交流故障下直流控制系统的仿真分析

独钓寒江623 · 发表于 2012-10-26 21:45:44

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第一章  目录 1
1.1  引言 1
1.2  直流输电的发展及其特点 2
1.3直流输电在我国的应用 3
1.4  直流系统建模的现状 5
1.5  本文所做的工作 5
第二章  HVDC控制系统的数学模型及其稳态特性分析 6
2.1  直流输电系统的基本控制 7
2.2  直流输电控制系统的分层结构 8
2.3  直流输电主控制级控制功能 9
2.4  直流输电极控级控制功能及稳态特性分析 10
2.5  CIGRE标准测试系统稳态特性分析 15
2.6  小结 22
第三章  CIGRE直流控制系统仿真分析 23
3.1  pscad/EMTDC仿真分析和MATLAB简介 23
3.2  仿真验证 23
3.3  小结 32
第四章  结论与展望 33
参考文献 34
致  谢 36

第一章  目录
1.1  引言
随着我国经济的快速发展，全国装机容量不断增加，2005年全国装机容量突破500GW，2010年全国装机已达950GW，平均每年新增装机90GW左右。这些新增电力装机相对集中在西部大水电基地和大火电基地，与此同时华南、华中、华东和华北等负荷中心的电力需求也不断增加。为满足未来持续增长的电力需求，实现更大范围的资源优化配置，中国南方电网公司和国家电网公司提出了加快建设特高压电网的战略方针。相对于交流输电，直流输电更适合于远距离大功率输电[1]，因此高压/特高压直流输电系统越来越受到人们的关注。
高压直流输电系统是由整流桥和逆变桥通过直流线路连接而成的。对于交流系统中交流线路、变压器、发电机等元件已有准确有效的数学模型，而对于直流系统中包含的换流器等离散开关元件，由于电力系统的庞大性和复杂性以及计算规模和时间的限制，不可能对其采用详细的电磁暂态仿真，采用过于简化、忽略模型本身动态的模型又会使得分析缺乏准确性。这一问题已经成为电力系统稳定分析和协调控制的瓶颈。因此，对直流系统进行准确有效的建模具有很重要的意义。
对于直流系统建模的方法，已经形成了一系列的理论，它们或比较成熟，已经得到了广泛的应用；或比较新颖，还有待于进一步的发展。其中调制理论法具有很大的发展潜力，国内外关于直流系统建模的研究多集中在建立基于调制函数的直流系统频域模型[2]。其中高压直流系统是高度可调节系统，控制系统的触发角指令影响了各阀触发的时刻和导通的时间，因此调制函数与直流控制系统的触发角指令有密切关系。建立直流控制系统的数学模型，分析其稳态特性具有重要的意义。
1.2  直流输电的发展及其特点
60年代可控硅元件的出现，为换流器设备开辟了新的途径，高压直流输电也出现了新的发展前景。从此以后，直流输电进入了大力发展阶段，各国都积极从事直流输电技术的研究和工程建设，使直流输电技术得到了迅速的发展。
世界第一条工业性高压直流输电线路即哥特兰直流输电工程于1954年投入运行，其换流阀为汞弧阀；
1970年，瑞典果特兰岛直流试验工程，第一次采用晶闸管进行换流；
1972年，加拿大的伊尔河背靠背直流输电工程首次采用晶闸管阀；
1997年，世界上第一个轻型直流输电试验工程在瑞典建成。
到2000年为止，世界上已投入运行的直流工程（含汞弧阀）共63项（其中我国5项），其中，背靠背26项，电缆线20项，架空线17项。
和交流输电相比，直流输电具有明显的优越性[3~5]：
1．输电线路造价低
高压直流输电是采用两线制的两极直流输电线路，比高压交流输电的三相三线制输电线路省了一根输电线，节省输电材料1/3，线路电阻上损耗的电能也比交流输电小了1/3。
2．直流输电可实现非同步交流电力系统之间的联网
直流输电时，发电的交流系统和用电的交流系统无需同步运行，两端的交流系统可以按各自的频率和相位运行。
3．调节快速
直流输电采用了电力电子换流装置，可在直流回路中快速且大幅度地调节有功功率或改变潮流的方向，提高了交流系统运行的可靠性。
4．从网络结构上隔断交流故障的传递
电线路中的两极是独立调节和工作的，彼此间并无影响，因此，当一极发生故障时，只须停运故障极，另一极仍可工作，只是输送的电能减少了。
5．双极型直流系统可分期建设，先建成单极系统以降低初投资。
随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，使高压直流输电技术也日趋完善，直流输电的建设费用和运行能耗也不断下降，可靠性也逐步提高，直流输电越来越显示出它的重要性，目前在大功率远距离输电、海底电缆和交流系统间异步联接等方面都得到了广泛的应用。
1.3直流输电在我国的应用
我国关于直流输电技术的研究工作在50年代开始起步，但是发展曲折并且缓慢，而且从设计、运行及制造等方面来看，与世界先进水平还有相当大的差距。目前我国电网正处于高速发展的时期，已经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段，虽然我国幅员辽阔，能源资源丰富，但是分布却很不均匀。水力资源的三分之二分布在西南、西北地区，煤矿资源的60%左右集中在“三西”(山西、陕西、内蒙西部)等地区，而我国的电力消费中心却主要集中在中部、东部和南部的沿海地区，其电力消耗超过全国的1/2以上。而且这些地区其中的许多输电线路都超过了等价距离，均适宜采用直流输电。在大电网时代，直流输电不仅成为交流输电的一种有力补充，而且成为电力系统中最具有重要经济和技术意义的环节。自从可控硅晶闸管出现后，换流站的成本得到了显著降低，与交流输电的等价经济距离越来越短，直流输电方式就此得到了越来越广泛的应用[6]。
