毕业论文课题相关文献综述
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直流输电系统的建模与仿真 一、 课题背景及意义 高压直流输电（HVDC），是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。 与交流输电相比，HVDC具有非同步联络能力强，线路输送容量大、造价低、网损小、调节速度、功率容易控制等优点，而且，直流输电不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大容量送电。在远距离大功率输电、海底电缆送电2个交流系统之间的非同步联络等方面得到广泛应用。 高压直流输电技术起步在20世纪50年代，而突破性的发展却在80年代。随着晶闸管技术的发展和现代电网发展的需要，80年代，全世界共建成了30项直流输电工程，直流输电在电网中发挥了重要作用。在这期间，建设了背靠背工程14项；建设了输送距离长达1700km的扎伊尔英加沙巴工程；建成了电压等级为600kV的巴西伊泰普水电站送出工程。直流输电的控制保护技术得到进一步的发展和完善。迈入90年代以后，随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，使得高压直流输电技术日益完善，可靠性得到提高。 中国高压直流输电技术的研究和发展也是从20世纪80年代末取得突飞猛进的提高，目前已投入10个直流输电工程，包括舟山、葛南、天广、三常等工程。为实现西气东送的战略规划，中国正在推进660kV、800kV、1000kV特高压HDVC工程的建设。德阳-宝鸡500kV直流输电工程为四川电网与西北电网的联网工程。直流输电成为我国电网的重要组成部分，随着三峡工程的兴建，在2010-2020年之间我国形成以三峡电站为中心的全国统一电网，我国也将陆续兴建一批直流输电工程，直流输电技术得到广泛发展。 二、HVDC的原理 HVDC自1954年诞生以来，其基本的工作原理变化不大，如图1所示的简单两端 图1、HVDC输电基本原理 HVDC输电系统包括两个换流站、直流输电线路及两端交流系统Ⅰ和Ⅱ。当系统Ⅰ向系统Ⅱ送电时，换流站1运行于整流状态，把系统Ⅰ送来的撒俺想交流电变换成直流电，经直流线路送到换流站2。换流站2则运行于逆变状态，把直流电变换为三相交流电送入系统Ⅱ。直流输电线路不传输无功功率，但是基于晶闸管的整流器和变换器在进行换流时，均需一定量的无功功率。 HVDC系统由整流站、逆变站和HVDC线路等组成（如图2），主要设备有： 图2、高压输电直流系统结构图 （1） 换流变压器。将送端交流系统电压变为整流桥所需要的电压，以及将逆器输出的电压变为受端交流系统所需要的电压。 （2） 换流器。由晶闸管或绝缘栅极型功率管（IGBT）等开关元件组成，用作整流或逆变。 （3） 交流滤波器。交流侧滤波器一般装在换流变压器的交流侧母线上。对单桥用单调谐滤波器吸收5、7次谐波，用高通滤波器吸收高次谐波，对双桥用11、13次谐波滤波器及高通滤波器。 （4） 无功补偿。通常由静电电容器（包括滤波器电容）、静止无功补偿器供给，为直流线路提供无功补偿。 （5） 直流平波电抗器。减小直流电压，电流的波动，受扰时抑制直流电流的上升速度。 无论是整流器还是逆变器，适当控制延迟角α和逆变器的触发越前角β便可以得到各种电压-电流特性。HVDC系统中可以通过调节α和β来控制线路上的电压、电流和传输的功率。 三、 国内外研究现状 电力系统正常运行对电力网来说是很重要的。电力系统稳定性的破坏，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统的瓦解，后果很严重。因此，保持电力系统稳定性并研究怎样使其安全可靠运行具有重要意义。 