摘 要

随着世界能源需求进入高速增长阶段,社会经济的发展与化石能源枯竭及其燃烧所造成的环境污染问题之间的矛盾日益突出,新能源开发的重要性日渐凸显。新能源种类繁多,但这些新能源的开发往往存在一个问题:资源所在地与负荷中心相距甚远,必须进行远距离传输。这就使新能源远距离大容量传输成为人们不得不面对的问题，柔性直流输电技术在这样的背景下应运而生。柔性直流输电就是指基于电压源换流器的高压直流输电，这种输电技术以电压源换流器、脉宽调制（PWM）技术和自关断器件为基础，具有可灵活地控制有功功率和无功功率、不会出现换相失败、可向无源网络供电和易于构成多端直流系统等优点。

柔性直流输电技术的核心问题是其控制系统的设计，目前对于柔直系统的控制策略还没有统一的标准，因此，对柔性直流输电控制系统展开研究具有重要的意义。

本文首先介绍了柔性直流输电的基本原理，对其控制策略进行了研究，然后对柔性直流输电系统进行数学建模，在数学模型坐标变换的基础上，结合系统控制策略进行具体控制系统的设计，在MATLAB/SIMULIN平台上搭建了风机模型和两端柔性直流输电系统模型,将它们并网连接后并入交流电网,并对整个系统进行了仿真分析,观察所采用的控制策略能否保持系统稳定,此外,再对系统施加各种故障,观察系统是否具有暂态稳定性。仿真结果表明，所设计的柔性直流输电控制系统在正常运行状态下能够维持系统稳定，且具有较好的暂态稳定性。

关键词:柔性直流输电系统；控制策略；暂态稳定性；仿真分析

Abstract

As the world's energy demand has entered a stage of rapid growth, the contradiction between the development of social economy and the environmental pollution caused by the exhaustion of fossil energy and its combustion has become increasingly prominent, and the importance of new energy development has become increasingly prominent. There are many kinds of new energy, but there is always a problem in the development of these new energy sources: the resource location is far away from the load center, so it must be transmitted over a long distance. This makes the long-distance and large-capacity transmission of new energy become a problem that people have to face. Flexible HVDC transmission technology comes into being in such a background. Flexible transmission is based on the dc voltage source inverter of high-voltage direct current transmission, the transmission technology for voltage source inverter, pulse width modulation (PWM) technique and the shutoff device as the foundation, has the flexible control of active power and reactive power, there will be no commutation failure, can supply power to passive network and easy to constitute the multi-terminal dc system, etc.

The core problem of HVDC technology is the design of its control system. At present, there is no unified standard for the control strategy of the flexible dc system. Therefore, it is of great significance to study the HVDC control system.

This article first introduces the basic principle of flexible HVDC, the control strategy are studied, and then to mathematical modeling of flexible HVDC system, on the basis of the mathematical model of coordinate transform, combined with the design of the control system of system control strategy, in MATLAB/SIMULIN platform built on both ends of the fan model and flexible HVDC system model, the parallel connection between them into ac power grid, and has carried on the simulation analysis of the whole system, characterize the control strategy can keep the system stable, in addition, to various fault system, observe whether system have transient stability. The simulation results show that the designed HVDC control system can maintain the system stability and has good transient stability under normal operation.

Key Words：flexible DC transmission system; control strategy; transient stability; simulation analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3主要工作及论文结构 2

