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1、一、高压直流输电的简介高压直流输电是电力电子技术的一个重要应用领域，与其他的应用技术相比，实 用化较早，电压与功率等级最高。高压直流输电是指将发电厂发出的交流电通过 换流器转变成直流电（即整流），然后通过输电线路把直流电送入受电端，再把 直流电转变为交流电供给用户使用（即逆变）。相控整流及有源逆变是其理论基 础与核心技术。高压直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点， 是目前解决高电压大容量长距离输电和异步联网的重要手段。二、高压直流输电的特点 与交流输电相比，高压直流输电的优缺点如下： 高压直流输电的优点（1）直流输电架空线路的造价低、损耗小。（2）高压直流输电不存在交流输电的稳
2、定性问题，直流电缆中不存在电容电 流，因此有利于远距离大容量送电（3）高压直流输电可以实现额定频率不同的电网的互联，也可以实现额定频率 相同但非同步运行的电网的互联。（4）采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电。（5）高压直流输电容易进行潮流控制，并且响应速度快、调节精确，操作方便。 而交流线路的潮流控制比较困难（6）高压直流输电工程便于分级分期建设和增容扩建，有利于及早发挥投资效、n益。 高压直流输电的缺点（1）直流输电的换流站比交流变电站设备多、造价高、结构复杂、运行费用高。（2）换流器工作时需要消耗较多的无功，需要进行无功补偿。（3）换流器工作时，在直流侧和交流侧均产生谐波，必须装设
3、谐波装置，使换 流站的造价，占地面积和运行费用大幅度提高（4）直流电流没有电流的过零点，灭弧较难。因此高压直流短路器制造困难， 不能形成直流电网。（5）直流输电利用大地（或海水）为回路会产生一系列技术性问题。如接地极 附近直流电对金属构件的电腐蚀问题，对通信系统干扰等、单极运行时变 压器的直流偏磁而引起的噪声等问题。三、高压直流输电系统的结构和元件（1）换流器。换流器由阀桥和带载抽头切换器的整流变压器构成。阀桥为高压 阀构成的6 脉波或12 脉波的整流器或逆变器。换流器的任务是完成交 直或直交转换。（2）滤波器。换流器在交流和直流两侧均产生谐波，会导致电容器和附近的电 机过热，并且会干扰通信系
4、统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。（3）平波电抗器。平波电抗器电感值很大，在直流输电中有着非常重要的作用： 降低直流线路中的谐波电压和电流。 限制直流线路短路期间的峰值电流。 防止逆变器换向失败。 防止负荷电流不连续。（4）无功功率源。稳态条件下，换流器所消耗的无功功率是传输功率的 50% 左右，在暂态情况下，无功功率的消耗更大。因此，必须在换流器附近提 供无功电流。（5）直流输电线。直流输电线既可以是架空线，也可以是电缆。（6）电极。大多数的直流联络线设计线设计采用大地作为中性导线，与大地相 连接的导体（即电极）需要有较大的表面积，以便使电流密度和表面电压 梯度较小。（7）交流断路器
5、。为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断 路器。四、基本模块化分析换流器 换流器的功能是实现交流直流或直流交流的交换，是直流输电系统的关键设 备。换流器的主要元件是阀桥和换流变压器。换流器作为直流输电最基础的功能 模块，是直流输电得以实现的最根本的条件。在仿真设计中，也是必须以换流器 为中心。在设计 12 脉波换流器时，首先要实现 6 脉动换流器的功能。这里首先 介绍6 脉动换流器。6 脉波换流器分为 6 脉波整流器和 6 脉波逆变器（1）6 脉波换流整流器图16 脉波换流器其实是课本上第二章介绍的三相桥式全控整流电路，电路图如 图 1 。这里以电阻性负载为例，各元件参数均为默认
6、值，只为测试功能。三相交 流电源相电压彼此相差 120 度，线电压彼此相差 60 度，一个周期六个脉波。下 面介绍各个元件的功能三相电源经过变压器到副边经过晶闸管整流成六脉波，其中变压器用的星星 连接，晶闸管模块用的是三相晶闸管构成的集成模块。其中晶闸管的触发角需要 用 Alpha Controller 构成的触发角模块。u0通过书中介绍，触发角a0度时，恰好ac ,所以这里的电压传感器测 量的是a,c两点间的电压。由于实际中线路感抗、变压器漏抗的存在，原边电压 不可避免会出现高次谐波，这里选用二阶低通滤波器，滤去含有的高次谐波，减 少测量误差。之后接入一个由运放构成的过零比较器，接入Alph
7、a Controller的 同步信号输入端。将一个恒压源接入 Alpha Controller 的 Alpha 输入端，通过改变 参数来改变其触发角，将一个阶跃信号接入 Alpha Controller 的使能输入端，保 证其 Alpha Controller 一直工作。下面来测试 6 脉波整流器的功能触发角a=0度时的波形，如图2图2由图2可知，在一个周期内（0.02s）有六个脉波，但是由于本身器件的传 输时延，产生的波形不是完全的正弦信号。触发角a=30度时的波形，如图3图4触发角a=120度时的波形，如图5图5图6图 6 中的幅值 0.0025 接近为 0，与书中所述相符电阻性负载时，a
