新型高压直流输电系统仿真研究

新型高压直流输电系统仿真研究新型高压直流输电系统仿真研究摘要新型高压直流输电系统是以电压源换流器(VSC) 为基础在新型高压直流输电的拓扑模型中灵活转变。新型高压直流输电系统与传统高压直流输电系统相比较来说有很多优势，比如：输送容量大、送电距离远、输电线路造价低、能量损耗小和控制方式灵活快速。使其在这个行业中发展迅猛,对电网互联的跨区域发挥了主要作用，所以新型高压直流输电系统稳定和安全的运行对于工业生产和社会生活有着重要的影响意义。而在新型高压直流输电系统中，本文主要研究柔性直流输电系统即 VSC-HVDC。高压直流输电系统的控制方式是保持高压直流输电系统稳定性的主要方式,换流器触发控制和分接头控制是高压直流输电控制系统的核心内容,它通过控制高压直流输电系统中主要组成部分的换流设备来保证高压直流输电系统的正常运行及其故障后恢复的迅速性,所以对于换流器触发控制和分接头控制进行研究对保证高压直流输电系统的稳定又安全的运行有着主要意义。本文基于交直流电网仿真系统与仿真平台建立新型高压直流输电一次系统仿真模型,基于一次系统仿真模型和高压直流输电基本控制原理,在分析新型高压直流输电控制系统基础上建立控制系统仿真模型建立了能够反映 VSC-HVDC 内部特性和物理过程的数学模型。该模型中计及了换流变压器的不同变比及三相电网电压的不平衡,具有一般性。仿真结果表明该模型在具有很高准确度的同时,还能显著缩短仿真时间,提高仿真效率。关键词：高压直流输电；电压源换流器；控制系统；仿真新型高压直流输电系统仿真研究New type of high-voltage direct current transmission system simulation ABSTRACTNew high-voltage direct current transmission is based on voltage source converter (VSC) is a new type of high voltage direct current transmission (VSC - HVDC) the topological structure of complex changes. High-voltage direct current transmission system, with its large conveying capacity, transmission distance, transmission line low cost, low energy consumption advantages of fast and flexible control mode in the rapid development in the world, is the main mode for inter-district grid interconnection, So the high-voltage direct current transmission system stability and safety of operation for industrial production and social life has the very vital significance. High-voltage direct current transmission control system is to keep the important means of high-voltage direct current transmission system and stable operation, The inverter control of converter transformer tap in and control is the core part of high-voltage direct current transmission control system, Through the control of the high-voltage direct current transmission system converter equipment to ensure the normal operation of the high-voltage direct current transmission system and the back quickly after the failure, So for the inverter control and converter transformer tap control study to guarantee stable and reliable running of high-voltage direct current transmission system plays an important role.This article is based on AC/DC power grid simulation system and simulation platform to build the new high voltage direct current transmission system