高压直流输电 课程设计 报告

摘要

HVDc-Vsc系统是一种基于电压型自换相换流器即电压源换流器(vsc)和由PwM 控制的串联

绝缘栅双极晶体管IGBT)或门极可关断晶闸管(GTO)的新型直流输电技术。由于是一种新的技术，与其相关的许多技术问题还没有解决或解决的不够好，特别是换流器拓扑结构和控制策略等方面。

本文首先对高压直流输电技术的发展应用进行了综述，研究了适用于HVDc-Vsc的电压源换流器的基本特点。

其次，分析了电压源换流器的基本原理，对两电平换流器的拓扑结构进行的了详细的分析，并且由两电平换流器基本结构出发，给出了基于两电平换流器多脉波换流器的组成结构。然后分析了多电平换流器的拓扑结构，主要包括二极管钳位式多电平换流器、飞跨电容式多电平换流器及级联式多电平换流器。并且详细讨论了三相三电平换流器的拓扑结构．

再次，对目前应用较为广泛的两电平换流器的正弦SPWM调制策略原理进行了详细的分析，建立了基于开关桥臂函数的两电平换流器数学模型。在此基础上，建立了三电平换流器的正弦sPwM控制策略并且建立了三电平换流器的数学模型．介绍了换流器空间矢量调制策略的基本方法。详细分析了电压合成矢量的空闻调制算法，通过矢量在坐标轴上投影的内在联系，实现了开关矢量快速识别．通过与sPwM算法的比较，证明了空间矢量调制算法的快速性与高效性。

最后采用MA TLab／simulink对各种控制方法进行了仿真，验证了控制算法的正确性，并且建立了基于vSC的直流输电系统的稳态模型，给出了定直流电压和定直流电流控制端控制量与被控制量之间的关系．并且进行了HVDc-Vsc 的系统仿真，获得了较理想的输出波形．

HVDC．VSC的基本原理

轻型直流输电技术(基于电压源换流器的输电技术)，其核心是采用适用于高压大容量输变电的全控型电力电子期间如GTO、IGBT、IGCT等及脉宽调制(PwM)技术的直流输电。目前在HvDc一VSC中应用较多的是可关断器件IGBT，相对于GTO与IGCT，其通断容量小，开关频率高，通断损耗较小，且驱动电路简单。驱动损耗小，使得其在中小容量的HVDc输电应用场合得到越来越广泛的应用．

HVDC系统构成如图所示。换流站的主要设备有换流桥、直流电容器，换流电抗器，交流侧高通滤波器及换流器的控制保护设备等。换流阀由lGBT元件串联组成，每个元件反并联一二极管，起到保护及续流的作用。直流电容器为换流器提供电压支持，减少直流测谐波并为控制潮流储存能量。换流电抗器可以阻断以开关频率为基础的谐波电流．高通滤波器可以减少交流母线电压上的谐波成份。

1．4．2电压源换流器概述

电压源换流器(VsC)可以是整流器，也可以是逆变器。主要由换流桥，换相电容，换流变压器等设备组成．在有些场合，可以不设换流变压器，用换流电抗器取代亦可．换流桥的桥阀由几十乃至数百个有自关断能力的绝缘栅双极晶体管(IGBT或门关断晶体管(GTO)等全控型器件串联组成，以达到所需要的功率额定值，这些器件开关速度快．频率高，且可以工作在无源逆变方式：每个阀都有反

向并联连接的二极管，其是负载向直流侧反馈能量的通道并使负载电流连续。换相电容的作用是为换流器提供电压支持、缓冲桥臂关断时的冲击电流和减少直流侧谐波并储备能量以控制潮流。由于HVDC-VSC的优越性，从1997年3月ABB 公司首次测试成功的安装在瑞典Hellsjon的HVDC-VSC直流工程至今，已有多条HVDC-VSC工程投入商业运行

目前，大多数已经投运的HvDC—vSC工程采用的换流桥均为两电平变换器的结构。其研究重点也在基于两电平vSC的HVDC-vsC系统的控制理论和方法。因此如何改进现有两电平换流器拓扑结构及其相应控制策略来提升HVDC-VSC的传输容量是HVDC-VSC技术研究函需解决的一个重要问题。

近年来。在高压大功率场合，新型的电力电子变换器一多电平变换器受到了越来越多的关注。

所谓多电平变换器的桥臂上有4个或更多个电力电子器件，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合．实现多电平阶梯波输出电压，可以使波形更加接近正弦波。在过去的两电平变换器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串并联方式，这就要求开关期间的开关特性要完全一致。并且需要将多个低压小容量的变换器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，或是在两个交流侧分别采用变压器进行升压降压．这都需要变压器的支持，且可能出现中间环节电流过大，系统效率下降等诸多缺点。因此，人们希望能够通过改进变换器的结构来克服这些缺点。随着以GTO、IGBT为代表的第三代电力电子器件的发展，为多电平变换器的研究和应用提供了必要的物质基础．一般来说，多电平换流器电平数越多，所得到的电平阶梯波越多，从而越接近正弦波，从而抑制谐波分量。但是在实际运用过程中，由于设备的复杂性和控制复杂性的制约，如果能够达到性能指标，并不采用多电平的拓扑结构。多电平结构中研究最多的是三电平变换器，且已在许多工程中得以应用。

目前，电压源换流器的控制主要有消谐波PwM法(SHPwM)、开关频率最优sPwM法(SF0一SPwM)、正弦脉宽调制(SPwM)、空间矢量调制(SvPwM)等。在轻型高压直流输电系统中，运用晟多的是正弦脉宽调制，SPwM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需波形，并通过低通滤波器从高频脉冲调制电平中得到期望的基波电压。使用PwM技术，可以瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功功率与无功功率的独立调节。SvPwM是从工业驱动中交流电机调速中磁通止弦(或磁通轨迹为圆)的思想发展出来的一种数字化技术，它通过Park坐标变换（或称为空间矢量变换)，把三相电压合成一个空间矢量加以处理。相对于SPwM控制方法，SvpwM总谐波畸变少，波形质量高，电压利用率高，控制响应速度快且中点电压易于控制。基于这些特点，SVPWM 在电力电子装置中得到了广泛的应用。

仿真软件Matlab／Simulink介绍

Matlab是一种科学计算软件，是以矩阵为基础的交互式程序计算语言。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且具有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎。

SimuIink是基于框图的仿真平台，Simulink挂接在Matlab环境里，以Matlab 的强大计算功能为基础。以直观的模块图框进行仿真和计算。silnulink提供了各