直流输电的迅猛发展对工程的前期研究,性能评价,以及接入直流工程以后的交直流互联电网的安全稳定都提出了新的要求。目前来说,工程上主要依靠电力系统仿真技术完成上述研究工作。 电力系统仿真就是通过建立适当的物理模型来模拟实际电路的一种研究方法,随着电力系统的不断扩大和网络化,实际电力网络拓扑系统变得越来越复杂,而这时候掌握高效的模拟仿真方法变得越来越重要。 目前,直流输电的仿真技术主要有五个类型: l)动模实物仿真技术; 2)数模混合物理仿真技术; 3)基于电磁暂态仿真程序的离线数字仿真技术; 4)基于RTDs和HyPer-s而等大型计算机的实时数字仿真技术; 5)基于综合稳定程序或者PsD的大电网数字仿真技术。 1、动模实物仿真技术 动模实物仿真技术是根据相似原理建立起来的电力系统物理模拟,它把实际电力系统的各个部分按照相似条件设计,建造并组成一个电力系统模型,它包括模拟发电机、模拟变压器、模拟线路、负荷模拟、控制保护系统及新设备接口等,并使用此种模型代替实际系统进行各种正常与故障状态的实验研究,对在电力系统中运行的保护和控制装置的功能和性能进行考核,以确保控制和保护装置在现场可靠运行。随着电力系统的不断发展,特别是网络结构,控制装置的不断引入,动模实物仿真技术由于它本身的建模系统规模的限制,同时设备要求高,已经渐渐不能适应复杂电力系统仿真的需要;特别是数字实时仿真装置的蓬勃发展,已经在很多领域代替了动模实物仿真成为主要仿真手段。在直流输电仿真方面,由于器件的限制,使用动模仿真比较少。一个原因是开关损耗比较大,还有一个原因是模型模拟比较复杂,成本比较高。 2、数模混合物理仿真技术 数模混合物理仿真技术是把数字仿真和实物仿真相结合的一种仿真手段。目前己有的交直流数模混合仿真系统中,数字部分主要用于交流部分的模拟,用超级计算机仿真发电机模型,然后使用专门的功率放大器把电流电压按照一定的比例放大后输送到实物侧;实物部分主要包括一部分交流系统和所有的直流系统,交流系统的线路,变压器,恒阻负载由等效的实物器件模拟,直流系统包括了换流器,换流变压器,交流滤波器,直流滤波器和平波电抗器,以及实际直流控制保护装置。这种仿真技术的好处是,避免了使用最复杂的转动元件,包括发电机,调相机等等,而只使用静态元件比如电容,电感和电阻,使得在比较小的空间内能仿真比较大的电网;同时由于在直流侧全部使用实物器件,特别是使用了和现场完全一致的控制保护装置,数模混合仿真技术可以准确模拟直流输电的动态特性,特别是故障响应特性,它是目前最准确的一种直流输电仿真技术之一。但是数模混合仿真技术也存在着局限性。首先,建模周期长,模型结构复杂,人工量较大;随着计算机技术发展,实物部分相对减少,这个局限性将慢慢消除。其次,数模混合仿真技术投资较大,研究人员无力为了研究某个特殊的课题而建造整个数模混合仿真实验室。 3、电磁暂态离线仿真技术 电磁暂态仿真程序都建立在HermalmDo~el教授提出的电磁暂态时域数字求解方法的基础上。现在比较流行的电磁暂态仿真软件主要有EMTDC,EMTP一RV,ATP一EMTP等等。电磁暂态仿真软件具有建模快、变更电网运行方式灵活等优点,可对系统的多种规划方案和运行方式进行仿真分析,同时由于电磁暂态仿真软件是对电磁暂态和机电暂态同时求解,使得仿真精度大大的提高,特别是对于含有快速的开关器件的直流输电、VSC等等具有机电暂态软件无法比拟的优势。目前为止,电磁暂态软件是进行直流输电前期研究,规划研究的主要工具,特别是EMTDC软件,它是一款专门针对直流输电系统开发的电磁暂态仿真软件,具有很多成熟的直流输电模型和例子,已经成为研究直流输电系统的重要工具。电磁暂态仿真程序也有局限性,缺乏详细控制器模型就是它的重要局限性。目前电磁暂态仿真程序广泛使用的是经典控制方式(整流侧定电流的调节器和逆变侧定关断角调节方式)。