第2章 柔性直流输电系统的工作原理与数学模型 4

2.1柔性直流输电基本原理 4

2.2柔性直流输电系统的拓扑结构 5

2.2.1 VSC-HVDC系统拓扑 5

2.2.2 VSC-MTDC系统拓扑 6

2.3柔性直流输电系统的控制策略 8

2.4柔性直流输电系统的数学模型 9

第3章 柔性直流输电控制系统设计 12

3.1双闭环解耦控制 12

3.2内部电流环 13

3.3外部有功无功和电压环 13

第4章 仿真分析 16

4.1柔性直流输电系统仿真模型 16

4.2柔性直流输电系统正常运行时仿真结果分析 17

4.3柔性直流输电系统发生短路故障时仿真结果分析 19

4.3.1单相短路 20

4.3.2两相短路 22

4.3.3两相短路接地 23

4.3.4三相短路 25

第5章 结论 28

5.1全文总结 28

5.2工作展望 28

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

自上世纪中叶以来,汞弧阀的快速发展,使得高压直流输电系统(HVDC)在某些情况下变得比高压交流输电更经济,在进行大容量远距离输电时,高压直流输电更具有吸引力。当架空线路长度超过800km时,与交流输电相比较,直流输电变得更具有吸引力。当多个电力系统之间出于系统稳定的考虑而不适合并网或者系统的频率不同时,高压直流输电还能实现这些电力系统间的非同步联网。

高压直流输电具有无感抗,容抗也不起作用,不存在同步问题等优点，一般应用于远距离输电以减小输电过程中的损耗,此外还常用于连接异步的交流电网以及海底电缆输电等场合^[1]。但是,传统的高压直流输电也存在较大的缺陷:1)开关器件为半控型器件,存在开通滞后角和熄弧角,这使得传统的高压直流输电系统需要吸收一定的无功功率,从而需要增加系统的无功补偿设备投入;2)不能向无源网络如孤岛送电;3)传统的高压直流输电系统为电网换向方式,若受端电网不够强时,可能导致换向失败;4)输出的电压电流中谐波含量高,且系统运行时开关损耗大。这些问题限制了高压直流输电的发展。

从20世纪中下叶以来,人们在输电技术方面取得了很大的进步,基于电压源换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC)就是这一时期的重要成果。该输电技术由加拿大学者于20世纪80年代末提出,以电压源换流器（VSC）、脉宽调制技术和全控型开关器件为基础，是一种新型输电技术。与传统的基于电流源换流器的高压直流输电不同,柔性直流输电系统中的换流器为电压源型换流器(VSC),二者间最大的区别在于：前者由半控型开关器件构成桥臂，而后者由全控型器件如IGBT构成桥臂。该输电技术具有很多优点，如可灵活地控制有功功率和无功功率、不会出现换相失败、可向无源网络供电和易于构成多端直流系统等^[2]。其中，可灵活地控制有功功率和无功功率是最重要的优点之一，这决定了柔直系统可以对与之联络的交流电网提供无功支撑，有利于维持该交流电网的电压稳定。在未来构建智能电网的进程中，柔性直流输电技术将发挥关键性作用。与传统方式相比,柔性直流输电在向孤岛提供电能、连接多个交流电网、大规模风电场并网等方面非常具有竞争力。综上所述,对柔性直流输电的研究具有非常重要的理论和现实意义。本文就是在这种背景下,对柔性直流输电控制系统进行研究与设计,并对其进行暂态稳定性分析。

1.2国内外研究现状

柔直系统分为两端系统和多端系统，两端柔直系统即由两个换流站构成，多端柔直系统即由三个及以上的换流站组成。目前，人们对多端直流输电（MTDC）赋予了极大的期望，按MTDC的换流方式可将其分为基于晶闸管相控换流技术的多端直流输电（LCC-MTDC）、基于VSC的多端柔性直流输电（VSC-MTDC）和既有晶闸管相控换流器又有VSC的混合型MTDC系统。目前大多数正在运行中的MTDC系统属于LCC-MTDC，例如加拿大魁北克-新英格兰的5端（实际按3端运行）直流输电工程和意大利-科西嘉-撒丁岛3端直流输电工程。与此不同，很少有混合型多端直流输电系统的应用，美国的GBX工程是其中之一，该工程两端为基于晶闸管相控换流技术的换流站，而中间的联络点则为VSC换流站。