摘 要

本文借助PSCAD软件对常规高压直流输电系统CIGRE模型进行了仿真和分析，主要包括以下内容：直流输电的历史、发展概况、直流输电的原理和模型分析。并且对高压直流输电与高压交流输电进行了比较，阐述了各自的优缺点。详细介绍了常规高压直流输电系统组成部分和重要元件，分析了高压直流输电系统的控制策略，重点研究了高压直流输电系统的数学模型及其响应特性。除此之外，在仿真过程中对高压直流输电系统设置逆变侧三相短路故障，测试验证所搭建的直流输电系统模型的合理性，并分析其静态特性 ，通过该研究更加深入了解常规高压直流输电的原理。

关键词：高压直流输电；PSCAD；CUGRE模型；仿真分析

abstract

In this paper, the CIGRE model of conventional HVDC transmission system is simulated and analyzed by using PSCAD software, which mainly includes the following contents: HVDC transmission history, development overview, principle and model analysis of HVDC transmission. And compared the HVDC transmission with high-voltage AC transmission, and described their advantages and disadvantages. The components and important components of the conventional HVDC transmission system are introduced in detail. The control strategy of the HVDC transmission system is analyzed. The mathematical model and response characteristics of the HVDC transmission system are mainly studied. In addition, three-phase short-circuit faults on the inverter side are provided to the HVDC power transmission system during the simulation process. The test verifies the rationality of the established HVDC transmission system model, and analyzes its static characteristics. Through this research, it further understands the conventional high voltage. The principle of DC transmission.