到2005年，我国已建成5回±500千伏高压直流输电工程。它们分别是：葛洲坝－南桥直流输电工程、天生桥－广东直流输电工程、三峡－常州直流输电工程、三峡－广东直流输电工程和贵州－广东I回直流输电工程，总换流容量达到2400万千瓦，直流线路总长达到4741公里。我国已建成第一个背靠背直流工程－灵宝背靠背换流站，电压120千伏，容量36万千瓦。近几年以来，所有工程的能量可用率都超过80％；特别是三常和三广工程，能量可用率一直在90％以上。单极跳闸次数一般在合同中规定为5次/年或6次/年，每个工程实际发生的次数没有超过合同要求；特别是三常和三广直流工程，在投产的第一年内就达到了合同的要求，这在世界直流输电历史上也属罕见，而且出现的故障都是由于辅助系统问题引起的。随着直流输电技术的日臻完善，直流输电的可靠性指标可望进一步提高。
截止到2007年底，我国的直流输电工程已达19个，其中7个为架空线，两个电缆线，一个背靠背。总输送容量达到18360MW，输电线总长达到13970km。使得我国在直流输电线路总长度、输送总容量方面，位居世界第一。
特别是2009年12月，南方电网公司28日在广州增城宣布，云南至广州±800千伏特高压直流输电工程成功完成单极投产。南方电网称，这是世界首个±800千伏特高压直流输电工程。云广特高压直流输电工程线路全长1373千米，跨越云南、广西、广东三省区，当天保送容量达到260万千瓦。在2010年双极投产后，保送容量达到500万千瓦。据引见，相应于±500千伏超高压直流线路，云广±800千伏高压直流输电工程的保送能力加强了一倍，同时线路损耗降低40%左右，大大进步了电力的使用效率。
2010年7月8日，向家坝—上海±800kV特高压直流输电示范工程投入运行，这是世界上输送容量最大、输电距离最远、技术水平最先进、电压等级最高的直流输电工程。该工程由我国自主研发、设计和建设，是我国能源领域取得的世界级创新成果，代表了当今世界高压直流输电技术的最高水平。该工程西起四川宜宾复龙换流站，东至上海奉贤换流站，途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、江苏、浙江、上海等8个省市，四次跨越长江，输送距离达1907km，铁塔共计3939基，额定输送容量640万千瓦（最大输送能力700万千瓦）。
2011年2月28日，400万千瓦来自宁夏东部的清洁电能，通过1300多公里长的宁东直流输电线路输入山东电网，标志着国家电网公司又一项重要的跨区电网直流输电工程--宁东-山东±660千伏直流输电工程全部建成投运。宁东直流输电工程是世界上第一个±660千伏电压等级直流输电工程，是国家“西电东送”的重点电网建设项目、山东省实施“外电入鲁”战略的标志性工程，是西北电网向华北电网送电的重要通道。宁东直流输电工程的建成投运，实现了将西北地区黄河上游的水电和宁东的火电打捆直送山东的梦想，输送电量相当于在山东新建7台60万千瓦机组。随着宁东直流输电工程全部建成投运，将更好地发挥电网配置能源资源的网络功能，实现能源资源优化配置，促进科学合理的能源综合运输体系的建立，缓解煤炭运输压力，节约燃煤，减少二氧化碳等温室气体排放。
这些工程的建设为我国“西电东送”及缓解沿海发达地区电力紧缺矛盾做出了巨大贡献。
HVDC输电技术的发展，加速了我国区域电网互联和全国联网的进程。今后我国的电网将主要分为三大块，即北部电网(北通道)、中部电网(中通道)和南部电网(南通道)。今后联网主要采用超高压直流（HVDC）或超高压交流(HVAC)实现互联。根据高压输电在我国的发展形式可以发现，高压直流输电在我国长距离大容量输电和电网互联中发挥着重要作用，发展前景十分乐观[7,8]。直流输电技术也成为了国内电力科研工作者研究的重要方向。
1.4  直流系统建模的现状
直流系统的建模重点在于换流器的建模，文献[9]中提到换流器的传统建模方法主要有2种：拓扑建模法和输出建模法。前者所建模型的复杂程度将随开关数的增加呈指数增长，且不易形成模型统一的表达式；后者所建立的模型较为简单，通常将装置等效为一个电流源或电压源外接阻抗，这种建模方法由于忽略了装置的内部信息，因此，不利于内部特征的分析。
文献[10]中提到换流器的准稳态数学模型是对换流器的一种近似数学描述，可用来分析直流输电系统稳态对称条件下的动态过程，但由于忽略了换流器开关电路的稳态特性，所以不能对不对称故障情况下，换流母线电压不对称时的谐波特性等问题进行研究，这时就需要更加准确的模型来进行分析。
文献[11,12]中提到PSCAD/EMTDC中采用了换流器的详细模型，可对换流器的稳态特性进行较精确的数值仿真。通常根据所研究的问题采用不同的模型，如在分析HVDC直流侧谐波时，使用三脉动模型。现在也有新的模型出现，如基于采样数据的换流器模型，此模型考虑了换流器开关电路的稳态特性，更适用于高频稳态特性分析。
用于换流器研究的调制理论，是一种新的建模方法，国内外关于直流系统建模的研究多集中在建立基于调制函数的直流系统频域模型，它把换流器看成连接直流系统和交流系统的调制开关电路，用Fourier级数表示的开关函数表示换流器的非线性行为，该函数的作用可以类比为电阻元件的电阻值或电感元件的电感值，它描述了非线性元件，即换流器的输入、输出变量之间的关系[13]。

