基于谐波函数分析的±1100kV特高压直流系统的交直流耦合通道研究

论文总字数：26935字

摘 要

为解决我国东西部能源分布，能源需求不均的的现状，具有超远距离，超高等级的输电工程的建设必不可少。因此特高压直流输电在整个电力系统中的重要性和关键性日趋显著，伴随直流输送功率的大幅提升，直流线路的输送距离，输送水平也日益增长。因此对于与特高压输电技术紧密相关的研究,对特高压电网发展极为重要。

本文先是阐述了特高压直流输电的背景和意义以及我国正在建设运营的特高压输电工程，引出本文研究的课题对象（安徽古泉特高压直流输电系统）所运用的LCC-HVDC换流器。

接着介绍了LCC-HVDC系统的基本原理，给出了它的拓扑结构并对LCC-HVDC电路进行建模和仿真，同时利用开关函数的思想推导了是12脉动整流器的ODE方程，并用MATLAB/simulink对其进行了仿真。对比两种模式下的12脉动整流电路的输出电压和电流波形并据此进行了分析。并分析了输出测电压，电流的频率成分。

然后阐述了三相桥式整流电路整流输出的谐波分析，并根据LCC的ODE方程对其进行了谐波函数分析。

关键词：特高压直流输电，LCC-HVDC，simulink仿真,谐波函数分析

Abstract

In order to solve the current situation of energy distribution in the east and west of China and the uneven energy demand, it is essential to build a super-high-level transmission project with ultra-long distance. Therefore, the importance and keyness of UHV DC transmission in the entire power system is becoming more and more obvious. With the substantial increase of DC transmission power, the transmission distance of DC lines and the transmission level are also increasing. Therefore, research closely related to UHV transmission technology is extremely important for the development of UHV power grids.

This paper first expounds the background and significance of UHV DC transmission and the UHV transmission project that is under construction in China, and introduces the LCC-HVDC converter used in the subject of this study (Anhui Guquan UHV DC transmission system).

Then the basic principle of LCC-HVDC system is introduced, its topology is given and the LCC-HVDC circuit is modeled and simulated. At the same time, the ODE equation of 12-pulse rectifier is derived by using the idea of ​​switching function, and MATLAB/simulink is used. It was simulated. The output voltage and current waveforms of the 12-pulse rectifier circuit in the two modes were compared and analyzed accordingly. And the output measured voltage, the frequency component of the current is analyzed.

Then the harmonic analysis of the rectified output of the three-phase bridge rectifier circuit is described, and the harmonic function analysis is carried out according to the ODE equation of LCC.

Keywords: UHV DC transmission, LCC-HVDC, simulink simulation, harmonic function analysis

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………… Ⅱ

第一章 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1背景与意义.........……………………………………………………………1

1.1.1课题的背景......................................................................................1

1.1.2线路换相变压器LCC简介.............................................................2

1.2我国特高压直流输电建设的发展概况………………………......................2

1.3±1100千伏换流站介绍...............................................................................3

1.4 本文声明.......................….....……………………………………………....5

1.5 本章小结 ………………………………….....………….............................5

第二章 线路换相变换器HVDC（LCC-HVDC） ....……......……………………..7

2.1 LCC-HVDC电路简介 …………………………………......…........................7

2.2 12脉动整流电路的建模与仿真…………………………….....…………….8

2.2.1 工作原理...............................................................................................8

2.2.2 12脉波整流电路的仿真...................................................................10

2.2.3 基于开关函数的12脉波整流电路的仿真........................................14

2.2.4 12脉波整流电路输出侧频率分析.....................................................21

2.3十二脉动换流器整流器暂态过程分析..........................................................23

2.3.1整流器数学模型...................................................................................23

2.3.1整流器工况类型...................................................................................24

2.4 LCC等效电路..................................................................................................26

2.5 本章小结.........................................................................................................28

第三章 LCC的谐波函数分析.......................................................................................29

3.1 LCC的谐波函数分析.......................................................................................29

3.2抑制措施..........................................................................................................31

3.2.1串联滤波器...........................................................................................31

3.2.2并行旁路滤波器...................................................................................32

3.3本章小结..........................................................................................................32

第四章 ±1100kV特高压直流阻抗及故障分析.........................................................34

4.1特高压直流系统阻抗及故障分析..................................................................34

4.2本章小结..........................................................................................................36

