1、i本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的高压直流输电系统的仿真所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要 .IAbstract .II1 引言 .11.1 高压直流输电的发展概况以及特点 .11.2 仿真的定义和分类 .11.3 选题背景 .21.4 论文的主要内容 .32 直流输电系统的基本原理 .32.1 直流输电系统的基本组成 .32.2 换流器的工作原理 .42.2.1 换流器电路的理论分析 .42.2.2 忽略电源电感的电路分析(即 Lc=0).52.2.3 包括电源电感的电路分析(即 Lc0) .92.3 整流和逆变工作方式分析 .132.3
2、.1 整流的工作方式 .132.3.2 逆变的工作方式 .132.4 总结 .163 MATLAB 仿真 .163.1 MATLAB 简介 .163.2 关于换流器的 MATLAB 仿真建模 .173.2.1 单相半波可控整流电路 .183.2.2 单相桥式全控整流电路 .203.2.3 基于 PWM 技术逆变器及其仿真 .233.3 高压直流输电系统的建模仿真 .253.4 高压直流输电系统模型的仿真结果及分析 .283.4.1 稳态仿真与阶跃响应 .283.4.2 直流线路故障时仿真分析 .293.4.3 逆变侧接地故障仿真分析 .313.5 总结 .32参考文献 .34致 谢 .35ii
3、ContentsAbstract.II1 Introduction .11.1 The development of HVDC and its characteristics .11.2 Definition and classification of simulation .11.3 Background .21.4 Main contents of the paper .32 Basic principle of HVDC transmission system.32.1 Basic components of DC transmission system.32.2 Converter o
4、perating principle.42.2.1 Theoretical analysis of converter circuit .42.2.2 Neglect of the power supply inductance of the circuit analysis(i.e.Lc=0).52.2.3 Analysis of including the power circuit inductance (Lc = 0).92.3 Analysis of rectification and inverter mode .132.3.1 Rectifying mode .132.3.2 I
5、nverter mode .132.4 Summary .163 MATLAB Simulation.163.1 MATLAB .163.2 Simulation of converter MATLAB .173.2.1 Single-phase half wave controlled rectifier circuit.183.2.2 Single phase bridge full controlled rectifier circuit.203.2.3 Based PWM inverter and its simulation.233.3 Modeling and Simulation
6、 of HVDC system .253.4 Simulation results and analysis of HVDC power transmission system model .283.4.1 Steady state simulation and step response.283.4.2 Simulation analysis of DC line fault .293.4.3 Simulation and analysis of inverter side ground fault.313.5 Summary .32References .34Acknowledgement
