1、 Southwest university of science and technology * 高压直流输电建模及故障仿真 学院名称 * 专业名称 * 学生姓名 * 学号 * 指导教师 * 二 一五 年六月 西南科技大学本科生毕业论文 I 高压直流输电建模及故障仿真 摘要： 高压直流输电在远距离大功率输电方面有着明显 的优势。研究高压直流输电也有着特殊的意义。 本文较详细 介绍了高压直流输电 （ HVDC） 系统的基本结构和工作原理。首先基于 MATLAB 中自带的电力系统模块库 （ PSB)建立了一典型 12 脉冲桥 HVDC 系统的仿真模型， 然后 利用 MATLAB/Simulink
2、 完成了该系统启停和阶跃的响应和交直流线路对地短路典型故障时的仿真， 最后 得出相应的仿真波形。 并且通过观察波形分析该高压直流输电系统的特点。 关键词： 高压直流输电； MATALAB/Simulink；电力系统模块；仿真 西南科技大学本科生毕业论文 II HVDC modeling and fault simulation Abstract： HVDC power transmission over long distances has a clear advantage.Research also has a special significance.This paper describ
3、es in detail the basic structure and principle of hi- gh voltage direct current transmission (HVDC) systems. Firstly, the power that comes with MATLAB System Blockset (PSB), the simulation model of a typical 12 pulse bridge HVDC system, and then use MATLAB / Simulink completed the start-stop system
4、and step response and AC and DC circuit is shorted to ground typical fault simulation, and finally draw the corr- esponding simulation waveforms. And the characteristics of the high voltage direct current tr- ansmission system by observing the waveform analysis. Key words: HVDC, MATALAB/Simulink, Po
5、wer System Module, Simulation 西南科技大学本科生毕业论文 III 目 录 第 1 章 绪 论 1 1.1 概述 1 1.2 直流输电系统的优缺点 2 1.3 国内外研究近况与发展前景 3 1.3.1 国外直流输电的近几十年状况与发展前景 3 1.3.2 国内直流输电的现状与发展前景 6 1.4 高压直流输电系统中存在的问题 7 1.4.1 直流输电中的谐波问题 7 1.4.2 高压直流断路器的制造 7 1.4.3 大地回流造成的接地体腐蚀及对交流系统的影响 8 1.4.4 直流输电系统电磁环 境对通信系统的影响 8 1.5 本文基本设计内容 9 第 2 章 本文涉
6、及 Matlab/Simulink 基础 . 10 2.1 Matlab 简介 10 2.2 Simulink 的功能与特点 10 2.3 启动与模块介绍 11 第 3 章 高压直流输电 系统 基本结构及原理 13 3.1 HVDC 系统基本结构 13 3.2 HVDC 的建模方法 16 3.3 直流输电系统的基本原理 17 3.3.1 直流输电系统的运行过程 17 3.3.2 直流输电系统的基本控制原理 17 3.3.3 直流输 电系统控制器的结构和参数 19 第 4章 高压直流输电系统的 建模与仿真 25 4.1 高压直流输电系统模型建立 25 4.2 高压直流输电系统仿真 28 西南科技
7、大学本科生毕业论文 IV 4.2.1 高压直流输电系统的起停和阶跃相应仿真 29 4.2.2 高压直流输电系统的直流输电线路故障仿真 32 4.2.3 高压直流输电系统的逆变侧单相对地短路故障仿真 36 4.2.4 高压直流输电系统的逆变侧三相对地短路故障仿真 39 结 论 43 致 谢 44 参考文献 45 西南科技大学本科生毕业论文 1 第 1章 绪 论 1.1 概述 众所周知，为了大规模地开发能源，往往需 要在远离负荷中心处建造大型的水力发电厂、火力发电厂等。因此就需要架设高压或超高压输电线路，以便将强大的电能从发电厂输送到负荷中心。 在电力工业的发展初期，采用的就是直流输电。 1882