1.5  本文所做的工作
由于没有得到实际运行的高压直流输电(HVDC)系统数据，因此本文仿真计算的模型是基于国际大电网协会CIGRE直流联络线研究委员会HVDC系统控制工作组提出的第一个用于HVDC控制研究的标准测试模型。CIGRE 直流输电标准测试系统相对其它一些实际系统来说接线上相对简单，但是可以反映HVDC控制研究中主要问题，而且也具有代表性。所用的仿真软件是PSCAD/EMTDC，计算软件是Matlab。
在此基础上做了大量的工作:
1. 对直流输电控制系统进行细致的研究，阐述了直流输电系统的基本控制手段、分层结构、及各控制级层的功能及运行特性，并建立了复频域内极控级各控制环节的数学模型。
2. 然后以CIGRE直流输电标准测试系统为模型，对直流控制系统进行了详细的描述，得出了交流故障下控制系统的复频域数学模型，用以研究交流轻微故障时相应的控制系统触发角指令的变化。
3. 接着PSCAD/EMTDC的仿真数据代入所建数学模型，用Matlab计算并绘出响应特性曲线，PSCAD/EMTDC的仿真相对照，得出的波形基本一致，这说明本文所建模型是正确的。
结合前面的分析，提出了本文的结论以及尚需继续研究的工作。

第二章  HVDC控制系统的数学模型及其稳态特性分析
高压直流输电系统尽管很复杂，但响应速度快、控制灵活，在远距离、大容量输电方面具有不可替代的优势。其优势的发挥取决于HVDC控制系统的设计，控制系统决定了整个HVDC输电系统的运行特性。
常规HVDC控制系统的核心部分采用PID控制，可满足各种运行工况下的控制要求。目前也在研究很多新型的控制方式，如:变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等[17,18]，这些控制系统理论上可实现更精确和快速的控制，对系统的适应性更强，但可靠性和实用性却远比不上传统的PID控制，大多数只处于理论和实验室研究阶段，在HVDC输电工程上鲜有应用。
2.1  直流输电系统的基本控制
根据直流输电的基本原理，可以得到两端直流输电系统的等效电路，如图2-l所示。
从整流侧流向逆变侧的直流电流为：
                                                   （2-1）
上式中和分别是整流侧和逆变侧的触发控制角，和分别对应整流侧和逆变侧换流变压器的阀侧空载电压。由图2-1和方程（2-l）可以看出，不管是直流电压还是直流电流都决定于、、和 4个量，因此上述4个量是直流输电系统的控制量，且除此之外没有其他的量可以作为控制量。因此直流输电的基本控制手段就是控制上述4个量以满足直流输电系统的各种运行要求。