这种控制方式只是呈现了直流输电系统最简单的控制方案,而实际的直流输电系统在故障过程中会有特殊的控制行为,比如移相,降压等等,这些特殊的控制行为引起了电磁暂态仿真程序对直流暂态模拟准确性下降(参见第二章详细直流控制保护模型)。目前研究人员希望通过对直流控制系统的理解,在电磁暂态仿真程序中搭建模型来模拟实际控制系统的特殊控制行为,并在一些直流系统仿真中进行过尝试,可是目前还没有出现通用方案的相关文献。 4、大型计算机的实时仿真技术 随着现代计算机技术和信息技术的高速发展,全数字实时仿真技术也随之得到快速发展。全数字实时仿真是指所仿真系统的所有元件均采用数字仿真型,并采用高性能并行计算机(机群系统或共享内存工作站)或专用芯片(DSP)和板卡,通过并行处理技术予以实现,以达到对仿真系统的实时计算。全数字实时仿真的核心技术是高性能并行计算机的采用和并行计算技术,目前在我国应用范围最广的实时仿真装置是RTDS。RTDS是采用电磁暂态仿真软件的全数字实时仿真器,它采用由高速数字信号处理器(DSP)自主开发的专用处理器卡,可以充分利用DSP的硬件资源。RTDS的基本仿真单元称为RACK,每个RACK包括两个通讯卡和多个处理器卡,可以模拟一定规模的电网元件,通过组装RACK能够仿真较大规模电网。它的软件核心是EMTDC程序,图形界面是PSCAD,目前RTDS在国内的数量比较多,一般在国内主要用于继电保护装置的试验和测试工作。但是RTDS也有一些局限性,首先就是为了符合实时仿真的速度需要,RTDS对开关算法进行了一定的简化。而这种简化有可能会对仿真的精确度有一定影口向。同时,RTDS也非常昂贵,一个RACK需要几十万元到上百万元,构建一个RTDS的电网需要很高的成本。 5、基于psD等软件的机电暂态仿真技术 PSD是一款非常著名的机电暂态仿真程序,它的前身是1984年引入我国的BPA程序,经过不断消化吸收、完善更新和推广应用,已成为我国电力系统仿真研究的重要工具之一。PSD的突出优点在于能够对大规模交直流系统进行潮流和机电暂态数字仿真,其仿真计算的收敛性和稳定性都很好,并具有独特的地理接线图、潮流图程序,便于绘制潮流图和直观地观察潮流分布情况。但是基于基波、单相和相量模拟技术的电力系统机电暂态仿真程序不能仿真HVDC和FACTS等电力电子装置的快速暂态特性和MOV等非线性元件引起的波形畸变特性,机电暂态仿真程序对IJVDC和FACTS的模拟采用的是准稳态模型,这难以真实反映其动态特性。 本研究是研究基于Matlab/Simulink环境下，利用PSB针对HVDC系统及其控制器建立详细的模型，并进行HVDC系统的稳态、电流参考值突变等的仿真实验及分析。 Matlab软件包下的Simulink可以仿真线性或非线性系统，并能构造连续时间或离散时间系统。Matlab具有良好的用户界面，只需要从模块库中调用相应的模块进行搭建，然后修改其参数就可以完成系统的建模。 采用结构化和模块化的建模方法，拥有强大计算能力和可视化的仿真环境，能方便地构建系统的仿真模型，并对其稳态及动态性能进行仿真实验。 参考文献 [1] 熊信银. 电力系统工程基础[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2003 [2] 何仰赞 温增银. 电力系统分析（上册）[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005 [2] 何仰赞 温增银. 电力系统分析（下册）[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005 [3]吴天明. 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