、运行及制造等方面来看，与世界先进水平还有相当大的差距。目前我国电网正处于高速发展的时期，已经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段。•到2005年，我国已建成5回±500千伏高压直流输电工程。•截止到2007年底，我国的直流输电工程已达19个。•特别是2009年12月28日，云南至广州±800千伏特高压直流输电工程成功完成单极投产。•2010年7月8日，向家坝—上海±800kV特高压直流输电示范工程投入运行。•HVDC输电技术的发展，加速了我国区域电网互联和全国联网的进程。今后我国的电网将主要分为三大块，即北部电网(北通道)、中部电网(中通道)和南部电网(南通道)。今后联网主要采用超高压直流（HVDC）或超高压交流(HVAC)实现互联。1.5直流系统建模的现状•直流系统的建模重点在于换流器的建模•古典建模方法：拓扑建模法和输出建模法•现在常用的建模方法是基于换流器研究的调制理论，它是一种新的建模方法，国内外关于直流系统建模的研究多集中在建立基于调制函数的直流系统频域模型，它把换流器看成连接直流系统和交流系统的调制开关电路，用Fourier级数表示的开关函数表示换流器的非线性行为，该函数的作用可以类比为电阻元件的电阻值或电感元件的电感值，它描述了非线性元件，即换流器的输入、输出变量之间的关系[13]。第二章HVDC控制系统的数学模型及其稳态特性分析•高压直流输电系统尽管很复杂，但响应速度快、控制灵活，在远距离、大容量输电方面具有不可替代的优势。其优势的发挥取决于HVDC控制系统的设计，控制系统决定了整个HVDC输电系统的运行特性。•常规HVDC控制系统的核心部分采用PID控制，可满足各种运行工况下的控制要求。目前也在研究很多新型的控制方式，如:变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等[17,18]，这些控制系统理论上可实现更精确和快速的控制，对系统的适应性更强，但可靠性和实用性却远比不上传统的PID控制，大多数只处于理论和实验室研究阶段，在HVDC输电工程上鲜有应用。根据直流输电的基本原理，可以得到两端直流输电系统的等效电路，如上图。从整流侧流向逆变侧的直流电流为：整流器线路逆变器0drUcos0cosdrUcos0diU0cosdiUdIdrUdiUdP1Rxidxrd2.1直流输电系统的基本控制2.2直流输电控制系统的分层结构•现代HVDC输电控制系统一般分为六个层次[19~22]，从高层次到低层次分别为:系统控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级、单独控制级和换流阀控制级(阀组控制极)[20]。•通常情况下控制系统可以被简化为3个层次，第1层次称为主控制级（或双极控制级），第2层次称为极控制级，第3层次称为阀组控制级。2.3直流输电主控制级控制功能•主控制级的控制功能通常包含3个模块，第1个模块接收调度中心发来的输送功率指令（），第2个模块是功率调制和快速功率变化控制，第3个模块计算直流电流指令值，即期望的直流电流值，电流控制的期望值从第3个模块被传送到极控级。2.4直流输电极控级控制功能及稳态特性分析•在直流输电的极控级中，整流侧通常配备有带限制的定电流控制器；逆变侧通常配备有定电压控制器、定电流控制器和定角控制器，另外还配备有电流偏差控制器（CurrentErrorController，CEC）。在定电流控制器中，电流整定值通常来自于依电压限电流指令值环节（VoltageDependentCurrentOrderLimiterVDCOL，简称为低压限流环节）的输出再加上电流调制控制器的输出。2.4.1低压限流环节•低压限流环节（VDCOL）的任务是在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制。2.4.2电流偏差控制•电流偏差控制的目的是使逆变侧定角控制和定电流控制之间能够平稳切换。当整流侧已按限制运行时，整流侧已失去对直流电流的控制；这时，直流电流趋向于减小，但实际直流电流的值仍然大于逆变侧的直流电流整定值，假定逆变侧控制选择的结果是定角控制器起作用，则当逆变器的换相电抗大于整流器的换相电抗时，有可能造成无稳定直流电流运行点的情况。而采用电流偏差控制以后，就可以避免上述情况的发生。电流偏差控制器的原理是当实际电流小于整流侧的电流整定值时提高角的整定值，通常每安培电流偏差提高角。•2.4.3定电流控制器•在极控制功能中，定电流控制器是应用最为广泛的。在整流侧，定电流控制器的输人是电流整定值与实际电流的偏差，由这个偏差驱动PI控制器得到的输出即作为触发角的相关信号。•2.4.4定电压控制器•定电压控制器的结构与定电流控制器的结构类似，都是PI控制器。2.5CIGRE标准测试系统稳态特性分析•2.5.1CIGRE直流输电标准测试系统简介•国际大电网会议（CIGRE）直流输电标准测试系统（CIGREHVDCBenchmarkModel）是用于直流输电（HVDC）控制研究的标准系统，便于用各种仿真程序或仿真器在相似的主电路模型上进行不同的直流控制设备和控制策略性能的比较研究，其直流系统主电路结构相当简单，但运行条件比较困难，用它作为研究的基础，可以反映HVDC控制系统的主要问题。•2.5.2CIGRE控制器稳态特性分析•直流输电控制系统的控制输入量除了从主控制层传递下来的整流侧电流整定值信号之外，还有从直流系统测量得到的整流侧直流电流、逆变侧直流电流、逆变侧直流电压，以及逆变侧关断角；直流输电控制系统的控制输出量只有2个，分别为整流侧触发角和逆变侧触发角。2.6小结•本章对直流输电控制系统进行细致的分析，回顾了直流输电系统的基本控制手段、分层结构及各控制级层的功能及运行特性。其中重点研究了极控级，针对极控级建立了内各控制环节的复频域数学模型。•在此基础上以CIGRE直流输电标准测试系统为模型，建立了交流轻微故障下控制系统的复频域模型。CIGRE采用的控制器属于直流输电控制系统分层中的极控制层，输入量除了从主控制层传递下来的整流侧电流整定值信号之外，还有从直流系统测量得到的整流侧直流电流、逆变侧直流电流、逆变侧直流电压，以及逆变侧关断角，控制输出量只有2个，分别为整流侧触发角和逆变侧触发角。通过对控制系统建模，得到了输电线路直流电压和直流电流与控制系统触发角指令间的定量关系，可用以研究交流轻微故障时相应的控制系统的稳态特性。通过建立复频域内各控制环节的数学模型，并在此基础上得出了交流轻微故障下控制系统的复频域模型，可用以研究交流轻微故障时相应的控制系统的动态特性。第三章CIGRE直流控制系统仿真分析•3.1PSCAD/EMTDC仿真分析和MATLAB简介•以PSCAD/EMTDC（(PowerSystemComputerAidedDesign/Electro-MagneticTransientProgramforDC)程序为软件平台的直流输电数字仿真系统是分析和研究直流输电系统和交直流相互影响等问题的有力工具，在当今国内外电力界得到广泛应用。仿真模型中包含了系统的结构和参数一次主设备的结构和参数，HVDC控制保护系统的结构和参数等，使得复杂的电力系统的建模和仿真变得很简单；利用PSCAD/EMTDC程序的MATLAB接口进行可视化数值计算功能。•Matlab是一门计算机编程语言，取名来源于MatrixLaboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据。它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常