图2-1  直流输电系统等效电路
在上述4个控制量中，和具有极快的响应速度，通常在l~4ms之内；和可以通过调节换流变压器的分接头来加以调节，但其响应速度与触发控制角相比要怪得多，通常换流变压器每调节1档需要5~10s。因此在交流系统或直流系统发生故障的暂态过程中，直流输电系统能够发挥作用的控制量只有整流侧和逆变侧的触发控制角和，换流变压器的分接头调节在暂态过程中可以认为不起作用。
由于直流输电系统的快速控制量只有触发控制角，因此对于两端直流输电系统，控制的自由度只有2个，显然能被控制的变量也只有 2个，不可能有更多的变量能够被控制。通常要求直流输电系统按照某种功率指令运行，因此最直接的控制模式就是定功率控制，为了达到定功率控制的要求，最简单的做法就是一侧控制直流电压恒定，另一侧控制直流电流恒定。由于整流运行和逆变运行各自的特点不同，通常将控制直流电流恒定的任务放在整流侧，而将控制直流电压恒定的任务放在逆变侧。因此理想条件下整流器的运行特性是一条垂直线，逆变器的运行特性是一条水平线，如图2-2所示。

图2-2  直流输电系统的理想运行特性
2.2  直流输电控制系统的分层结构
现代HVDC输电控制系统一般分为六个层次[19~22]，从高层次到低层次分别为:系统控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级、单独控制级和换流阀控制级(阀组控制极)[20]。直流输电控制系统的分层结构框图如图2-3所示。
通常情况下控制系统可以被简化为3个层次，第1层次称为主控制级（或双极控制级），第2层次称为极控制级，第3层次称为阀组控制级。主控制级通常接收来自调度中心的直流输送功率指令（），经过控制运算以后发送一个直流电流指令（）给极控制级，极控制级经过控制运算以后发送一个触发角指令（）给各个阀组控制单元。各控制级的基本功能如图2-3所示，具体的直流输电系统可能包含某些或全部上述功能。为了低层控制能够跟踪高层控制的指令，使整个控制系统能够平稳运行，直流输电控制系统的3个层次在响应时间上有较大差别，控制的层次越高，响应速度越慢。例如第1层次做功率阶跃变化时的响应时间一般在100ms左右，而第3层次触发角指令变化的响应时间只需要l~4ms。

图2-3  直流输电控制系统的分层结构
2.3  直流输电主控制级控制功能

图2-4  直流输电主控制级控制功能框图
直流输电主控制级的控制功能框图如图2-4所示。主控制级的控制功能通常包含3个模块，第1个模块接收调度中心发来的输送功率指令（），第2个模块是功率调制和快速功率变化控制，第3个模块计算直流电流指令值，即期望的直流电流值，电流控制的期望值从第3个模块被传送到极控级。
2.4  直流输电极控级控制功能及稳态特性分析
在直流输电的极控级中，整流侧通常配备有带限制的定电流控制器；逆变侧通常配备有定电压控制器、定电流控制器和定角控制器，另外还配备有电流偏差控制器（Current Error Controller，CEC）。在定电流控制器中，电流整定值通常来自于依电压限电流指令值环节（Voltage Dependent Current Order Limiter VDCOL，简称为低压限流环节）的输出再加上电流调制控制器的输出。极控级的功能框图如图2-6所示。

图2-6  极控级的功能框图

上述各种控制器控制的目标是使直流输电系统按照某种指定的特性曲线运行。直流输电系统整流站出口典型的静态直流电压—直流电流特性曲线如图2-7所示。在额定运行状态下，直流输电系统的运行点是X，它是整流侧定电流控制特性与逆变侧定电压控制特性和逆变侧定角控制特性3条特性曲线的交点。如果整流侧交流电压有一定下降而逆变侧交流电压保持正常的话，则运行点移动到Y，它是整流侧限制特性与逆变侧定电流控制特性的交点。如果逆变侧交流电压有一定下降而整流侧交流电压保持正常的话，运行点移动到Z，它是整流侧定电流控制特性与逆变侧定角控制特性的交点。