8、年，法国物理学家德普勒用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，以 1500-2000伏特电压，沿着 57公里长的电报线路，把电力输送到了在慕尼黑举办的国际展览会上 ,完成了第一次输电试验，这也是有史以来的第一次直流输电试验。此后，直流输电的电压、功率和距离曾分别达到 125千伏， 20兆瓦和 225公里。但是，由于当时高压直流电源是采用 直流发电机串联而得到的，受端电动机也是以串联方式进行的，不但高压大容量直流电机的换向有困难，而且串联的运行方式比较复杂，更加致命的是可靠性还差，因此直流输电在当时没有得到进一步的发展。后来，随着工业的进步和对电力需要的不断增长以及交流电源的出现，特别是发明了高压三
9、相交流发电机和输变电设备，直流输电已经逐渐被高压交流输电所取代。但是，随着输电容量和输送距离的增加，以及电网的不断扩大与复杂化，电力系统稳定就成为突出的问题了。而为了提高远距离输电的容量与稳定度，完全依靠交流输电需要的投资较大，而这时交直流变换技术 取得了突破性进展，这就又让人们重新开始研究高压直流输电技术。 随着西电东 送 战略实施及全国互联电网建设步伐的加快，远距离大容量输电势在必行，但仅靠传统的交流输电难以支撑起整个电网的安全稳定运行。特别是在某些特殊的输电条件下由于交流输电的输电走廊及输送容量的限制不得不采取高压直流输电。所谓高压直流输电（ HVDC），就是利用稳定的直流电具有无感抗，
10、容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离依靠直流方式来送电。输电过程为直流，通常用于非同步运行的交流系统之间的连络、海底电缆输电等方面。直流输电功率 调节迅速、并且无需考虑功角稳定问题，同电压等级的输送容量约为交流线路的两倍 1。 高压 直流输电技术 常被用于通过 架空线 和 海底电缆 远距离输送电能，同时在一些不适于用传统交流 连 接的场合，它也被用于独立 电力系统 间的 连 接。世界上第一条商业化西南科技大学本科生毕业论文 2 的 高压直流输电线路 于 1954 年在 瑞典 诞生，用于连接 瑞典 本土和 哥特 兰岛，当时这项工程由阿 西亚 公司 (ASEA,今 ABB 集团 )
11、完成。 与交流输电相比，高压直流输电 (HVDC)具有非同步联络能力强、线路输送容量大、调节迅速、功率容易控制、网损小等优点 2，特别在海底电缆送电、远距离大功率输电两个交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用 3。 我国继舟山直流输电线路投入运行后，广西天生桥至广州的直流输电工程也正式投入双极送电试运行。目前，中国电力工业的发展已进入跨大区电网互联时期 ,并且正在快速进入全国互联和实现更大范 围内资源配置的重要时期，“西电东送”、“南北互供”工程将构成中国互联电网发展的基本格局 4。而这些都离不开高压直流输电技术的支持。目前，随着三峡工程的兴建，预计在 2020 年之前我国即将形成以三峡
12、电站为中心的全国统一电网，将把现今各孤立的大区电网互联成一个统一的整网 5。 1.2 直流输电系统的优缺点 高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性。历史上仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电。下面先就交流电和直流电的主要优缺点作出比较，从而说明它们各自在应用中的价值。交流电的优点主要 表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能 (水流能，风能 )，化学能 (石油，天然气 )等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极
13、大的方便。这是交流电与直流电相比所具有的独特优势。 直流电的优点主要在输电方面：输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的 2/3 l/2 直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线载面积 相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约 1/3。设两线制直流输电线路输送功率为Pd，则 Pd=2UdId； 设三线制三相交流输电线路所输送的功率为 Pa， Pa= UaIacos。对于超高压线路，功率因数一般较高，可取为 0.945。设直流输电电压等于交流输电电压的最大值，即 Ud=Un，且 Id=Ia，则：如
14、果考虑到趋肤效应和各种损耗 (绝缘材料的介质损耗，磁感应的涡流损耗，架空线的电晕损耗等 )，输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的 1.33 倍。因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半。同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地西南科技大学本科生毕业论文 3 面积也少。在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗。在一些特殊场合，必须用电缆输电。例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆。由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输线路中，空载电容电流极为可观。一
