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1、华中科技大学 硕士学位论文 HVDC动态模拟实验系统设计研究 姓名：张雄伟 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：文劲宇 20070606 摘摘 要要 由于我国能源分布与经济发展的不均衡性，使得西电东送和全国联网势在必行。 高压直流输电（HVDC）因为其在电网互联和远距离输电方面的优势，将在西电东送 和全国联网中扮演重要的角色。 通过 HVDC 的快速可控性， 可以提高输电系统的稳定 性，阻尼系统低频振荡，实现远距离、大容量经济输电。 论文综述了高压直流技术性能的优缺点， 指出了 HVDC 在我国的电力系统中的作 用、应用及发展研究现状。结合我国的国情和输电需要，进行了特高压
2、直流输电 （UHVDC）的必要性分析，指明了其将是构成我国更高一级电网的主体。对云广特 高压直流输电工程阀组接线方案和控制特性做了介绍，与常规直流输电工程进行了比 较分析。 论文以研制 HVDC 动模实验装置为目标，重点开展了 HVDC 动态模拟实验系统 的控制策略、主电路和控制保护系统的设计研究。 论文简要介绍了 HVDC 的调控原理和分层控制器设计的方法， 提出了一套综合调 控方案，以 HVDC 动模主电路为原型，基于 EMTDC 对 HVDC 进行了稳态和暂态运 行性能的仿真研究，证明了该调控方案的合理性和可行性。 论文介绍了我校动模实验室现有 HVDC 动模实验系统， 总结了动态模拟的
3、原理和 方法，在现有主电路的基础上，对 HVDC 动模实验系统的功能进行了新的设计，根据 可视化和操控方便的要求，给出了一套完整的控制保护装置实现方案。 关键词： HVDC，UHVDC，动态模拟，数字仿真，控制保护 I ABSTRACT In the past twenty years, the economy of eastern part of China has been developing very fast and demanding more and more electric power supply. But most energy resources of China is
4、 in the western part. According to the plan of State Grid Company, more than 20GW power will transmit from the west to east along more than one thousand kilometers distance, more than 15 High Voltage Directive Current (HVDC) power transmission lines will be constructed in the next years, including U
5、ltra-high HVDC (UHVDC) lines. The HVDC transmission has many advantages, such as high-speed controllability, high capacity power transmission, lower-frequency oscillation damping, and the stability of power system improving. To refer to the development of HVDC, this thesis devotes to setup a HVDC ph
6、ysical experimental system for laboratory purpose. The operation characteristics controlled analysis, physical system design are involved. A general overview of the advantage and disadvantage of HVDC technology in power system is presented. The roles of HVDC transmissions and their applications in p
7、ower grid and their developments are summarized briefly. Due to our national conditions, comparison with traditional HVDC, the application prospect of UHVDC power transmission in transmitting electric power outwards is discussed, and applying UHVDC transmission to construct higher voltage power grid
8、 is claimed. Operating mode of 800kV UHVDC transmission system from Yunnan to Guangdong and its control strategy is expounded. The thesis introduces briefly the regulation theory of HVDC and design principle of the hierarchical structure, and proposes a feasible control scheme. Simulation research o
9、f HVDC line imitating the HVDC physical simulation circuit has been done using EMTDC. The results demonstrate the control scheme proposed in the thesis is valid. At last, it introduces the HVDC physical experimental setup in our laboratory, and summaries the theory and method of physical imitation,
10、and makes a new designation of HVDC physical simulation system. The system could be operated conveniently, with a visible feature. Keyword：HVDC, UHVDC, physical simulation, digital simulation, protection and control II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已
11、经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：
12、 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 绪绪 论论 1.1 引言 随着能源开发、电能传输以及电力系统规模的不断扩大，采用直流输电的必要性 与日俱增。我国电网正处在高速发展时期，目前已经进入大区性电网向全国性互联电 网过渡的阶段。我国地域辽阔，水能、煤炭资源较丰富，油、气资源相对贫乏，发电 能源资源的分布和用电负荷的分布极不均衡。一方面，我国能源资源分布不平衡，水 利资源的2/3以上集中在西南地区，煤炭资源的60集中在“三西”（山西、陕西、内 蒙西部）地区；另一方面，东部沿海和京广铁路沿线以东地区经济发达，用电负荷约 占全国的2/3， 发电能源资源却严重不足。 充分利用这些
13、能源进行发电并且送到用电地 区就需要大容量长距离输电1。 根据交直流输电的定位及送端电网的发展现状等情况，金沙江下游电站和四川水 电的外送均采用直流输电；云南水电外送具体采用何种方式还没有最后的定论，综合 来看直流外送有很强的竞争力2。上述水电外送都具有送电距离远和容量大的特点， 适合采用直流输电技术。而影响煤电外送输电方案的因素很多，煤电外送的具体方式 还有待进一步研究。 目前，我国有关单位和科研机构正在积极研究从国外引进电力以满足我国经济增 长对能源的需求，正在开展前期工作。国家电网公司计划从俄罗斯远东引进水电和从 哈萨克斯坦引进火电；中国南方电网有限责任公司计划从缅甸等国引进电力。从技术
14、 角度出发，从国外引进电力将重点考虑采用直流输电的方式2。 同时，我国沿海岛屿星罗棋布，而其中很大一部分需要通过海底电缆送电。这也 需要采用直流输电技术。 总之，直流输电技术将在我国的电网建设中起到重要作用。对其技术特点和运行 性能的研究，将保证其能为经济的发展提供足量优质的电能。 1 1.2 直流输电技术史回顾 1882年法国物理学家德普勒在电报线路上完成了世界上第一次直流输电实验。受 当时技术条件的限制，直流输电并没有得到进一步的发展。1954 年世界上第一个投 入工业化运行的直流输电工程瑞典本土至Gotland 岛之间的一条20MW、100kV 海底电缆直流输电工程开始投入运行3。直流输
15、电进入汞弧阀换流时期，其在远距离 大容量输电、海底电缆输电和不同频率联网方面显示了其独特的优点，但是由于汞弧 阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较低、运行维护不方便等的原因， 直流输电没有发展普及开来4。 随着电力电子技术和微电子技术的出现和迅速发展，60年代高压大功率可控硅整 流元件的出现，为换流设备提供了新的选择，高压直流输电也出现了新的前景。20世 纪7080年代，直流输电进入了晶闸管阀换流时代。晶闸管换流阀不存在逆弧问题， 而且制造、实验、运行维护和检修都比汞弧阀简单方便。与此同时，微机控制和保护、 光电传输技术、水冷技术和氧化锌避雷器等新技术的发明5，在直流输电方面得到了
16、 广泛的应用，进一步促进了直流输电技术的发展。直流输电技术在大电网互联方面也 展现了更多的优势，传统的纯交流电网向交直流混合电网快速发展3。 晶闸管换流器直流输电系统采用自然换相换流器（PCC）技术，它存在一些固有 的缺陷6： （1） 由于开通滞后角（一般为100150）和熄弧角（一般为150或更大一些）的存 在及波形的非正弦，传统的直流输电要吸收输入直流功率的4060的无功功率， 这需要大量的无功补偿及滤波设备， 而且甩负荷时会出现无功过剩， 可能导致过电压； （2） PCC需要交流电网提供换相电流，即相间短路电流，故受端交流系统需要有 足够的短路容量，否则容易发生换相失败； （3） PCC不能向无源网络（如孤立负荷）输送电能； （4） PCC会消耗大量无功，需要大量的无功补偿和滤波装置。受晶闸管单向导电 性的影