图2-7  直流输电系统的典型特性（量测点为整流站出口）
2.4.1  低压限流环节
低压限流环节（VDCOL）的任务是在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制。它的作用主要表现在如下几个方面：
 减小换相失败发生的可能性；
 降低直流功率同时减少对交流系统无功的需求；
 在系统故障时帮助维持交流电压；
 帮助直流系统在交流或直流故障后的快速恢复；
 避免连续换相失败引起的阀应力。
根据设计的不同，VDCOL特性可能涉及检测交流换相电压或直流电压。由交流电压起动的VDCOL特性在交流电压跌落时可以限制无功的消耗，但可能在直流故障时没有什么效果。而根据直流电压起动的VDCOL特性在直流故障和交流电压跌落时都可以有较好的效果。因此长距离直流输电工程大多采用接直流电压起动的VDCOL特性。两种不同起动电压的VDCOL稳态特性如图2-8所示。
为了使经VDCOL限制后的电流指令值为平稳变化的，VDCOL的投入和退出都设置有不同的时间常数。通常投入时（对应电压下降）的时间常数比退出时（对应电压上升）的时间常数小。对于整流器，VDCOL投入时的典型时间常数为10ms，退出时的典型时间常数为40ms。对于逆变器，VDCOL投入时的典型时间常数为10ms，退出时的典型时间常数为70ms。典型VDCOL模型如图 2-9所示。在图 2-9中，根据直流电压是上升还是下降，T取不同的值，是复合电阻，用于确定VDCOL的起动电压是由直流线路上哪一点的直流电压决定的。


a)                                        b)
图2-8  两种不同起动电压的VDCOL稳态特性
a)VDCOL类型1    b)VDCOL类型2

图2-9  典型的VDCOL模型
VDCOL稳态特性中各转折点的坐标以及VDCOL投入和退出的时间常数需要通过系统分析确定。系统分析应研究系统在一系列故障扰动和低电压情况下的运行特性。直流输电系统两端VDCOL特性的协调配合对改善直流输电系统在交直流系统故障后的恢复特性是非常有效的。
VDCOL环节的复频域控制方程为：
                                          (2-2)
                     （2-3）
                                             （2-4）
2.4.2  电流偏差控制
电流偏差控制的目的是使逆变侧定角控制和定电流控制之间能够平稳切换。当整流侧已按限制运行时，整流侧已失去对直流电流的控制；这时，直流电流趋向于减小，但实际直流电流的值仍然大于逆变侧的直流电流整定值，假定逆变侧控制选择的结果是定角控制器起作用，则当逆变器的换相电抗大于整流器的换相电抗时，有可能造成无稳定直流电流运行点的情况。而采用电流偏差控制以后，就可以避免上述情况的发生。电流偏差控制器的原理是当实际电流小于整流侧的电流整定值时提高角的整定值，通常每安培电流偏差提高角。电流偏差控制器的框图和特性曲线分别如图2-10（a）和图2-10（b）所示。

a）                               b）
图2-10  电流偏差控制器
（a）控制框图（b）特性曲线

由图2-10（b）可得电流偏差控制环节复频域控制方程为：
                                          （2-5）
2.4.3  定电流控制器
在极控制功能中，定电流控制器是应用最为广泛的。在整流侧，定电流控制器的输人是电流整定值与实际电流的偏差，由这个偏差驱动PI控制器得到的输出即作为触发角的相关信号。PI控制环节框图如图2-11所示。在逆变侧，定电流控制器的整定值比整流侧小一个电流裕额，因此在正常情况下，实际电流大于逆变侧的电流整定值，使得逆变侧的定电流控制器总是按减小直流电流的方向调节，因此角总被调节到其最大限制值，从而在逆变侧3个控制器输出的选择中定电流控制器的输出总是被排除在外。只有当实际直流电流小于逆变侧的电流整定值时，逆变侧电流控制器的输出才可能在3个控制器输出的选择中被选中。

图2-11  PI控制环节框图

图2-12  定电流控制结构
为了使控制系统的输出不受输入信号中的高次谐波等干扰的影响，并将测量环节的延时一并考虑，在信号输入时加入一惯性环节，因此，定电流控制器的控制框图如图2-12所示。
由图2-12的控制结构，可得定电流控制器的复频域控制方程为：
                                                （2-6）
2.4.4  定电压控制器
定电压控制器的结构与定电流控制器的结构类似，都是PI控制器，其原理框图如图2-13所示。

图2-13  定电压控制器
由图2-13的控制框图，可得定电压控制器的复频域控制方程为：
                                                （2-7）
2.5  CIGRE标准测试系统稳态特性分析
2.5.1  CIGRE直流输电标准测试系统简介
国际大电网会议（CIGRE）直流输电标准测试系统（CIGRE HVDC Benchmark Model）是用于直流输电（HVDC）控制研究的标准系统，便于用各种仿真程序或仿真器在相似的主电路模型上进行不同的直流控制设备和控制策略性能的比较研究，其直流系统主电路结构相当简单，但运行条件比较困难，用它作为研究的基础，可以反映HVDC控制系统的主要问题。
2.5.2  CIGRE控制器稳态特性分析
CIGRE直流输电标准测试系统所采用的控制器属于直流输电控制系统分层结构中的极控制层，主控制层在本测试系统中没有模拟。这里分别介绍此系统中各控制方式、特性及其原理，包括整流站的控制和逆变站控制部分。CIGRE直流输电标准测试系统的基本控制方式是：整流侧由定电流控制和限制两部分组成；逆变侧配有定电流控制和定关断角（）控制，但无定电压控制。此外，整流侧和逆变侧都配有VDCOL控制，逆变侧还配有CEC控制。