7、.35I基于 MATLAB 的高压直流输电系统的仿真摘要：高压直流输电（HVDC）是具有传输过程中电能损耗量相对较少、电力线路造价成本低、传输稳定性好等优势的利用长距离线路进行大容量输电的一种输电技术。这种输电技术一般被应用在海底电缆输电以及长距离的大容量输电等领域。本篇论文对 HVDC（高压直流输电）系统的概况以及基本结构做了比较系统的论述，并且利用 MATLAB 仿真软件中的 Simulink 模块库对 HVDC 系统进行了建模和系统仿真分析。利用仿真所得到的实验结果我们能够比较准确地观察 HVDC 系统的动态变化特性。关键词：HVDC 系统, MATLAB 仿真, Simulink 模块
8、库IIThe simulation of HVDC transmission system based on MATLAB Abstract High voltage direct current (HVDC) transmission with transmission power loss is relatively small, low power line cost, transmission stability good use long distance line transmission capacity of a transmission technology. The gen
9、eral transmission technology is applied in submarine cable transmission and long distance large capacity transmission etc. This paper overview of HVDC system and the basic structure of do the systematic exposition, and the use of MATLAB simulation software Simulink module library system modeling and
10、 Simulation of a HVDC system is analyzed. The dynamic characteristics of the experimental results obtained by simulation we can accurately observe the HVDC system.Keywords:HVDC system; MATLAB simulation; Simulink module library11 引言1.1 高压直流输电的发展概况以及特点电能是我们在日常生产生活之中必不可少的能源之一。在最开始的阶段我们使用的输电方式是直流输电，但随着
11、时间的推移直流输电已经不能够满足人们对供电的需求，因此出现了交流输电。但是到了如今的世界，交流输电又暴露出了许多缺陷，于是直流输电又重新进入了人们的视野。直流输电技术在发展过程中也面临着许多挑战。在直流输电的过程之中需要设置换流站，但换流站与交流输电过程中设置的变电所相比要更加的复杂，价格也更高。直流输电的过程之中需要安装无功补偿装置以此来补偿换流装置在换流过程中所需要的部分无功功率；其次还要安装滤波器，因为换流装置工作时会产生谐波。当大地和海水等特殊的介质被用来作为直流输电过程中的回路的时候，将会对由金属介质构成的部件造成不同程度的腐蚀，我们需要采取一些必要的保护措施来减少这种状况。当前，电
12、力电子技术正处于快速发展阶段，大功率可控硅材料的价格降低、稳定性提高，直流输电技术不断改善，电力系统之中肯定会更多的用到直流输电技术。直流输电技术的进步与众多科学技术的发展是紧密相关的，目前出现了一些新式的发电技术-太阳能电池发电、燃料电池发电、磁流体发电等，这些发电方式产生的电能都是直流电，因此要通过直流输电的方式进行传输，然后通过逆变器逆变后进入交流系统。在今后的输电过程中一定是直流、交流混合的方式。直流输电技术相对于交流输电技术而言具有以下几点优点：直流输电的过程之中电能的损耗量相对较小；直流输电对通信系统的干扰较小；在输送相同大小的功率的情况下，直流输电线路相比于其他类型的输电线路而言
13、造价成本比较低，输电线路结构也相对更为简单；当系统达到稳定状态时，输电线路之中不会出现电容电流、电抗电压，在输电过程中也不必进行无功补偿；对于两端的交流系统而言他们不必同步运行，直流输电能够使不同频率的交流系统实现非同步互联；交流输电过程中自身存在稳定性的问题，这在直流输电过程中是不存在的，而且电力系统同步运行的稳定性对输送的距离和功率不会造成影响；在直流输电过程中线路功率和线路电流的控制与调节相对容易。直流输电技术的主要应用领域：长距离大容量的输电系统；相同频率或者不同频率的非周期运行的交流系统间的相互连接；利用电缆线路的海底输电；新能源输电领域；利用电缆给大城市输送电能的情况；在交流系统互
