摘 要

随着电力电子器件的发展，尤其是可关断器件^[1]（IGBT、GTO等）的性能改进、容量提升和耐压等级提高，基于电压源换流器（VSC）和脉宽调制技术（PWM）的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）在全世界范围内正处于高速发展时期，在分布式发电领域有很大的发展潜力，VSC-HVDC可对无功功率进行动态补偿，为受端系统提供稳定的电压，采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器避免晶闸管换相失败，不仅能有效提高电能质量，还能确保电网安全可靠运行。

首先，本文着重介绍了VSC-HVDC的基本结构和工作原理，并且搭建了两端有源柔性直流输电系统的数学模型，通过控制量与被控制量的约束条件，基于PID控制原理，设计了换流器的控制系统，并在MATLAB/Simlink模块中搭建动态模型，通过分别控制有功功率和无功功率观察动态响应，由于采用PWM控制技术，能够迅速完成对换流站输出电压幅值和相角的连续调节，验证了控制器的有效性。

其次，本文研究了柔性直流输电系统在受到大扰动后的暂态特性，在MATLAB的Simulink模块中搭建暂态模型，并且设置逆变侧交流系统发生各种类型的短路，通过观察柔性直流输电系统的响应特性，验证了VSC-HVDC在受到大扰动后的仍能维持系统稳定性和设计PI控制器的合理性。

关键词：柔性直流输电 电压源换流器 PWM控制 数学建模与仿真 暂态特性

Abstract

With the development of power electronic devices, especially the improvement of the performance of the devices (GTO, IGBT, etc.), the capacity boost and the withstand voltage level are improved. Based on voltage source converter (VSC) and pulse width modulation (PWM) The VSC-HVDC can dynamically compensate the reactive power and provide stability for the end-to-end system, and the VSC-HVDC has a great potential for development in the field of distributed power generation. Of the voltage, the use of GTO, IGBT and other devices can be turned off to avoid the thyristor commutation failure, not only can effectively improve the power quality, but also to ensure safe and reliable operation of the grid.

First of all, this paper introduces the basic structure and working principle of VSC-HVDC, and builds a mathematical model of active flexible DC transmission system at both ends. Through the control of the control system, based on PID control principle, Flow control system, and in the MATLAB / Simlink module to build dynamic model, respectively, by controlling the active power and reactive power observation dynamic response, due to the use of PWM control technology, can quickly complete the output voltage amplitude and phase angle Of the continuous adjustment, verify the effectiveness of the controller.

Secondly, this paper studies the transient characteristics of the flexible HVDC system after the large disturbance, establishes the transient model in the Simulink module of MATLAB, and sets the short circuit of the inverter AC system. By observing the flexible DC transmission system The verification of VSC-HVDC can maintain the stability of the system and the rationality of designing the PI controller after being greatly disturbed.

Key words:VSC-HVDC Voltage source converter PWM control Mathematical modeling and simulation Transient characteristics

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 柔性直流输电发展历史 1

1.2 柔性直流输电技术特点 2

1.3 VSC-HVDC的主要应用场合 3

1.4 柔性直流输电现状 4

1.4.1 VSC-HVDC应用现状 4

1.4.2 VSC-HVDC研究现状 5

1.5 本论文研究内容及主要任务 6

第二章 VSC-HVDC的基本原理和技术特点 7

2.1 电压源型换流器基本特性 7

2.1.1 电压源型换流器基本原理 7

2.1.2 电压源换流器脉宽调制原理 8

2.2 柔性直流输电的结构和原理 9

2.2.1 柔性直流输电系统的基本构成 9

2.3 本章小结 12

第三章 柔性直流输电系统数学模型 13

3.1 VSC-HVDC数学模型简介 13

3.2 柔性直流输电系统动态建模 13

3.2.1 VSC-HVDC系统高频数学模型 14

3.2.2 VSC-HVDC基频动态模型 15

3.3 控制器设计 19

3.3.1 内环电流控制器 20

3.3.2 外环功率控制器 21

3.4 本章小结 22

第四章 基于MATLAB的VSC-HVDC系统仿真 23

4.1 单相接地短路 24

4.2 两相短路 26

4.3 两相接地短路 28

4.4 三相接地短路 29

4.5 有功和无功解耦 30

4.6 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 不足 31

5.3 展望 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1 柔性直流输电发展历史

随着科技的发展，电力传输已经经历了三个阶段：直流输电，交流输电和交直流混合输电。在电力发展初期使用的是直流输电方式，由于当时科技水平的限制，不能对直流电升压，输电距离受到限制，只能进行短距离输电。随着三相交流电动机和变压器的出现，交流电在二十世纪八十年代末开始代替直流电。大功率转换器在20世纪30年代的成功研制，让人们意识到直流输电更适合于进行高电压大容量远距离输电，1954年，世界上第一条传统高压直流输电系统——瑞典和哥特兰之间的海底直流输电电缆——建成以来，直流输电系统在实际应用中越来越广泛，包括代替小电厂向远距离的孤立负荷送电、海岛或者海上钻井平台供电、可再生能源（环保型）的接入电厂、不同交流系统间的非同步互联和电力交易。我国南方电网和华东电网已形成交直流混联的大规模电力系统，由于能源短缺、环境污染和可再生能源的不断开发，建设交直流混合电网是未来电网的发展趋势，HVDC将得到广泛应用。

从换流器演变的角度来看，高压直流输电共经历了三个时期^[5-8]，简要概述如下：

1. 汞弧阀换流时期（1954年-1977年）

汞弧阀单向通电的原理是汞蒸气的电离。1928年，具有栅极控制的汞弧阀成功开发，可同时实现整流和逆变功能。瑞典和哥特兰岛的海底直流输电电缆是世界上第一条工业化直流输电系统，美国太平洋联络线工程（1362km，1440MW，双极±400）是世界上第一个超高压交直流并联输电系统。由于汞电弧阀难以制造,价格昂贵,可靠性低,电弧容易熄灭，阻碍了直流输电的发展进程。

1. 晶闸管阀换流时期（1972年-20世纪90年代）

20世纪70年代，成功研制出了高电压大功率晶闸管，晶闸管制造、实验、运行、维护简单，不会出现逆弧等故障，晶闸管换流阀和微机控制技术提高了直流输电的运行可靠性和稳定性，促进了直流输电的发展。1972年，伊尔河背靠背直流输电工程（300MW，2×80kv）是第一个全部采用晶闸管换流器的直流输电系统，从1977年开始直流输电系统均采用晶闸管换流阀。

1. 全控型器件换流时期（20世纪90年代至今）

由于半控制型器晶闸管，可以控制导通，但不能控制关断。1990年，基于VSC的直流输电概念首先由加拿大McGill大学的Boon-Teck-Ooi等人提出^[2-4]，基于全控型器件的直流输电系统（VSC-HVDC）得到了迅速发展。全控型器件能自关断电流，向无源网络供电，电压和容量不断提升，兼有高频开关特性。ABB公司首先进行了柔性直流输电实验，将这技术称为“HVDC Light”,并作为注册商标，SIEMENS（西门子）公司称之为“HVDC PLUS”，国际权威学术组织——国际大电网会议（CIGRE）和美国电气与电子工程师学会（IEEE），将第三代直流输电技术命名为“电压源换流器高压直流输电”，即VSC-HVDC。2006年5月，由中国电力科学研究院主导的“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”将第三代直流输电技术统一命名为“柔性直流输电”^[9-11]。