图2-14  直流控制器稳态特征曲线
直流输电控制系统的控制输入量除了从主控制层传递下来的整流侧电流整定值信号之外，还有从直流系统测量得到的整流侧直流电流、逆变侧直流电流、逆变侧直流电压，以及逆变侧关断角；直流输电控制系统的控制输出量只有2个，分别为整流侧触发角和逆变侧触发角。此控制系统的稳态特性如图2-14所示。
（一）整流侧控制
换流站控制在直流输电系统中占有很重要的作用，这部分在直流输电中属于极控制级，在整流站通常配备有带限制的定电流控制器，此外还配有低压限流环节控制措施。
1．测量环节  测量环节用来模拟电流和电压的测量过程，测量环节用一个一阶惯性环节来模拟。惯性时间常数T反映测量设备的响应速度，增益G将电流和电压的实际值变换为无量纲的标幺值。本直流系统为单极系统，额定值为直流电压500kV，直流功率1000MW，直流电流2kA。电流和电压测量环节的惯性时间常数分别取为＝0.0012s、＝0.02s，增益G取为＝0.5、＝0.002。测量环节的传递函数为：
2．低压限电流（VDCOL）  本测试系统的控制特性要求基于线路中点的电压值和电流值，为了得到线路中点的电压值，引入补偿电阻（p.u.），再根据逆变侧电流和电压来计算线路中点的电压。

图2-15  VDCOL框图
该环节复频域控制方程为：
                              （2-8）
本测试系统的VDCOL控制框图见图2-15。VDCOL的输出就是整流侧的电流整定值。本系统未设VDCOL投入与退出的时间常数，因此投入与退出都是瞬时完成的。

                                                （2-9）
VDCLOL环节的复频域控制方程为：
                        （2-10）
                                          （2-11）
3．整流侧定电流控制  整流侧定电流控制器采用PI控制，PI控制器的结构如图2-11所示。PI控制器的输出触发超前，它与触发延迟角之间的关系为。整流侧定电流控制器得详细框图如图2-16所示，其中PI控制环节参数为：

图2-16  整流侧定电流控制结构
整流侧定电流控制环节的复频域控制方程为：
                                       （2-12）
（二）逆变侧控制
在直流输电系统的极控制级中，逆变侧通常配备有定电压控制器、定电流控制器和定关断角控制器，另外还配备有电流偏差(CEC)控制器，逆变侧也配备有低压限流器(VDCOL)控制。在CIGRE直流输电标准测试系统中逆变侧配备的控制方式有定电流控制和定关断角控制，但是没有定电压控制。
此外，逆变侧还配有低压限流控制环节(VDCOL)和电流偏差控制(CEC)控制。
1．逆变侧定电流控制  逆变侧定电流控制器也采用PI控制，其输出为触发超前角。逆变侧定电流控制的框图如图2-17所示。其中PI控制环节参数为

图2-17  逆变侧定电流控制结构

逆变侧定电流环节复频域控制方程为：
                                    （2-13）
2．电流偏差控制  电流偏差控制用来在逆变侧定关断角控制和定电流控制之间进行平滑过渡，避免控制方式的不确定与来回摆动。其输入为逆变侧的电流整定值与实际电流的偏差值，输出为定控制的八角增量。在正常工况下本环节不起作用，其特性如图2-10所示。
电流偏差控制环节复频域控制方程为：
                                       （2-14）
3．逆变侧定关断角控制  逆变器设定定关断角控制系统可以起到确保直流系统的安全可靠运行的作用，还可以提高交流侧功率因数以及提高逆变器的利用率。定关断角控制系统要比定电流控制系统复杂，在实际工程中应用的定角控制器有两种类型，一种是预测式定关断角控制，也称为闭环型控制器，另一种是实式定关断角控制，也称为开环型控制器。
本测试系统中，通过将上一个周期从直流系统测得的逆变侧角取最小，作为关断角的测量值。角的整定值为，角的最大偏差限制为。逆变侧定关断角控制的框图如图2-18所示，其中PI控制环节的参数为：