15、条 200kV 的电缆，每千米的电容约为 0.2F，每千米需供给充电功率约 3103kW，在每千米输电线路上， 每年就要耗电 2.6107度 。而在直流输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上。直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行。交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为 50Hz，但实际上常产生波动。这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故。在技术不发达的国家里，交流输
16、电距离一般不超过 300km 而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运行，不需进行同步调整。直流输电发生故障的损失比交流输电小。两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流。因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关。而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速，方便地进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样。因此不必更换两侧原有开关及载流设备。在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的 ，彼此没有影响。所以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另
17、一极仍可输送不少于一半功率的电能。但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电。 1.3 国内外研究近况与发展前景 1.3.1 国外直流输电的近几十年状况与发展前景 早在二十世纪初期，世界上有很多科学家和技术人员，认识到交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制，预见到继续发展直流输电的必要性，继而陆续建设了一些试验性工程。曾采用过闸流管、引燃管和气吹电弧整流器作为交直流变换的换流设备。 1928年瑞典 ASEA 公司成功研制出了高压 大容量汞弧整流器 (汞弧阀 )，这一技术立刻在世界上第一条工业性高压直流输电线路中得到了应用。这条线路连接瑞典本土和哥德兰岛 ，全长 96 公里， 19
18、54 年开始运行，这是一个划时代的事件，它是制造大容量、高电压直流输电的先驱。此后，由于换流技术，特别是半导体可控硅整流装置有了进一步发展，西南科技大学本科生毕业论文 4 从六十年代起 ， 国外高压和超高压直流远距离输电技术有了更大的发展，目前世界上已有多个国家建成了直流输电线路。到 1980 年全世界已投入运行的直流输电工程共有 21项，总容量约在 12600MW 左右。 1960-1975 年间，高压输电容量的年平均 增长率为450MW/年。 1975-1980 年则提高到 1500MW/年 ， 1980 年后更是以超过 1600MW/年的平均速度增长。目前已投入运行的直流架空线路中输送容
19、量较大、距离较长的是非洲的莫桑比克 -南非的卡布拉巴萨工程，其输送容量为 1920MW，长达 1414 公里。而海底电缆线路中较为典型的是欧洲的挪威 -丹麦间的斯卡格拉克工程，长达 130 公里，输送容量为 500MW。而前苏联的耶基巴斯图兹 -欧洲西部中心工程，其输送电压为 750 千伏 ，输送容量为 6000MW，输送距离为 2414 公里，已在 1988 年全部建成投入运行 6。 近些年来世界上很多国家都在积极开展高压直流输电的研究工作 ， 有的国家规划了新的工程项目。 美国 ： 伦诺克斯通用电气公司超高压试验室中的复杂试验设备 ， 过去是为专门研究高压交流输电准备的，现已转到研究高压直
20、流输电方面，其电压高达 1500 千伏。 洛克菲勒大学已经扩大了它的研究范围，其中涉及电场对人类生理学的影响，并集中精力研究有关正离子和负离子密度对于个人和人类行为的影响。 当时美国电力研究委员会投资的主要计划项目 ： （ 1）可控硅阀设计的最佳化；（ 2）规定在直流电站出现干扰的标 准；（ 3）发展直流系统的控制，它将调节在交流线路中的干扰，从而改变系统的稳定度；（ 4）发展新式的微处理机 ， 以监测和控制直流系统；（ 5）设计直流线路断路器；（ 6）发展直流的营业仪表；（ 7）确定直流绝缘电缆的实际电压极限；（ 8）为控制混合的交流 -直流系统准备一个全面的计划。 太平洋岸联络线将电压从直