8、的移相范围为，综合上面几幅图像，可以得到如下结果。（2）6 脉波逆变器逆变器与整流器不同之处在有两点兀触发角a不同。整流器的触发角辽,兀逆变器的触发角a 2.逆变器的直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，极性与晶闸管导通方向一 致,其值大于变流器直流侧的平均电压.6 脉波逆变器的电路图如图 7图7想要改变触发角， 调节 Alpha controller 的 Alpha 输入端，即恒压源的参数 想要在直流侧产生所需的电动势，需要加入了如图的电动势，并使其大于经过变 压器降压的三相电压的幅值。测试6 脉波逆变器的功能，波形如图 8。在一个周期有六个脉波，幅值为负值，满足逆变要求。 在设计好6脉波整
9、流器和6脉波逆变器之后，需要设计12 脉波换流器（3）无反馈 12 脉波整流器 这里首先采用开环方式（无反馈方式），且先设计单极性系统。12 脉波整流器电路图如图 9：图9要想得到12 脉波整流器，需要进行以下步骤：（1）将一个6 脉波的相位不变，将另一个6脉波的相位移相30 度，为后面两 个脉波叠加提供基础。实现的具体步骤：将第二个 6 脉波的变压器变成星 三角连接。这样第二个 6 脉波的变压器变换后的电压信号滞后第一个 6 脉波的变压器变换后的电压信号 30 度，但是这样会使幅值减小到原信号的幅值的丄=0 57735。为了使幅值保持不变，改变星三角的变压器的副 73边与原边之比为原来的二1
10、.732。（2）由于第二个6脉波的相位滞后30 度，所以第二个晶闸管的触发角也要滞 后第一个晶闸管的触发角 30 度。实现的具体步骤：将图中所示的恒流源 幅值升高 30 。（3）要想使两个6脉波信号叠加成12 脉波信号，需要将第一个晶闸管的负极 性输出端口与第二个晶闸管的正极性输出端口相连。完成上述步骤后，测试其功能，波形如图 10：这样可以看到图 10 中上方的波形为两个晶闸管模块整流的各自的电压波形，在一个周期里有6 个脉波，图10 中下面的波形为要求的12脉波整流波形。下面对两个信号彼此间相差t = 0.0217 0.02 = 0.0017s，换算成角度0.00170.02x360=30
11、，满足星三角变换的相移要求。（4）无反馈 12 脉波逆变器在得到12脉波整流器成功之后，仿照相同的步骤，将6脉波逆变器改变成12脉波逆变器。12脉波逆变器如图 12 所示图 12触发角及电动势选用上面已经介绍，这里不再赘述。测试其逆变器功能，得到的波形如图 13所示：（5）采用开环方式下实现的 12 脉波直流输电系统。 这里首先需要将前面实现的 12脉波整流器和 12 脉波逆变器连接在一起，如图 14。图 14 由于此系统连线杂乱，且多为重复部分，因此决定对其进行模块化操作，得 到封装后的电路图如图 15：图 15首先，要想得到双极 HVDC 系统，必须将第一个单级 HVDC 系统的整流模块（
12、逆 变模块）的负极输出端（输入端）接到第二个整流模块的正极输出端（输入端）， 并使其接地。这里的 12 脉波整流模块电路如图 16：EpEZ/YWYY/YVYX/vvnYj-tvtl图 1612脉波逆变模块电路如图 17：EZ3/VYYXYYr/VYYX/rm/rmY/rm图 17 滤波模块在下面介绍参数的时候会介绍，这里首先测试模块化电路实现的输 电功能，如图 18：图 18 通过对比发现传输时电能有所损耗，不过整流、逆变后均为 12 脉波，且经 过传输后，电压变化更加平稳可靠。五、反馈调节控制方式： 直流输电系统的控制调节，是通过改变线路两端换流器的触发角来实现的，它能 执行快速和多种方式
13、的调节，不仅能保证直流输电的各种输送方式，完善直流输 电系统本身的运行特性，还能改善两端交流系统的运行性能。因此，直流输电的 控制调节对整个交直流系统的安全和经济运行具有重要的作用。之前设计中的控 制方式是采用开环控制，不能对输电系统进行实时监控，下面介绍一种可以对输 电系统进行实时监测的反馈控制方式。1. 基本控制原理 本设计采用定电流和定电压作为基本的调节方式。这种方式中，整流器按定 电流调节，其基本原理是把系统实际电流和电流整定值进行比较，当出现偏差时， 通过改变换流器的触发角而使差值消失或减小。逆变器按直流线路末端（或始端） 电压保持一定的方式调节，定电压调节的原理和定电流调节相似，仅
14、反馈量或被 调量改为相应的直流电压。要提高功率因数，必须保证整流器的触发延迟角和逆变器的熄弧角尽可能的 小。为了确保触发前阀上有足够的电压，以及留一些升高整流器电压的裕度来控 制直流功率潮流，整流器有一个最小触发延迟角限制，约为 5 度。对于逆变器， 必须维持一个确定的最小熄弧角以避免换相失败。确保换相完成且有足够的裕度 很重要，因为即使换相己经开始，直流电流和交流电压仍有可能改变，所以必须 要有足够的换相裕度，一般为 15 度左右。2. PI 调节原理PI 是比例、积分的缩写。 比例调节是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差,比例调节会立即 产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调
15、节，减少误差，但过大的比 例会使系统稳定性下降，以至系统不稳定。 积分调节可以使系统消除稳态误差,提高无差度。误差存在,积分调节就进行,直 至无误差,积分调节才停止,输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti, Ti越小,积分调节作用就越强，反之Ti大，则积分调节作用弱。加入积分 调节会使系统动态响应变慢。对于整流侧来说，PI控制器的控制原理为：当电流测量值高于整定值时，PI 控制器动作，使出发延迟角增大，从而减小直流电流使其恢复至整定值；当 电流测量值低于整定值时， PI 调节器动作，使出发延迟角减小，从而增大直流 电流使其恢复至整定值。其传递函数为：1）式（1）中，Kp、K分别为PI调节器的比例系数和积分系数。3. 控制电路（1）电路图设计在 PSIM 仿真电路中，使