Key words: HVDC transmission; PSCAD; CUGRE model; simulation analysis

目录

摘 要 I

abstract II

第1章 绪论 1

1.1高压直流输电的简介 1

1.1.1高压直流输电的基本概念 1

1.1.2高压直流输电基本分类 1

1.2 高压直流输电的发展史 7

1.2.1世界高压直流输电的发展 7

1.2.2我国高压直流输电的发展 7

1.3高压直流输电技术的主要特点 8

1.4高压直流输电的优缺点及适用场合 9

1.4.1高压直流输电系统的优势 9

1.4.2高压直流输电系统的缺点 10

1.4.3适用场合 10

1.5高压直流输电的发展趋势 10

第2 章直流输电系统的基本原理 12

2.1常规高压直流输电系统（HVDC系统）简介 12

2.2直流输电系统的主要设备 12

2.2.1换流器 13

2.2.2换流变压器 13

2.2.3平波电抗器 14

2.2.4谐波滤波器 14

2.2.5无功补偿装置 14

2.2.6直流输电线路 14

2.2.7接地极 15

2.3本章小结 15

第3 章直流输电控制系统的数学模型和控制策略 16

3.1高压直流输电系统的可控分析 16

3.2直流输电控制系统的控制需求 16

3.3直流输电控制系统的分层结构 17

3.4直流输电系统主控制级控制功能 18

3.5直流输电系极控制级控制功能 18

3.5.1直流输电系统调制功能 19

3.5.2低压限流环节（VDCOL） 19

3.5.3电流偏差控制器 20

3.5.4定电流控制器 20

3.5.5定电压控制 21

3.5.6定关断角控制 21

3.6直流输电系统阀组控制级的控制功能 22

3.7本章小结 22

第4章 CIGRE HVDC模型与仿真分析 23

4.1CIGRE HVDC模型建立 23

4.1.1输电线路参数 23

4.1.2整流环节简介 24

4.1.3逆变环节简介 24

4.2CIGRE系统控制结构及其控制策略分析 25

4.3仿真及其静态特性分析 26

4.3.1逆变侧单相接地故障 26

4.3.2逆变侧两相短路故障 27

4.3.3逆变侧两相接地短路 29

4.3.4逆变侧三相短路故障 30

4.4本章小结 31

第5章 结论与展望 33

致谢 34

参考文献 35

附录1 35

附录2 37

附录3 38

第1章 绪论

1.1高压直流输电的简介

1.1.1高压直流输电的基本概念

高压直流输电系统由将交流电变换为直流电的整流部分、为直流电提供输电通道的高压直流输电线路部分以及将直流电变换为交流电的逆变部分这三部分组成，从原理上可以认为是进行交直流变换的电力电子换流系统。高压直流输电发展至今，大部分高压直流输电体系的换流器（整流器和逆变器）都由半控型晶闸管元器件组成，不过随着电力电子技术的发展，换流器也不再局限于由半控型晶闸管构成，使用全控型电力电子器件的柔性直流输电技术取得了重大突破^[1]。最简单的高压直流输电系统就由两个换流站和一条直流输电线路构成，两个换流站两侧分别连接着交流系统，中间的直流输电系统起着连接两个系统同时阻断相互影响的作用。高压直流输电技术已经成为目前电力电子技术在电力系统应用里最复杂最全面最广泛的技术，也称为了一门关于电力电子技术应用的专门学科，对电力系统的发展具有巨大影响。

1.1.2高压直流输电基本分类

高压直流输电分类方式多种多样，根据换相方式不同可以分为电网换相和器件换相，根据交直流系统的连接关系可以分为交直流并联连接方式和交直流叠加输电方式，根据端子数目的不同可以分为两端直流输电和多端直流输电，这里主要根据端子数目进行分类介绍。

1.两端直流输电系统

两端直流输电系统是最为结构简单的直流输电系统，在现代直流输电中被广泛运用，换流器的数目是两个，一个是用作整流的整流器，另外一个是用作逆变的逆变器。一个完整的两端直流输电工程需要配备两个换流器、直流输电线路、接地极、接地引线和控制保护装置，有了这些才能保证输电系统正常运行。

两端直流输电系统是一个笼统的分类，还可以根据直流输电线的数目将其细分为三类，只有一条直流输电线的是单极性直流输电系统，有两条直流输电线的是双极性直流输电系统，没有直流输电线路的是背靠背直流输电系统。

1）单极性直流输电

单极联络线的基本机构如图1.1所示，通常采用负积性导线作为传输导线，而回流方式又可以分为大地或海水回流方式和导体回流方式

图1.1a单极性大地或者海水回流方式结构图

图1.1b单极性导体回流方式结构图

大地或者海水回流方式指的是使用一根输电导线和大地或者海水构成直流输电线路的单极回路，这种输电方式的输电线路可以是架空线也可以是电缆线，而回流方式则是通过两端换流站接地让电流流经大地或者海水。很明显这种直流输电方式可以大大降低输电线路造价，但是这种运行方式并不是完美的，也存在着一系列的问题。比如它对接地极的材料、设置方式要求比较高，并且流经大地或者海水的电流会造成通信线路干扰、地下铺设物腐蚀和电磁干扰等影响和危害。直流输电发展至今，工程上并没有大地回流的实际案例，而海水回流则经常在一些穿越海峡输送电力的工程中应用。

导体回流方式是利用两根导线构成直流输电线路的单极回路，其中的一根导线输送电能，作为正极或者负极输电线，另外一根则通过接地作为回流线路，作用和大地或者海水回流方式中的大地或者海水的作用一样。但是可以预见是，这种输电方式并不是很经济，所以在工程中并不能够广泛应用，只用于过渡性的阶段建设。在直流输电工程可分阶段投资和建设过程中，导体回流方式可以作为双极性输电建设中的一个阶段运行，我国采用这种方式的输电工程有西南水域电力外送的特高压直流输电工程，国外有日本北海道-本州联网工程。

2）双极性直流输电

双极性输电系统就是直流输电系统拥有两条直流输电线路，可想而知这样可以大大提高系统的输电容量，该输电方式又可以根据中性点接地方式分成三类，两端中性点都接地的为中性点两端接地系统，只有一端中性点接地的是中性点单端接地系统，两端中性点通过导线相连后接地的是中性线接地系统。