21、流 400 千伏提高为 500 千伏 ， 容量从 1440MW 提至2000MW。开发为在静态无功伏安发生器用固态开关的可控硅点火技术。在这里所谓的点火就是采用一个超小型激光二极管和光学纤维，用以触发可控硅。它是为高压直 流输电阀的应用而研究的，资金由电力研究委员会提供 7。 加拿大： 1981 年，由美国和加拿大公司发起，研究确定了 5 项新的直流输电计划，因此在北美运行、建造和被考虑的直流输电计划的总数当时已达到 19 项 7。 在美国、加拿大的大学、私人公司和政府机构中的主要试验室，为测量高压直流输电系统的性能而发展新的仪器而投入了大量的资金。 加拿大曼尼托巴水电站的纳尔逊河高压直流输电
22、系统，于 1982 年 8 月第一次将两个整流器和逆变器并联运行试验成功 8，曼尼托巴水电站的并联运行，主要是为了备用西南科技大学本科生毕业论文 5 于在传 输线路发生故障的。当修理故障线路的同时，健全的线路可以传输全部的电力。纳尔逊河的高压直流输电线路，是按多端运行来设计的。多端直流输电，将来可应用于用分接的方法沿线路的不同位置远距离传输大量的电能，但是当时这项技术还并不成熟。 英国、法国：英国中央电力厅和法国电力公司共同筹建了跨越英法海峡的高压直流联络线，送电容量为 2000MW，双方平均负担的投资约 5 亿英磅。电缆由英国中央电力厅负责提供，该国的皮列利 (Pirelli)公司承担生产，
23、该公司已决定投资 1250 万英磅建造一座海底电缆制造厂，已于 1981 年 6 月开始施工，且在 1983 年投产。该厂的关键设备是一台旋转式电缆浸渍容器，这台设备能一次连续生产 50 公里长的 270 千伏铝苞直流电缆。这将是英国唯一能生产跨越英法海峡不需中间接头的海底电缆工厂，技术处于当时世界顶尖水平。 日本：日本电力中央研究所超高压输电委员会，计划进行超高压直流输电的研究。其中包括将现有的交流输电线改为直流输电线和几万兆瓦大容量直流传输线等方面的研究。他们已经开发了一种中央控制设备只为直流多端系统能在稳定而又可靠的状态下运行。有了这种先进的、新的控制设备，就能比较轻松的启动、停止换流
24、站工作或将输送功率反向，而对运行中的其它换流站和线路不会产生任何干扰，它们将继续正常、稳定工作 9。 从以上不完全的资料中可以看出，围绕高压直流输电技术方面展开的工作，无论在计划的项目上、分析的深度上或是投资上，发展的速度确实是惊人的。 既然高压直流输电技术已开始飞速发展，那么，它还存在着什么样需要解决的的问题呢？概括地说，主要问题是没有适用的直流高压断路器和换流器造价高，这对发展直流电网有着不小的影响。但是，目前看来，这些问题并不是不可克服的。 美国通用电气公司高压直流输电系统的 顾问工程师布鲁尔，对高压直流输电的未来是乐观的，他指出：“现在可以采用的技术，包括多端网络的设计，可以满足高压直
25、流系统下一个十年的需要。” 美国电力研究委员会的一个工程师阿诺德约翰逊评述说：“早期评论家断言 ,太平洋岸联络线这个高压直流输电线路，将是一个技术珍品，并且需要并联的交流线路的电气保证。十年的运行经验证明了，实际上高压直流输电线路是最可靠的输电系统，并且提供了改进交流线路稳定性的一个措施。” 西南科技大学本科生毕业论文 6 早期高压直流输电系统存在的困难问题一般与离子阀 (汞弧整流器 )有联系，它需要操作者十分注意不 可分心。在二十世纪六十年代末期，由于采用了高压、静态、大电流的可控硅阀 ， 因此现在有可能生产较高容量的阀，并且尽量在低成本下改进可靠性。 早在 1980 年 8 月 27 日举
26、行的国际大电网会议上，德国艾伊奇德律风根电气公司的海纳就指出：“特高压交流输电的经济可行性，必须越来越多地与直流输电进行比较 ，尤其在长距离的条件下更是如此。主要理由是直流输电换流站的费用六年保持不变，甚至有所降低，而交流设备和线路的费用却增加。卡布拉巴萨 533 千伏直流工程投运后总结出的第一个经验是，它能与 800 千伏交流线路相比。” 巴西佛南斯电力公司技术经理助理华沙多谈到：“可控硅阀的采用不仅使高压直流输电成为特高压交流输电的有力竞争者，而且成为更可靠的方案。某些原已决定采用交流输电的工程，目前正在重新加紧审核。” 总之，由于直流输电性能上的优势与特点，采用高压直流输电技术可以提高电
27、力系统的技术性能、经济指标、运行的可靠性和电力系统的稳定性。特别是最近几十年它在技术上已逐步成熟，换流器的成本逐渐下降，以及多端输电的试验成功，因此它在电力系统中特别是在大功率远距离的电力传输中，必将得到广泛地应用，它的发展前途更是将一片光明。 1.3.2 国内直流输电的现状与发展前景 我国的高压直流输电工程总体上可以概括为起步较晚 , 但发展迅速。 1980 年国家确定完全依靠自己力量建设中国第一项直流输电工程 舟山直流输电工程。它具有向自主建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质，其意义是非常的。这项工程于 1984年开始施工 , 1987 年投入试运行 , 1989 年正式投运。工程最终