图2-18  逆变侧定控制结构
逆变侧定  控制环节复频域控制方程为：
                                          （2-15）
其输入有三个量，分别是:电流偏差引起的增量、逆变侧角的测量值和最小角的整定值。输出为逆变侧定关断角控制时的角命令。
4．逆变侧的控制模式选择  定电流控制器与定关断角控制器得输出都是角，但在任何时刻两个控制器的输出只有1个被选中。根据逆变器运行的特点．对两个控制器输出的角进行取大选择是合理的，如图2-19所示。根据。从而得到逆变侧触发延迟角。

图2-19  逆变侧控制模式的选择

逆变侧控制模式选择的复频域数学模型
                                                (2-16)
2.5.3  轻微故障下CIGRE直流控制系统稳态特性
由于各个环节的复频域控制方程均已得出，所以在此基础上根据不同运行状态下各控制器的动作情况，可得出给定的运行状态下整个控制系统的复频域控制方程。本文将选取正常稳态运行和交流系统发生轻微故障时（不引起换相失败）两种运行状态列出此控制系统的复频域控制方程。
此时整流侧由定电流控制决定系统的运行电流，逆变侧由定控制决定系统的运行电压，并投入逆变侧电流偏差控制，VDCOL控制不起作用。
2.6  小结
本章对直流输电控制系统进行细致的分析，回顾了直流输电系统的基本控制手段、分层结构及各控制级层的功能及运行特性。其中重点研究了极控级，针对极控级建立了内各控制环节的复频域数学模型。
在此基础上以CIGRE直流输电标准测试系统为模型，建立了交流轻微故障下控制系统的复频域模型。CIGRE采用的控制器属于直流输电控制系统分层中的极控制层，输入量除了从主控制层传递下来的整流侧电流整定值信号之外，还有从直流系统测量得到的整流侧直流电流、逆变侧直流电流、逆变侧直流电压，以及逆变侧关断角，控制输出量只有2个，分别为整流侧触发角和逆变侧触发角。通过对控制系统建模，得到了输电线路直流电压和直流电流与控制系统触发角指令间的定量关系，可用以研究交流轻微故障时相应的控制系统的稳态特性。通过建立复频域内各控制环节的数学模型，并在此基础上得出了交流轻微故障下控制系统的复频域模型，可用以研究交流轻微故障时相应的控制系统的动态特性。

第三章  CIGRE直流控制系统仿真分析
3.1  PSCAD/EMTDC仿真分析和MATLAB简介
以PSCAD/EMTDC（(Power System Computer Aided Design/ Electro-Magnetic Transient Program for DC)程序为软件平台的直流输电数字仿真系统是分析和研究直流输电系统和交直流相互影响等问题的有力工具，在当今国内外电力界得到广泛应用。仿真模型中包含了系统的结构和参数一次主设备的结构和参数，HVDC控制保护系统的结构和参数等，使得复杂的电力系统的建模和仿真变得很简单；利用PSCAD/EMTDC程序的MATLAB接口进行可视化数值计算功能。
Matlab是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据。它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛[22]。Matlab系统由5主要的部分构成:(1) Matlab语言(2) Matlab工作环境(3) Matlab制图系统(4) Matlab的数学的函数库(5) Matlab应用程序接口。
3.2  仿真验证
为了验证所建直流控制系统复频域控制方程的正确性。本文在CIGRE直流输电标准测试系统的基础上，针对正常情况下的稳态运行、整流侧和整流侧交流母线分别发生三相短路、单相接地、两相接地、两相相间短路八种故障情况下直流系统的稳态特性进行数字仿真验证。
3.2.1  正常稳态运行
（1）整流侧  PSCAD/EMTDC的仿真数据代入第二章所得出的复频域数学模型(2-19)，用Matlab计算并绘出整流侧触发角的波形图3-1a（该图纵坐标表表示弧度，单位是弧度；横坐标表示时间，单位是秒；以下同）所示，PSCAD/EMTDC仿真的放大波形如图3-1b所示。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
（2）逆变侧  同理，PSCAD/EMTDC的仿真数据代入第二章所得出的复频域数学模型(2-20)，用Matlab计算并绘出逆变侧的触发角的波形图3-2a，PSCAD/EMTDC仿真的放大波形如图3-2b所示。通过对比发现，计算波形与
图3-1  正常稳态运行时整流侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
图3-2  正常稳态运行时逆变侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
3.2.2  整流侧交流母线轻微故障
（一）  三相短路故障  故障类型：三相短路故障位置：整流侧交流母线故障时刻：0.3s
（1）整流侧  方法同上，得出整流侧触发角的计算波形图3-3a，仿真的放大波形图3-3b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
图3-3  整流侧交流母线发生三相短路故障时整流侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
（2）逆变侧  方法同上，得出逆变侧的触发角的计算波形图3-4a，的仿真放大波形图3-4b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。