simulation model, Based on a system simulation model and the basic control principle of high-voltage direct current transmission，Based on the analysis of new type high voltage direct current transmission control system based on control system simulation model is established to reflect the internal characteristics of VSC-HVDC mathematical model and physical process. The model and gets the converter transformer of different variable ratio and three-phase power grid voltage imbalance, with general. The simulation results show that the model can be used in high accuracy at the same time, also can significantly reduce the simulation time, improve the efficiency of simulation.新型高压直流输电系统仿真研究Keywords: High-voltage direct current transmission; Voltage source inverter. Control system; The simulation新型高压直流输电系统仿真研究目 录1 绪论 .11.1 本课题的目的及意义 .11.2 新型高压直流输电系统的研究现状及发展概况 .21.2.1 VSC-HVDC 研究现状 .21.2.2 VSC-HVDC 发展概况 .21.3 本文主要研究内容 .32 新型高压直流输电系统 .52.1 新型高压直流输电系统工作原理 .52.2 新型高压直流输电系统基本结构及特点 .62.2.1 新型高压直流输电系统的基本结构 .62.2.2 新型高压直流输电系统的基本特点 .72.3 新型高压直流输电系统的控制 .72.3.1 新型高压直流输电控制原理 .72.3.2 新型高压直流输电控制分层结构 .92.3.4 PWM 基本原理介绍 .123 新型高压直流输电系统控制策略 .143.1 概述 .143.2 VSC-HVDC 系统控制策略 .153.2.1 有功功率控制 .153.2.2 直流电压控制 .163.2.3 无功 功率 控制 .173.2.4 交流电压控制 .193.2.5 最终控制策略选择 .19新型高压直流输电系统仿真研究4 电压源换流器各控制器设计 .204.1 电压源换流器控制结构 .204.2 锁相环（ PLL） .214.3 外环控制 .224.4 内环电流控制器 .245 VSC-HVDC 的 MATLAB 仿真及结果分析 .265.1 仿真工具的介绍 .265.2 VSC-HVDC 稳态情况仿真 .265.3 VSC-HVDC 有功、无功和直流电压的阶跃响应情况仿真 .285.4 VSC-HVDC 三相接地故障情况仿真 .305.5 VSC-HVDC 仿真结果分析 .326 总结 .34参考文献 .35致 谢 .37新型高压直流输电系统仿真研究第 1 页 共 38 页1 绪论1.1 本课题的目的及意义在现代控制技术和电力电子积极发展的基础下，以电压源换流器(VSC)和全控型开关器件为基础的新型高压直流输电即柔性直流输电(VSC-HVDC) 的技术已经得以实现。当前 VSC-HVDC 的最大输送容量已经达到 350MW，因为已经有了大容量全控型开关器件的研发运用，其输送容量还会有一定程度的增加。高压直流输电系统在我国电力系统中的发展产生了积极的影响,而高压直流输电控制系统能很好地保证系统输送功率的稳定性,还能使交直流输电系统的运行性得到提高，并能让交直流转换设备安全既有效地运行,这也是高压直流输电系统的关键内容。新型直流输电系统试验平台是针对湖南省“十五” 重大科技专项 “高压直流输电新型换流变压器研制”的研究方向而设计的。新型直流输电系统试验平台的整流侧与逆变侧都采用了传统的 PI 控制器。这种控制器结构简单、易实现、技术成熟，但存在某些主要漏洞：被控对象的频率特性是设计控制系统的主要基础，整个系统的性能指标也是通过引入控制器来整定开环系统频率特性的方法来实现的。这就使控制器在传统控制理论设计上，很大程度的必须以现场调试为基础，才能使控制性能得到满意状态。高压直流输电系统是一个典型的非线性大系统，在大扰动的影响下交直流系统间的相互性非常复杂，但随着系统工作点的移动，PI 控制器的参数要重新调节。高压直流输电也因为其所具有的一系列优点在我国跨区互联电网中发挥着越来越关键的角色，成为跨区电网输电的新模式，它的安全运行对于保证我国经济的发展具有极大深远而积极的作用。为了确切的研究高压直流输电系统的运行过程,就必须采用与实际控制系统一致的控制系统仿真模型,对控制系统的性能实施确切的研究来改善高压直流输电系统的运行性能并提高控制系统的安全运行。