28、规模为 1100 千伏 , 500安培 , 100MW, 线路全长 54 km。嗓泅直流输电工程 ( 上海嗓泅岛 ) 是我国自行设计、制造、建设的双极海底电缆直流工程 , 于 1996 年完成研究工作 , 2002 年全部建成。工程为双极 500 千伏， 600 安培， 60MW， 可双向供电 ， 线路长度 66.2 km， 其中海底电缆 59.7 km。葛南 ( 葛洲坝上海南桥 ) 高压直流输电系统 ， 是我国引进的第一个高压直流输电系统， 1989 年单极投运 , 1990 年双极投运。进入 21 世纪 ， 我国的高压直流输电更是发展迅速 , 相继建成投产了天广 ( 天生桥广州 ) 、三常
29、 ( 三峡常州 ) 、三广 ( 三峡广东 ) 和贵广 ( 贵州广东 ) 等多项高压直流输电项目。作为引进技术的验证 , 自主研发设计制造的华中西北 联网灵宝背靠背直流工程 , 已于 2005 年 7 月正式投入运行。 西南科技大学本科生毕业论文 7 至 2004 年末 ， 我国高压直流输电工程累计输送总容量达 12470 MW， 输电线路长度累计达 4840 km， 已经超过美国位列世界第一。截至 2007 年年底 ， 我国已建成并正式投入运行葛 (洲坝 )沪 (上海 )、三 (峡 )常 (州 )、三 (峡 )广 (东 )、三 (峡 )沪 (上海 )、天 (天生桥 )广 (东 )、贵 (州 )
30、 广 (东 )回、回等 7 个超高压直流输电工程和灵宝背靠背直流工程 ， 直流输电线路总长度达 7085 km， 输送容量达 18560 MW, 线路总长度和输送容量均居世界第 一。与此同时 , 我国超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也处于国际领先地位。从上世纪 80 年代至今短短 30 年时间，我国便从刚起步到现在国际领先水平，足见国家对高压直流输电工程的重视。 1.4 高压直流输电系统中存在的问题 1.4.1 直流输电中的谐波问题 工频的交变电流在换流站中的整流和逆变过程中 , 实际上输出的波形并不是稳定的直流 , 而是有些许波动的脉动电流。再加上换相的非理想性 , 使得
31、输出电流进一步畸变。这些原因促成了直流输电系统中谐波的存在。随着高压直流输电的发展 , 相关的谐波问题也 日益突出。输电系统中的换流器在交流侧为谐波电流源 ， 在直流侧为谐波电压源。严重的情况下 , 可能还会引起谐波放大甚至谐波不稳定 , 即交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节时互相调制，构成了一个 AC/DC 之间的正反馈调节环。受到扰动时 , 就会造成谐波振荡的放大 , 其结果就是换流站交流母线电压严重畸变。现在我们主要通过频域分析和传递函数法、谐波特征值分析法、小信号分析法、时域仿真法、频率扫描法等来进行研究。一般可通过加装非特征滤波器、使用有源滤波器、附加谐波阻尼电路或者是采用轻型直
32、流输电技术来抑制谐波。 1.4.2 高压直流断路器的制造 目前我国的直流输电系统中 ， 高压直流断路器的制造技术还不成熟 ， 多数需要进口。研制高压断路器的难点在于： (1)直流回路的电感很大，所以需要的平波电抗器很大 ，约有 1H，这在工艺上做起来不容易； (2)由于灭弧时的直流电流将会很大，故要求断路器必须能够吸收很大的能量； (3)直流电没有像交流电那样的过零点的特性 , 所以灭弧的技术很困难。在实际的生产当中 ， 利用大容量金属氧化物这种新型材料可以较好地解决前两个问题。但在灭弧方面仍然不是很理想，一般我们采用耗能限流和叠加振荡电流两种方式来实 现。相较而言，前者更为普及，一般采用将电
33、弧拉长、分段串入电阻和采用金属氧化物耗能。 西南科技大学本科生毕业论文 8 1.4.3 大地回流造成的接地体腐蚀及对交流系统的影响 我们知道，直流输电过程是以大地作为回流电路的。回流流经大地时，会与附近的金属接地体发生化学反应，逐渐腐蚀掉金属。例如对于铁而言，就会发生如下的化学反应：阳极： Fe2+2OH-=Fe(OH)2，阴极 ： 2e-+2H+=H2。 经研究表明 ： (1)金属接地体与直流接地极之间的距离长短会显著影响腐蚀的程度，当两者相距 10 公里以外时 ， 腐蚀影响即可忽略不计； (2)单纯将接地体深埋 并不会明显地减小腐蚀 ， 而且这种做法在经济上 也 是不合适的； (3)在相同
34、的距离条件下，金属接地体的走向会影响腐蚀的程度，一般垂直走向的接地体受腐蚀影响比平行走向的接地体大；（ 4）强大的直流电流将经接地极注入大地，在极土壤中形成一个恒定的直流电流场。如果此时极附近有变压器中性点接地的变电站、铠装电缆或地下金属管道等金属设施，这些设施可能给地电流提供比大地土壤更为良好的导电通道，一部分电流可能沿着并且通过这些设施流向进方，从而给这些设施带来严重不良影响。此时，中性点直接接地变压器将会是受影响最大的设备。我国 110 千 伏 及以上系统的变压器中性点，一般都采用直接接地方式。若变电站位于接地极电流场范围内，那么在场内变压器间会产生电位差，接地极入地电流将有部分直流电流
