直流输电系统整流装置设计

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1、西安科技大学高新学院课程设计报告学 院课 程专 业班 级姓 名学 号指导教师日 期课程设计目的课程设计要求课程 设计 注意 事项课程设计内容课程 设计 简要 操作 步骤课程 设计 心得 体会课程设计 评语 及成绩评语成绩指导教师（签名）日期：摘要直流输电是电力系统中近年发展最快的一项新技术，直流输电克服了电感损 耗，只有导线损耗。主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、配电网络的 轻型直流输电等方面。构成现代电力传输系统。直流输电受到广泛的应用与发展。 与直流输电相关的技术，如电力电子、微电子、计算机控制、绝缘新材料、仿真 以及电力系统运行、控制和规划的发展为直流输电开辟了广阔的应用前景。直

2、流输电适应与长距离点对点大功率输电，采用交流输电系统便于向多端输 电。交流与直流输电配合，将是现代电力传输系统的发展趋势。此文在论述直流基本概念、构成、整流及发展主要设备基础上，讨论了直 流输电的基本工作原理、以及整流的应用、直流输电的控制与保护并在 MATLAB 上搭建并仿真了一些直流线路的运行。通过对仿真的不足分析，联系到在实际工 程可能存在的问题。关键词：咼压直流输电;谐波;滤波器;晶闸管;PI控制;目录前言 61.1 高压直流输电控制部分的课题背景 61.2 本课题研究的主要内容及选题的意义 61.3 高压直流输电的构成 61.3.1 高压直流输电的概念 61.3.2 高压直流输电的分

3、类 61.课程设计的目的 72.课程设计的任务与要求 72.1 课程设计的任务 72.2 课程设计要求73 设计方案选择及论证 83.1 方案的比较83.2 三项桥式全控整流电路设计94 下面简单介绍各个元件的作用: 105 高压直流输电原理图及其说明 11总结 14结术语 15参考文献 16前言1.1 高压直流输电控制部分的课题背景随着电力电子技术的发展，高压直流输电变得可行，且得以充分的发挥其各 方面的优点。目前世界上已近有80 项高压直流输电工程投入运行，我国也有10 项高压直流输电工程在国家电力网架中应用，在优化能源配置,保障国家能源安 全和促进国民经济发展中起着重要的作用。随着国家“

4、西电东送、南北互供、全 国联网”战略方针的实施，加快建设以百万伏级交流和 660kV、800kV、 1000kV 级直流系统特高压电网为核心的坚强的电力网架已成为趋势。中国将建 设世界上输送容量最大、输送距离最远的高压直流输电工程。 在高压直流输电 中系统控制尤为重要，它决定着整流与逆变能否正常进行。1.2 本课题研究的主要内容及选题的意义本课题对500kV高压串联12脉波直流单级输电整流部分的PI控制器参数进行 研究，通过不同参数下整流效果的不同来找到最适合的 PI 控制器的参数。选题的意义：高压直流输电要想得到稳定的直流电压控制部分必须要做好，通过 本课题的研究可以找出定电流控制 PI 控

5、制得到合适的触发角，进而得到很好整 流直流电压。1.3 高压直流输电的构成1.3.1 高压直流输电的概念高压直流输电的概念是将发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至 受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流的一种输电方式。主要 应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，具有线路投资少、不存在系 统稳定问题、调节快速、运行可靠等优点。 直流输电系统：主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧 的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等 构成（见图直流输电系统的基本构成）。其中换流站是直流输电系统的核心，它 完成交流和直流之间的变换，

6、前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管）组成三相 桥式整流作为基本单元，称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统， 实现交流变直流直流变交流的功能。到目前为止工程上绝大部分直流输电的由半 控型的晶闸管器件构成。1.3.2 高压直流输电的分类直流输电按输电的极数可分为单极直流输电、双极直流输电、直流多回线输 电和多端直流输电。现在运行的直流输电工程中只有很少的运用了多端直流输电， 但也只限于放射式。直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时， 直流系统可按单极两线运行，但输送功率要减少一半。1.课程设计的目的（1）有利于基础知识的理解（2）有利于逻辑思维的锻炼（3）有利于其他学科的整合

7、（4）有利于治学态度的培养2.课程设计的任务与要求2.1课程设计的任务（1）高压直流输电是将发电厂发出的交流电经整流器变换成直流电输送至受电端。（2）直流输电系统主要有换流站、直流线路、电力滤波器、直流电抗器以及保护控制装置构成。一般用三相桥式整流作为基本单元，实现交-直-交转换功能。（3）直流输电可分为单极直流输电、双极直流输电、直流多回路输电和多端直流输电。2.2课程设计要求（1）随着全国联网、西电东送的步伐加快，用 HVDC 在电力系统更具竞争力和优势。（2）高压直流输电具有明显的经济性。（3）高压直流输电是电力电子技术的一个重要领域，是目前解决长距离输电的重要手段。3 设计方案选择及论

8、证3.1 方案的比较直流输电一般采用双极线路，当换流器有意极退出运行时，直流系统可按单极 两线用行，但输送功率减半。单极高压直流输电又分为一线一地和单极两线的方式，即单极大地回线方式 和单极金属回线方式。直流双极中性点接地方式，线路并联多回输电方式每级都采用多回输电线路 可提高输电的容量、输电可靠性及可用率。Y3.2 三项桥式全控整流电路设计由电力电子器件组成，具有将交流电变为直流电或将直流电变为交流电的 设备统称为换流装置，或称为换流器。其中，工作在将交流电转变为直流电时， 换流器处于整流状态，此时的换流器也称为整流器；工作在将直流电转变为交流 电状态时，换流器处于逆变状态，此时的换流器又称