第五章 总结 ………………………………………………………………………..37

1. 绪论

1.1背景与意义

1.1.1课题的背景

作为我国同时也是全球第一条电压等级达到正负1100千伏超大型高压输电线路，新疆昌吉-安徽古泉的这条特高压直流输电工程意义显著，它标志着我国在电力系统研究与建设方面具有超高的水准。其本身拥有着多项纪录：1输送距离最长（全长3300多公里，从新疆昌吉开始，途径甘肃、宁夏、陕西、河南等多个省份，直至安徽古泉）2.总投资最高，达400多亿元，3.技术水平最先进，在输送容量和电压等级方面，它是目前世界之最。4.供应需求最大，该工程建设完成后：预计未来每年能向中东部送电约660亿千瓦时，可以满足5000万中国家庭的用电需求。5.经济效益最大：作为我国对新疆地区能源开发与传输的第二条特高压输送线路。它统合了新疆地区丰富的电力生产系统（火力发电、风力发电、太阳能发电），不仅降低了各部分能源系统单独传输的能源损耗，还提高了电能的稳定性，节约了不少能源，有效的缓解了我国东西部能源分布不均，能源需求差距大的情况。不仅为中东部发达地区的经济发展提供了强有力的支撑，同时也给新疆和线路上的其它地区的发展带来了机遇。不仅如此，随着能源利用系统统筹化程度的提高，能源利用率低中小型发电产业，逐渐被取代和统一管理。这样带来的另一个效益就是提高能源利用率的同时也大大减少了污染，在环境保护方面也有着不可忽视的作用。

昌吉至古泉输电工程是国家电网在特高压输电领域迈出的新的一步，为我国在超高压直流输电建设方面增加了浓重的一笔。为世界在能源传输方面带来强有力的实际领导。使得世界电网技术的发展史上达到了一个新的高度，在当今全球能源产业交流日益频繁，日益相关联的情况下，昌吉至古泉的超高压直流输电工程有着良好的推进作用。

我们将±800kV（或±750kV）及以上电压等级的直流输电及相关技术统称为特高压直流输电（UHVDC）系统。特高压直流输电具有下面几个优点是：与交流输电相比其传输距离更长，能够输送的容量也更大、电压等级高，在电力系统联网运行的建设中具有重大意义，因为它可用于非同步运行。直流特高压输电系统组成成分有五个部分，分别是：送端交流系统、受端交流系统和中间部分的整流站、直流输电线路和逆变站。与交流输电相比，高压直流输电具有（直流电的特征）无感抗、容抗，且不存在同步问题，适用于大功率远距离传输电能等优点。在直流电发明初期，能够应用的只有低压直流输电线路，适用于高压直流输电的设备或技术并不成熟，加上交流输电技术在远距离传输上损耗低于直流电，所以在很长一段时间内，交流输电发挥着主导地位。而现在随着大功率电力电子器件的成熟和相关直流输电技术的进步，高压直流输电技术逐渐显示出它的优点，特别适合处理我国的高能源需求现状。所以特高压直流输电技术将对我国发展建设的作用不言而喻。

本课题以安徽古泉±1100千伏特高压直流环流站为研究对象，要求就是弄清±1100kV 特高压直流系统的电路的组成部分、相关的技术参数、工作原理和工作特性，然后采用谐波函数分析法建立起交直流侧表现为不同频率特征的能量交换通道阵列。

因为安徽古泉±1100千伏特高压直流环流站采用LCC-HVDC双极接线，以大地为回路，每极双12脉动换流阀。

所以建立的ODE模型为12脉动（LCC-HVDC）。

1.1.2线路换向变换器HVDC（LCC-HVDC）简介

LCC-HVDC也称为经典HVDC，始创于1954年。基于电网换相，是电流源型的直流输电技术。主要元件为晶闸管，只能控制导通时刻，电流反向后关闭，不具有单独控制有功功率和无功功率的能力；不过通过晶闸管的控制可以清除直流线路故障后。虽然在某些方面LCC不如MMC，但现在世界范围内的高压直流输电仍然由LCC-HVDC主导。 它适用于跨越2000公里的距离传输大容量电力。