35、会通过大地、交流输电线路，由一个变电站变压器中性点流入，在另一个变电站变压器中性点流出，由此在变压器三相绕组中产生直流分量，产生直流偏磁电流。流过变压器绕组的直流电流大小不仅与接地极的距离相关，同时与电网接线和参数、极土壤导电性能等有关。如果流过变压器绕组的直流电流较大，可能引起变压器铁心磁饱和 ，导致变压器温升增高、噪音增加、损耗增大，对变压器的安全运行构成威胁。 变压器发生直流偏磁后，会使磁化曲线的运行部分变得不对称，加大铁心的饱和程度，从而导致噪音增大和变压器铁心、金属紧固件等的发热增加，对变压器有着严重损害。 1.4.4 直流输电系统电磁环境对通信系统的影响 由于直流线路强大的直流电流
36、，在其周围也就存在着很强的磁场干扰。这样的磁场将影响到附近通信线路的正常运行。一般可把直流电磁影响分为干扰影响和危险影响。干扰影响即在直流输电线路正常运行的情况下对通信产生影响，使其通信质量下降，误码率提高；危险影响即当直流输电线路发生故障时，有可能在附近的通信线路上感应出很高的 电压 ， 危及人员生命安全和通信设备安全。因此，在建设直流输电线路时要注意以下几点：（ 1）首先是和通信线路保持合适的距离；（ 2）其次是在线路上安装陶瓷放西南科技大学本科生毕业论文 9 电管或是加挂屏蔽线路；（ 3）最后是对于市话电路来说，可在配电箱、分线箱处加装放电器。 1.5 本文基本设计内容 (1)完成直流输
37、电相关理论知识学习； (2)在 Matlab/Simulink 中完成高压直流输电模型的搭建； (3)在模型基础上，完成系统的启停和阶跃相应仿真； (4)完成直流输电线路典型故障仿真； 西南科技大学本科生毕业论文 10 第 2章 本文涉及 Matlab/Simulink 基础 2.1 Matlab 简介 MATLAB 是美国 Math Works 公司出品的商业 数学软件 ，用于 算法 开发、数据可视化、数据分析以及 数值计算 的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和Simulink 两大部分。 MATLAB 是 matrix&laboratory 两个词的组合，意为矩阵工厂
38、（矩阵实验室）。是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式 程序设计 的高科技计算环境。它将 数值分析 、 矩阵计算 、科学数据可视 化以及非 线性 动态系统的 建模 和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效 数值计算 的众多科学 领域 提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式 程序设计语言 （如 C、 Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并称为三大 数学 软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
39、 MATLAB 可以进行 矩阵 运算、绘制 函数 和数据、实现 算法 、创建用户界面、连接其他 编程语言 的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、 信号处理 与通讯、 信号检测 、 金融建模 、 图像处理 设计与分析等 领域 11。 用 Matlab 建立系统模型可采用基于 Matlab 语言的、基于 Simulink 工具箱的、用Simulink 和 PSB 相结合的建模与仿真 ， 后一种要注意两者之间信号转换问题 。 具体应用时应根据研究目的不同 ， 选择相应的建模方式 ， 比如研究电力系统的稳定性问题 ， 则采用基于 Matlab 语言的建模与仿真 和基于 Simulink 工具箱的建模
40、与仿真 的 方法好；若想专门研究某一、两种元器件比如控制器、滤波器、无功补偿器等的特性 ， 以及它们对电力系统的影响，则采用 PSB 库中已有的电气元件构建 HVDC 系统仿真模型方法好，它既能突出主要问题，又能节约建模时间 21。 2.2 Simulink 的 功能与特点 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 ， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现 动态系统 建模、仿真和分析的一个 软件包 ，被广泛应用于 线性系统 、非线性系统、 数字控制 及 数字信号处理 的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，
41、它也支持多速率系统，也就是系统中的不西南科技大学本科生毕业论文 11 同部分具有不同的采 样速率。为了创建 动态系统 模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形 用户接口 (GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果，十分方便。 Simulink 是用于 嵌入式系统 和 动态系统 的多领域仿真和基于模型的设 计工具。对各种 时变系统 ，包括通讯、控制、 信号处理 、图像处理和视频处理 系统 ， Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在 Sim