本文还介绍了 VSC-HVDC 控制方式，因此运用了专业电力系统仿真软件针对实际新型高压直流输电控制系统建立了仿真模型，这一步是新型高压直流输电研究的核心内容。与交流输电的区别是,直流输电技术起步较晚,目前与新型高压直流输电控制系统相关的仿真建模研究工作比较少,所搭建的控制系统仿真模型与实际控制系统有一定不同,不适用进行控制系统的性能研究和改善。所以,面对实际地新型高压直流输电系统的控制方式进行研究并建立与实际控制系统一致的控制系统仿真模型非常关键,对增加新型高压直流输电系统的稳定，改善直流输电控制系统的新型高压直流输电系统仿真研究第 2 页 共 38 页性能都具有积极影响。1.2 新型高压直流输电系统的研究现状及发展概况1.2.1 VSC-HVDC 研究现状VSC-HVDC 的研究现状 由于 VSC-HVDC 中 VSC 的自换相特性带来的相比传统HVDC 的诸多优点，使它被看 好成为传统 HVDC 的理想替代品。ABB、SIEMENS 等公司都将该技术纳入了重点研究计 划。近年来国内外学者主要对 VSC-HVDC 的数学模型、运行特性、控制策略和保护等进 行了一些探讨。国内 VSC-HVDC 技术研究比国外晚，但是本课题研究已日趋成为一个热点。目前我国几大重点高等学校和科研机构进行相关的研究。VSC-HVDC 所具有的优越性能吸引人 们对它进行了很多研究工作。尽管有多个 VSC-HVDC 已经投入商业运行，但由于 VSC-HVDC 技术的应用才刚刚开始，许多基础理论和相关的应用基础问题需要深入探讨，特别是该系统的运行特性及相关的保护控制策略尤为引入关注。由于我国缺乏相应 的工程试验，从而进行VSC-HVDC 系统的试验研究也是必要的。1.2.2 VSC-HVDC 发展概况由于 VSC-HVDC 系统具有输电线路造价低、线路损耗少、可快速改变功率输送方向及易于实现不同频率交流系统互联等特点,新型高压直流输电主要用于远距离大容量输电、跨地区电网互联、海底电缆输电、为高用电密度城市供电以及为新能源开发提供配套技术等领域。同时新型高压直流输电控制系统的调节灵活快速,可以改善交流输电系统的运行性能,提高交直流互联系统的稳定性。目前世界上在建和投运的直流输电工程已经近百项,主要集中在北美、西欧等经济发达地区。随着高压直流输电在远距离、大功率输电方面的高输电效率与经济优势越来越明显,其它国家也正在建设或计划新建大批高压直流输电工程,目前巴西伊泰普直流输电工程的直流电压等级最高,南非英加-沙巴直流输电工程的直流输电距离最长。同时,光纤、计算机技术等学科的发展,进一步推动高压直流输电技术的发展,将光纤与计算机技术应用于高压直流输电控制系统使控制系统的调节更加精准完善,将高温超导材料应用于输电电缆使远距离输电的线路建设费用大幅降低。随着直流输电设备的改进以及直流输电技术的不断完善,高压直流输电的应用将更加广泛阵。新型高压直流输电系统仿真研究第 3 页 共 38 页我国能源产地与电力需求地区分布极度不平衡,西电东送及南北互联成为我国电力能源配置的重要方式,因此适于远距离、大容量及非同步联网的高压直流输电系统在我国迅速发展。目前国内在建和投运的高压直流输电工程己经达到十几项,如表一所示。我国还在计划新建更多高电压等级的高压直流输电工程以满足国内电力需求的迅速增长。因此,新型高压直流输电在我国的经济发展过程中发挥着越来越重要的作用。近年来, VSC-HVDC 在世界范围内得到了广泛的使用, 其应用方向主要有两个: 远距离大容量地传输功率和大电网间的非同步联网。但是高压直流输电技术本身也存在着缺点, 即它的换相方式是传统的电网换相, 所用电力电子器件是半控型的晶闸管, 在接入弱系统即短路比 SCR 比较低的时候(一般认为小于 2.5) , 有可能发生换相失败问题, 导致直流系统的非正常运行, 当然更不能向无源网络供电。此外, 由于自身结构的问题, 在运行过程中, 高压直流输电系统要向交流电网吸收大量的无功功率, 同时向交流电网注入大量的谐波, 这些不但影响了整个系统的性能, 而且加大了整个投资。现在开展了许多研究以解决这些问题, 最根本的解决方案是利用可关断电力电子器件作为直流输电的换流阀,用自换相方式替代电网换相方式, 这种直流输电方式称之为新型高压直流输电。VSC-HVDC 是由两个对称的电压源型换流器 VSC 通过直流线路及其电容连接而成的,对它进行准确而有效的建模具有很重要的意义。1.3 本文主要研究内容新型高压直流输电系统是快速高度控制的，直流系统工作的正常与否取决于控制器的性能。在新型高压直流输电系统中，其控制系统一般包括有基本控制和附加控制。电力系统是一个开放、复杂的系统，它具有结构上多层，空间上高维及运动方式上层间交互作用的特点。随着系统运行方式和运行点的改变，同一系统的参数也会发生变化；此外电力系统中还含有大量未建模动态部分。因此，无论是理论研究还是实际的运行控制，都难以用到十分精确的模型。本文侧重于研究采用了新型换流变压器的新型高压直流输电系统的控制性能及运行特性。进行控制系统的设计，首先介绍 VSC-HVDC 的研究背景、工作原理； 然后分析电压源换流器的稳态功率特性，并建立 VSC-HVDC 稳态模型；再确立 VSC-HVDC 控制策略；最后利用 MATLAB 建立仿真模型并分析仿真结果，验证所建立仿新型高压直流输电系统仿真研究第 4 页 共 38 页真模型和控