1.2我国特高压直流输电建设的发展概况

世界上第一条采用汞弧阀进行商业运行的直流输电线路是瑞典在1954年建成投入了一条100kV，20MW的传输线路,它被用于由大陆与岛屿之间送电,由此揭开了全球在特高压直流输电建设方面的篇章。随着IGBT的发明于应用，IGBT逐渐被应用到电压源换流器，还是瑞典，首次zai直流输电工业试验工程使用IGBT型电压源换流器，时间是1997年3月。据统计1954年至2000年之间全世界已投入运行的直流输电项目有63项，其中电缆线路8项，架空线路17项，架空线和电缆混合线路12项，背靠背直流工程26项。

由于我国的工业起步落后于西方国家，加上在发展过程中出现的几次危机导致我国在高压直流输电方面起步较晚。但是在国家和前辈的努力下发展迅速。我国的直流输电工程发展于20世纪80年代，1986年，我国第一个超高压直流输电项目：葛上（葛洲坝——上海）直流输电线路建设完成，运行伊始单极输送容量已达到60万千瓦，取得一些建设性成果,并为我国培养了一批具有相关建设技术和实际操作经验的工程人员，为我国在特高压直流输电领域的发展积累了宝贵的实验资料，打下了良好的基础。随后在1994年,我国第一条电压等级过百万伏的特高压输电研究线段在武汉研究所落户。到了21世纪初,国家电网公司和南方电网公司根据当时电力需求增长的趋势分别提出建设±1000KV级交流和±800KV级直流系统的企划,由此标志我国的特高压输电技术迈入到实验发展阶段（为后来的±800KV，±1000KV直流输电项目的建设奠定了基础）。经过五年的实验与研究，我国终于将±800KV特高压直流输电理论研究应用于现实，2010年七月我国的另一个高压直流输电项目投入运行，即向家坝与上海之间的±800千伏特高压直流输电线路，该工程由我国科研人员自行设置建设完成的。在当时是世界上技术水平最为先进、不论是输送电力容量还是输送距离电压等级（±800kv）都是世界领先的直流输电系统。随着特高压电网和全国能源网的发展以及西部电力资源的进一步开发，我国直流输电电力系统建设还将进一步加快。目前,我国己取得的诸多成就包括：对特高压直流输电过程中需要考虑的线路和装置绝缘性能的处理，暂时过电压，过电流等技术问题的分析预处理。研制出一些具有高性能的特高压主设备,而像断路器、串联电抗器等旁路设备也正在加紧研制中。目前针对特高压直流输电运作过程中可能出现的诸如气候条件，系统故障的影响,我国专门建设具有模拟仿真系统故障能力的了试验基地和仿真中心。“十一五”期间的两条水电站外送线路也都已建设完成。预计到2020年底，中国将新增特高压直流工程15个（主要集中在在华东、华北、华中等多个地区），其中包含特高压输电线路2.6万公里，特高压直流换流站约30余座，输送电力总容量可达9500万千瓦。可以说，我国特高压输电技术的水平已经赶超了西方发达国家，建设能力与模拟理论分析能力世界一流。

1.3±1100千伏换流站介绍

因为本课题的研究对象是安徽古泉±1100千伏特高压直流环流站，所以在这里先对±1100千伏特高压直流系统的电路结构、技术参数进行介绍。

根据已有工程资料表明，当直流输送工程在6000 MW以上时，宜采用双极 12 脉动并联比较合适。对于 ± 1100 kV 工 程，设备电压要求比± 800 kV更高，如果直接采用双极并联的运行方式，就会对阀组电压耐受提出更高要求。因此，± 1100 k V采用双极 12 脉动串联的方式，可以减小设备的电压承受压力，同时增加设备电流承受压力。

吉泉输电工程直流额定电压±1100KV，对应的每极额定电流为5454A，额定输送功率为 12000MW，如果这么高的直流电压全部一点接入 500kV 交流系统，电网难以承受压力，所以将受端分层，分别用两个十二脉动的逆变器接入 500kV/ 1000kV 交流电网。为降低对设备性能的要求，提高整个系统的经济性，通常将高端换流器交流测接入500kV 交流电网，低端换流器交流测接入 1000kV 交流电网。±1100kV 吉泉工程推荐的系统简化接线方式如下图 1-1 所示。

图1-1 ±1100kV 吉泉工程直流主接线简化结构图

整个系统整流侧和逆变侧总共需要 16 台三相双绕组变压器（一个十二脉动需要两个），等效于需要48 台单相变压器 ，为达到额定输送容量，每台变压器需要分担250 MW的有功功率，考虑到变压器的转换效率以及对故障情况的处理，每台单相变压器的容量不低于 541 MVA。

查阅相关文献我了解到这些信息，