图3-4  整流侧交流母线发生三项短路故障时逆变侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
（二）  单相接地故障  故障类型：单相接地短路故障位置：整流侧交流母线故障时刻：0.3s
（1）整流侧  方法同上，得出整流侧触发角的计算波形图3-5a，仿真的放大波形图3-5b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
（2）逆变侧  方法同上，得出逆变侧的触发角的计算波形图3-6a，的仿真放大波形图3-6b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。

图3-5  整流侧交流母线发生单相接地故障时整流侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
图3-6  整流侧交流母线发生单相接地故障时逆变侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
（三）  两相接地故障  故障类型：两相接地短路故障位置：整流侧交流母线故障时刻：0.3s
（1）整流侧  方法同上，得出整流侧触发角的计算波形图3-7a，仿真的放大波形图3-7b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
图3-7  整流侧交流母线发生两相接地故障时整流侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
（2）逆变侧  方法同上，得出逆变侧的触发角的计算波形图3-8a，的仿真放大波形图3-8b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。

图3-8  整流侧交流母线发生两相接地故障时逆变侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
（四）  两相相间短路故障  故障类型：两相相间短路故障位置：整流侧交流母线故障时刻：0.3s
（1）整流侧  方法同上，得出整流侧触发角的计算波形图3-9a，仿真的放大波形图3-9b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
（2）逆变侧  方法同上，得出逆变侧的触发角的计算波形图3-10a，的仿真放大波形图3-10b。通过对比发现，计算波形与仿真波形基本一致，误差较小，在可接受的范围之内。
图3-9  整流侧交流母线发生两相相间故障时整流侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
图3-10  整流侧交流母线发生两相相间故障时逆变侧触发角波形图
（a)计算波形    （b)仿真波形
3.3  小结
本章主要对第二章得出的控制系统复频域控制方程，分别在正常稳态运行和交流轻微故障状态下进行仿真验证。将两种状态下PSCAD/EMTDC的仿真数据代入所建数学模型，用Matlab计算并绘出响应特性曲线，即整流侧和逆变侧触发角的波形图和PSCAD/EMTDC的仿真所得波形相对照，结果基本一致，从而验证了所得控制系统所建的复频域数学模型是正确的，可以用以分析交流轻微故障下直流系统的稳态特性。

第四章  结论与展望
本文对直流输电控制系统进行细致的分析，回顾了直流输电系统的基本控制手段、分层结构、及各控制级层的功能及运行特性。以CIGRE直流输电标准测试系统为模型，对直流控制系统从整流侧和逆变侧分析了各控制方式的特性原理及组合，建立了复频域内各控制环节的数学模型，以此为基础详细分析了在交流轻微故障下直流控制系统的稳态响应，从而得到了直流控制系统触发角指令与直流电压和电流之间的定量关系，使得建立直流系统调制模型时能够充分考虑直流控制系统的影响，提高所建模型的准确度。
利用Matlab计算所建直流控制系统的复频域模型的时域响应曲线，并将PSCAD/EMTDC的仿真波形与之相比较，其误差较小，准确度较高，从而验证了本文用以分析交流轻微故障下直流系统的响应特性所建的控制系统复频域数学模型正确性。
由于本人的能力、研究条件和时间有限，本文仅对交流系统轻微故障进行了分析。实际上，当交流系统发生严重故障时，为了防止换相失败的发生，不同的直流输电工程采取了各种不同的控制策略，使得直流控制系统的稳态响应有所不同，因此需要继续针对各种控制策略进行深入研究分析。
在以后的学习中我会慢慢改进，争取取得更好的成绩。

参考文献
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IEEE Transactions on Power Systems,Vo1.6, No.2,1991.
[22] 张志涌.精通MATLAB 6.5版.北京:北京航空航天大学出版社,2003。

致  谢

本人的学位论文是在党常亮老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到最终完成，党老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。正是党老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能得以顺利完成。在此，向党老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!
在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的每个同学和老师，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难。
最后要感谢我的家人，谢谢他们的支持和鼓励，特别感谢我的爸爸妈妈，这么多年来他们辛苦了！

redplum · 发表于 2012-10-27 00:41:00

图和公式容易串行

ssshh · 发表于 2012-10-27 13:07:51

没有具体模型图。。呵呵。。排版是个问题

p0o9i8u7 · 发表于 2012-10-31 13:17:06

鼓励一下，非常好

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[原创] 交流故障下直流控制系统的仿真分析

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