9、为逆变器。在高压直流输电 系统中换流器通常采用三相桥式全控换流电路作为最基本单元，如图 3 所示，由 于该电路的直流侧整流电压在一个工频周期中具有 6 个波头，所以三相桥式全控 换流电路又称为6 脉动换流器。当两个 6 脉动换流器采用直流端串联、同时交流 端并联方式连接后构成 12脉动换流器。如图 4所示图3三相全控包路图中1-6和1 -6分别代表一组6脉动换流器。现代高压直流输电工程 均采用12 脉动换流器作为基本换流单元。在高压直流输电系统中，换流器不仅 具有整流和逆变的功能，而且整流器还具有开关的功能。通过对整流器实施快速 控制，实现高压直流输电系统的启动和停运。在交、直流输电系统故障以

10、及故障 后的恢复过程中，对整流器的快速控制可有效保护直流输电系统，同时也是交流 电网安全和稳定运行的重要保障。如下图 4 所示图 4 脉动换流器4下面简单介绍各个元件的作用:（1）变压器换流（整流和逆变）变压器向阀桥提供适当的不接地三相电压。由于变压器 阀侧不能接 地运行，直流系统能建立自己的对地参考点，通过将换流器的正端或负端接地。（2）整流器和逆变器在直流输电系统中完成整流和逆变的任务，通常接成三相桥式电路。单桥式 有6 个晶闸管组和而成，其直流电压是脉动的，双桥侧有两个单项桥式构成，其 脉动电压是12 脉动的。3）平波电抗器平波电抗器的电感一般较大，串联在每个极换流的直流输出端与直流线之

11、 间，它们有以下作用：限制直流系统发生事故时直流电流上升率，避免事故的扩 大；抑制直流侧波的谐波分量，减少对邻近高频通道的干扰；防止直流底负荷时 直流间断以及引起过电压现象的出现；抑制线路电容和换流站直流端容性设备通 过换流器的放电电流，以免损坏阀的原件；对于沿直线线路向换流站入侵的过电 压起缓冲作用。（4）谐波滤波器直流输电中的换流器可以看成一个谐波源。脉动数为 p 的换流器，在直流 侧会产生 n=kp 次谐波，而在交流侧产生 n=kp+-1 次谐波。这些谐波会导致电容 器和附近的电机过热，并干扰远动通信系统。装设滤波器可以减少谐波，以降低 旋转电机和电容器的谐波附加损耗，防止局部过热和避免

12、谐波谐振过电压，同时 也降低对音频通道干扰影响。因此，在交流侧和直流侧都有滤波器。（5）无功补偿装置直流线路本身在运行中不需要无功功率，但是两端换流器在运行中会消耗 大量的无功功率。稳态条件下，其所消耗的无功功率是传输有功功率的 4060%； 暂态条件下，无功功率消耗会更大。因此，必须在换流站装设无功补偿设备。换 流站所需的无功功率，一部分有换流站内的交流滤波器中的电容器提供，不足部 分在由无功补偿装置提供。5高压直流输电原理图及其说明高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流 输电线路送往另一换流站逆变成三相交流电的输电方式。从交流系统I向交流 系统II输电时，换流站I

13、把交流系统I送来的三相交流功率变换或直流功率。通 过直流输电线路把直流功率输送到换流站II,再由换流站II将直流功率转换成交 流功率，送人交流系统II。这个过程称作HVDC。HVDC系统主要由两个换流站和直流输电线组成，其中换流站是高压直流输 电系统的核心所在。换流站的主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、 交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备及控制保护设备等。换流器又称换流阕是换流站的关键设备，其功能是实现整流和逆变。目前换 流器多数采用晶闸管可控硅整流管）组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流 桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流或直流变交流的功 能。换流变压器是向

14、换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备。其作用不仅 能实现电压变换，而且可以抑制直流故障电流，削弱交流系统入侵直流系统的过 电压，减少注入交流系统的谐波。平波电抗器是串联在线路中的大型电感，它的作用是防止轻载时直流电流断 续，抑制直流故障电流的快速增加，从而减小继发换相失败的几率;此外还能减 小直流电流纹波;防止直流线路或直流开关站产生的陡波冲击波进入周厅，损害 换流器。滤波器是减小注入交、直流系统谐波的设备。按电源特性可分为有源滤波器 和无源滤波器。无源滤波器按滤波的实现方式又可分为单调谐滤波器、双调谐滤 波器、三调谐滤波器和高通滤波器。无功补偿设备的作用是提供换流器所需要的 无功功率，减

15、小换流器与系统的无功交换。换流站换流的过程中会消耗大量的无 功功率，其中整流器消耗输送直流功率的30%50%;逆变器消耗输送直流功率的 40%60%。设备名称iftffl- - J换流器将交流电转换戒直流电;,电转换成交疣电换流变疑蟹蠶现电压蜜换：协制童紀故障施st 削弱交流系统人便直瀝駁统餉过赳曲 離少注人交就麋统的谐Sb 实现交、克醮臓的电气隔高口平披电抗器防止姪我田舌疵电SE断续抑制五*故障臨攬的换速廉扯笛小 健发换招失败的几郵域小宜流电掘纹皺+防止直咳路或直淡开美站产生的極冲击aat人阀厅*损霑读加注人交、盘就系统闻b波提换换流希所需要的无功功昭血如器身系蜿的无功交矗進址线路传输电能使HTOC亲蜿娈圣退出运卷” 亠 H一 _ PI 控制PI 控制的原理及整定 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分，简称PI控制，又称PI调节。PI控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控