14、联等情况下对短路电流进行限制 1。1.2 仿真的定义和分类仿真技术是目前科学领域进行研究的重要手段之一，仿真在我们的日常生活中随处可见。“仿真是指以相似性原理、控制论、信息技术以及有关领域的相关知识作为基础，以计算机和各种专用的物理设备作为工具，利用系统模型对真实系统进行实验研究的一2门综合性技术。仿真的主要用途：优化系统设计，验证系统设计的正确，系统故障再现发现故障原因，对系统或其子系统进行性能评价和分析。仿真的基本步骤：建立系统的数学模型，建立仿真模型，编制仿真程序，调试程序验证模型实验结果分析并确定实验方案。仿真的分类方式有多种，按照实现方式的不同可以分为三种：物理仿真，它是指当在研究一
15、些实体模型的时候，能够使原系统的各种状态得以重现。数学仿真，它是通过数学的语言去描述一个系统，并在计算机上编制相应的程序对真实系统进行探究的过程。混合仿真（数学物理仿真），它相对于前两种仿真有更高的仿真可信度，对于模型难以建立的实体，在研究过程中可以将实体和数学、物理模型结合在一起组成比较复杂的仿真系统，这种在仿真过程中存在实体的仿真就是数学物理仿真。按照仿真时钟与系统实际时钟的关系又可以分为实时仿真、欠实时仿真、超实时仿真。 随着仿真技术的不断发展，仿真技术的应用更加多样化、全面化。现今仿真技术的主要应用领域：军事领域，如武器装备研制、军事训练、先进概念与军事需求分析等；工业领域，由于工业系
16、统的复杂性、大型化，处于安全性、经济性考虑，仿真技术被广泛的应用在工业领域的各个部门；其他领域，如医学仿真 2。”1.3 选题背景1954 年在瑞典由阿西亚公司(ASEA, 今 ABB 集团)建成了第一条属于商业化性质的高压直流输电线路，这条输电线路连接着哥特兰岛和瑞典国家本土，是一条具有重大意义的线路。高压直流输电技术的发展在我国起步较晚。舟山直流输电工程，该工程是我国在 1989 年建成的一项输电工程，它是凭借我国自身的科技与智慧建造的，它是我国能够自主建造大型高压直流输电工程的象征。舟山直流输电工程于 1984 年进行动工，1987 年进入试运行阶段，直到 1989 年它才正式的投入了运
17、行，它的输电线路全长达到 54Km，具体规模为1100 KV, 500 A, 100 MW。嗓泅直流输电工程（从上海到嗓泅岛的直流输电工程）是我国于 2002 年建设完成的，它是一项双极海底电缆直流工程，在整个设计、制造、建设过程中我国都投入了大量的人力物力，该工程位于海底部分的电缆长度为 59.7Km，输电线路全长达 66.2Km，具体规模为双极500 KV,60 MW,600 A。我国在 1989 年从外国引进了第一个高压直流输电工程-葛南高压直流输电系统（它的起点为葛洲坝终点为上海南桥），该工程在 1989 年进入单极运行状态 1990 年双极投入运行。我国的高压直流输电技术在 21 世
18、纪进入了快速发展阶段，依次建成了从天生桥到广州 、从贵州到广东从、从三峡到广东和三峡到常州的多项高压直流输电工程。在当下中国电力网络规模越来越大，电力系统不断完善，因此对仿真技术的要求也相应不断提高。仿真过程面对的是整个大的电力系统而不是简单的几个重要元件，所以仿真技术必须拥有直接仿真模拟大规模电力网络的能力。在我国下一阶段的发展过程中，高压直流输电技术将会成为我国在输电技术领域的龙头，所以必须确保其在输电过程中的稳定性，利用仿真技术对高压直流输电过程进行仿真研究将是我们实现安全稳定输电的重要工具。实时电力系统仿真是目前电力系统研究、规划、设计、调试及运行服务不3可缺少的工具之一。1.4 论文
19、的主要内容本篇论文主要讲述了关于高压直流输电系统的基本结构和建模仿真的过程，主要是通过 MATLAB 仿真工具对系统进行分析并进行建模仿真得出相应的波形。首先对高压直流输电系统在当下的发展概况进行了比较简略的介绍与分析，让我们对 HVDC 系统有一个初步的认识便于我们更好的理解系统稳定的重要性。在论文中介绍了仿真的概念以及意义，仿真是现代科技中非常重要的一种工具，它可以避免我们进行危险性较大或难以实现的实体试验而是通过计算机软件进行相应的仿真分析，大大减小了实验成本与复杂度。第二部分介绍了 HVDC 系统的基本组成，对各个组成部件进行了简单的介绍，其中换流站作为输电系统的重要组成部分，它是系统
20、能够稳定工作的关键所在，这里对换流站的工作原理进行了详细的分析 3。第三部分主要是建模仿真过程。首先对 MATLAB 软件进行了简要的介绍，它作为数学三大软件之一功能非常强大，如果我们能够掌握它的使用将会对我们以后的工作学习生活有很大的帮助。我们利用 MATLAB 软件自带的 Simulink仿真模块库对整流电路和逆变电路进行了相应的仿真，这是难度比较小的仿真过程，但也值得我们注意。接下来我们对 HVDC 系统的基本组成进行了分析然后建立了相应的系统模型，并对不同工作情况下的仿真结果进行了分析，让我们对 HVDC 系统有了更深的认识。2 直流输电系统的基本原理2.1 直流输电系统的基本组成“简