（1）中性点两端接地方式，如图1.2所示为中性点两端接地方式的结构图。在种输电方式下，整流侧和逆变侧的中性点都通过接地极将系统与大地或者海水相连，这种双极性直流输电方式可以看作是两个以大地或者海水回流方式的单极性直流输电系统。当中性点两端接地的直流输电系统对称运行时，两条输电导线的输送电流大小相等、方向相反，可实际运行电流却很小；而当系统一极出现故障退出运行时，另外正常的一极仍然可以继续运行，并且这一极的输送容量保持不变^[2]。因此，这种方式可以大大提高直流输电的可靠性，所以目前绝大多数建设和运行的直流输电工程就是使用这种双极性两端中性点接地方式，可是这类方式也存在一些值得关注和有待解决的问题，当系统正常运行时，中性线是存在一定电流流通的，这就会对中性点附近的变压器、通信及地下铺设设备造成影响^[3]。

图1.2中性点两端接地方式结构图

（2）中性点单端接地方式，如图1.3所示为中性点单端接地方式的结构图。这种输电方式只将整流侧或者逆变侧一端的中性点经过接地极接地，这种接地方式可以有效的避免两端接地方式中出现的不平衡电流，也就可以大大减少单极故障时造成的电磁干扰^[4]。但是这种运行方式又会带来可靠性问题，当一极发生故障时，整个系统都必须停止运行。这种情况在英法海峡联网的Cross Channel工程中就出现过，后来为了不荒废整条输电线路就建设了电缆中性线，通过这种方法来让该工程实现单极运行，虽然代价不行，但比重新建设一条直流输电线路廉价得多。

图1.3中性点单端接地方结构图

（3）中性线接地方式，如图1.4所示为中性线方式接线的结构图，这种接地方式可以在中性线的任何一处接线，例如可以在靠近整流侧一处或者靠近逆变侧一处接地，也可以两换流站都接地后通过中性线相接。这种接地方式是为了减小单极故障时流过大地或者海水的电流，从而达到降低设计容量的目的，除此之外还有在系统正常运行时减少不平衡电流造成的电磁干扰的作用^[5]。有优点也就有一些代价，这种方式也有一个最大的不实用缺点，那就是造价昂贵，多一条输电线路确实会大大提高建设成本。虽然造价很高，但是有时候花费高还是值得的，有许多输电工程还是使用了这种接线方式，例如加拿大温哥华输电工程和纪伊水道工程。

图1.4中性线接地系统结构图

3）背靠背（BTB）直流输电系统

背靠背直流输电方式，如图1.5所示为背靠背直流输电方式接线的结构图。为了更好的分析这种输电方式，可以把它进行分解，把这种输电方式看做是两组换流器通过平波电抗器反并联而成的，因此这个输电方式就被叫做背靠背输电方式。使用该方式的直流输电工程并没有直流输电线路，所以两组换流器设置在了一起，它的优点是具有快速潮流反转功能，能够十分便捷的控制交流系统的功率和频率，我国鲁西直流输电工程就是使用了这种方式。

图1.5背靠背直流输电方式结构图

2.多端直流输电系统

在直流输电工程中，当输电系统连接的位于不同地区的换流器是两个以上时，就可以被叫做多段直流输电系统。多端直流输电系统又可以根据换流器的不同连接方式分两类，其中换流器并联的被称为并联多端直流输电系统，换流器串联的被称为串联多端直流输电系统^[6]。

并联多端直流输电方式，如图1.6所示是并联多端直流输电方式的结构图。在这种运行方式下，直流输电系统换流器的连接方式是并联，根据并联电路的特点，各个换流器具有相同的直流电压，并联方式又可以根据线路不同的接法细分为树枝式（放射式）和环网式两种，但是目前工程中只使用放射式，环网式还没有在工程上得到应用。并联多端直流输电系统的传输功率式可以通过直流电流来进行控制，至于功率反转就没这么简单了，它需要改变换流器的连接方式，工程中用断路器来进行控制。

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