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0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日教学单位：电子电气工程系学生学号：20109501S014编号：DQ2012DQ1041目录一、设计正文……………………………………………………………………………………5二、附录1.设计任务书……………………………………………………………………………392.设计中期检查报告……………………………………………………………………413.指导教师指导记录表…………………………………………………………………424.设计结题报告…………………………………………………………………………435.成绩评定及答辩评议表………………………………………………………………456.设计答辩过程记录……………………………………………………………………472交流故障下直流控制系统的仿真分析摘要：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。利用Matlab计算所建直流控制系统的复频域模型的时域响应曲线，并将PSCAD/EMTDC的仿真波形与之相比较，其误差较小，准确度较高，从而验证了本文用以分析交流轻微故障下直流系统的响应特性所建的控制系统复频域数学模型正确性。关键词：直流输电，控制系统，建模，稳态特性3AlternatingFaultofHVDCControlSystemSimulationAnalysisABSTRACT:ThisarticlecontainstheanalysisoftheHVDCcontrolsystem,adescriptionoftheHVDCsystemwithitsbasiccontrol,configurationandthefunctionofallcontrollayer.Anditalsocontainsaparticulardescriptionofdirectcurrentcontrolsystemandthemathematicsmodelingofeverycontroltacheincomplexfrequencydomain。Attheend,IarrivedatthecomplexfrequencydomainmodelofcontrolsystemundertinyfaulthappenedinAVsystemandaccordinglyanalyzedthedynamiccharacteristicsofthecontrolsystemuundertinyfaulthappenedinAVsystem,thenwegotthequantitativerelationshipbetweentriggerangleandthecurrentandvoltageofDCsystem.ItmakesrighttoconsidertheimpactofcontrolsystemwhenestablishthemodulatingmodelofHVDCsystem,accordinglyimprovedtheaccuracyofthemodel.Finally,thearticlecomparedtheresultofMatlabwiththesimulationofPSCAD/EMTDC.ResearchshowsthatthemodelusedtoanalysetheSteadyStateCharacteristicsofhvdccontrolsystemundertinyfaulthappenedinACsystemiscorrect.Keyword:HVDC,Controlsystem,Modeling,SteadyStateCharacteristics4目录1绪论……………………………………………………………………………………………51.1引言……………………………………………………………………………………51.2直流输电的发展及其特点……………………………………………………………51.3直流输电在我国的应用………………………………………………………………61.4直流系统建模的现状…………………………………………………………………81.5本文所做的工作………………………………………………………………………92HVDC控制系统的数学模型及其稳态特性分析……………………………………………102.1直流输电系统的基本控制…………………………………………………………102.2直流输电系统的分层结构…………………………………………………………112.3直流输电主控制级控制功能………………………………………………………122.4直流输电极控级控制功能及稳态特性分析…………………………………………132.5CIGRE标准测试系统稳态特性分析…………………………………………………182.6小结……………………………………………………………………………………253CIGRE直流控制系统仿真分析……………………………………………………………263.1PSCAD/EMTDC仿真软件和MATLAB简介……………………………………263.2仿真验证……………………………………………………………………………263.3小结…………………………………………………………………………………344结论与展望…………………………………………………………………………………35参考文献…………………………………………………………………………………………36致谢……………………………………………………………………………………………3851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。这一问题已经成为电力系统稳定分析和协调控制的瓶颈。因此，对直流系统进行准确有效的建模具有很重要的意义。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。建立直流控制系统的数学模型，分析其稳态特性具有重要的意义。1.2直流输电的发展及其特点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。6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。和交流输电相比，直流输电具有明显的优越性[3~5]：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。5．双极型直流系统可分期建设，先建成单极系统以降低初投资。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。1.3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，虽然我国幅员辽阔，能源资源丰富，但是分布却很不均匀。水力资源的三分之二分布在西南、西北地区，煤矿资源的60%左右集中在“三西”(山西、陕西、内蒙西部)等地区，而我国的电力消费中心却主要集中在中部、东部和南部的沿海地区，其电力消耗超过全国的1/2以上。而且这些地区其中的许多输电线路都超过了等价距离，均适宜采用直流输电。在大电网时代，直流输电不仅成为交流输电的一种有力补充，而且成为电力系统中最具有重要经济和技术意义的环节。自从可控硅晶闸管出7现后，换流站的成本得到了显著降低，与交流输电的等价经济距离越来越短，直流输电方式就此得到了越来越广泛的应用[6]。到2005年，我国已建成5回±500千伏高压直流输电工程。它们分别是：葛洲坝－南桥直流输电工程、天生桥－广东直流输电工程、三峡－常州直流输电工程、三峡－广东直流输电工程和贵州－广东I回直流输电工程，总换流容量达到2400万千瓦，直流线路总长达到4741公里。我国已建成第一个背靠背直流工程－灵宝背靠背换流站，电压120千伏，容量36万千瓦。近几年以来，所有工程的能量可用率都超过80％；特别是三常和三广工程，能量可用率一直在90％以上。单极跳闸次数一般在合同中规定为5次/年或6次/年，每个工程实际发生的次数没有超过合同要求；特别是三常和三广直流工程，在投产的第一年内就达到了合同的要求，这在世界直流输电历史上也属罕见，而且出现的故障都是由于辅助系统问题引起的。随着直流输电技术的日臻完善，直流输电的可靠性指标可望进一步提高。截止到2007年底，我国的直流输电工程已达19个，其中7个为架空线，两个电缆线，一个背靠背。总输送容量达到18360MW，输电线总长达到13970km。使得我国在直流输电线路总长度、输送总容量方面，位居世界第一。特别是2009年12月，南方电网公司28日在广州增城宣布，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。南方电网称，这是世界首个±800千伏