21、单的两端 HVDC(高压直流输电）系统由两端的交流系统、中间部分的直流输电线路和换流站构成，交流系统 1 发出交流电，交流电通过整流站的整流作用之后被转化成了直流电而后在直流输电线路之中进行传输，而后直流电通过逆变站的逆变作用又被转化成了交流电然后传送给交流系统 2，这就是直流输电系统在正常工作情况下的基本运行原理。在上述过程中可以通过对换流站中的换流器的控制来对直流输电过程中直流输电线路两端的直流电压和其中的直流电流进行快速的调节。通常来说，直流电压是通过逆变站来控制的，直流电流（或功率）是通过整流站来控制的，这样便实现了输送功率的可控调节 4。”直流输电系统例图如图 2-1图 2-1 高压
22、直流输电系统4HVDC（高压直流输电）系统的主要构成包括以下部分：整流站、逆变站、直流输电线路、交直流两侧的电力滤波器、换流变压器、平波电抗器、无功功率补偿设备以及一些起保护和控制作用的装置等。整流站的主要作用为在 HVDC（高压直流输电）系统之中将交流侧传送过来的交流电转化成直流电，它对于保证电力系统运行的安全可靠及电能质量也有重要意义。逆变站与整流站主要区别在于它是将直流输电线路中的直流电转化为交流电供给交流系统。逆变站和整流站都属于换流站之一。换流变压器(Converter Transformer) 在通常的情况下是处于交流系统与换流桥之间的位置，它能够将交流母线与换流桥两者连接在一起。
23、换流变压器是换流单元的重要组成部分，它和换流桥共同组成了换流单元的主体。直流输电线路在 HVDC（高压直流输电）系统中的主要功能是稳定的传送直流电作为电能传送的通道，它主要处于整流站与逆变站之间的位置，线路一般较长。直流输电线的分类：架空输电线路，电缆，架空-电缆混合输电线路。平波电抗器一般安装在整流后的直流输电线路中，它的主要功能是减小在整流过程之后所得到的直流电的电压、电流的波动幅度，以尽可能得到理想的直流电。“无功功率补偿装置相当于一个无功电源，为直流输电线路提供其所需要的无功功率。在电力系统之中主要有无功动态式补偿装置与无功静止式补偿装置两种无功补偿设备。无功静止式补偿装置主要包括并联
24、电容器和并联电抗器，无功动态式补偿装置主要是指调相机（同步补偿机)和 SVS5（静止型无功动态补偿装置）。”电力滤波器主要分为无源滤波器和有源滤波器两种不同类型的滤波器。“无源电力滤波器现在被广泛的应用，它是一种非常重要的用来抑制谐波手段，它可以按照人们的意愿来抑制具体次数的谐波，它与电容电感的原理类似。无源滤波设备的成本一般较低，结构简单，但也存在一些缺陷。有源电力滤波器是一种新型的电力电子设备之一，它可以起到动态抑制谐波和补偿无功功率（对大小频率都变化的谐波进行抑制及变化的无功进行补偿）的作用。有源电力滤波器正如它的名称，在它工作过程中需要电源，它克服了某些滤波器的缺点，实现了动态补偿 6
25、。”2.2 换流器的工作原理2.2.1 换流器电路的理论分析高压直流换流器(包括整流和逆变)的结构有很多种（单相全波结构、单相桥式结构、三相半波结构、三相全波结构），但在目前情况下我们常用的是三相全波结构，即 6 脉动换流器。其结构图如图 2-2 所示5图 2-2 三相桥式全波直流换流器原理结构在上图中 Ua 为 A 相交流电压，U b 为 B 相交流电压， Uc 为 C 相交流电压，U a、U b 和Uc 相位依次相差 120 。如果令 Ua=Emsin( +150)，那么 Ub=Emsin( +30),Uc=Em ttsin( -90)。VT1,VT3,VT5 为共阴极阀；VT2,VT4,
26、VT6 为共阳极阀。t2.2.2 忽略电源电感的电路分析(即 Lc=0)为了方便我们在接下来的过程之中进行分析，在这里我们先假设每相电路之中的电感是不存在，即 Lc=0。（一） 无触发延迟（触发角 ）0在没有触发延迟的情况之下，晶闸管一旦承受正向的阳极电压，触发脉冲不会延迟而是立刻作用在门极上。下面我们通过观察图 2-3 来进行分析图 2-3 A,B,C 三相电压VT1、VT3 和 VT5 为共阴极阀，所以和三相线路之中电压最高的那一相线路相连接的晶闸管会处于导通状态，而其余的两个晶闸管处于关断状态。VT4、VT6 和 VT2 为共阳极阀，所以和三相线路之中电压最低的那一相线路相连接的晶闸管处于导通状态，而其余的两个晶闸管处于关断状态。得到结论：我们只需通过分析三相电压之间的关系从