42、ulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、建模环境的定制、信号参数和测试数据的定义以及 批处理 脚本 的创建。 其特点为 19：（ 1）丰富的可扩充的预定义模块库；（ 2）提供 API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；（ 3）使用 Embedded MATLABTM 模块在 Simulink 和嵌入式系统 执行中调用 MATLAB 算法；（ 4）交互式的图形 编辑器 来组合和管理直观的
43、模块图；（ 5）通过 Model Explore 导航、创建、配置 、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；（ 6）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为；（ 7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式 (Normal, Accelerator, Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译 C 代码的形式来运行模型；（ 8）可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据；（ 9）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；（ 10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误
44、 。 2.3 启动与模块介绍 (1)在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink 结果是在 桌面 上出现一个称为 Simulink Library Browser 的窗口 ， 在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过 MATLAB 主窗口的快捷按钮来打开 Simulink Library Browser 窗口。 (2)在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink3 结果是在 桌面 上出现一个用图标形式显示的 Library： simulink3 的 Simulink 模块库窗口。两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二
45、种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。 (3)在 MATLAB 菜单栏左方位置有一个图标 ， 单击此图标便可进入 simulink 西南科技大学本科生毕业论文 12 对于初学者来说这是最简单、便捷、有效的方式，仅仅只需要点击一个快捷键就能进入 simulink。这就如同计算机桌面上的快捷键一样既直观又方便。然后再找到我们所需要的 SimPowerSystems 从中就可以选取我们所需要的模块。推荐大家使用这种启动方式。若对 SIMULINK 模块库按功能进行分类，包括以下 8 类子库： (1) Continuous（连续模块） (2) Discrete（离散模块） (3)
46、Function&Tables（函数和平台模块） (4) Math（数学模块） (5) Nonlinear（非线性模块） (6) Signals&Systems（信号和系统模块） (7) Sinks（接收器模块） (8) Sources（输入源模块） 西南科技大学本科生毕业论文 13 第 3章 高压直流输电系统 基本结构及原理 3.1 HVDC 系统 基本结构 简单的讲，直流输电就是先将发电站发出的交流电通过换流器变成直流电，然后通过直流输电线路输送。再在受电端把直流 电逆变成交流电，进入受端交流电网供用户使用。当然，表面上看这只是一个简单的整流然后再逆变的过程，但这仅仅是一个最粗略的介绍，其
47、中的具体过程还是很值得研究和优化的。 HVDC 直流输电系统结构由图 3-1 所示，由于逆变侧与整流侧镜像对称，为了节约篇幅，结构图未画出 完整的 逆变侧 。在 后面 总的 仿真电路图会给出完整的 HVDC 高压直流输电系统。 A C5 0 0 K V 等效 网 络交 流 滤波 器整 流控 制器T 变 压 器- +平 波 电 抗F a u l t逆变站I dAC 交流电源 ； T 换流变压器 ； Id 整流电流 图 3-1 高压直流输电系统结构图 Fig.3-1 Structure of HVDC system 直流输电系统由换流站（整流、逆变站）、接地极线路、接地极和直流送电线路构成。其中，
48、换流站是用于连接交流侧和直流侧的装置，也就是供交流电与直流电间进行变换的换流装置。换流装置由换流器、换流变压器、控制保护装置、控制极触发装置及其它辅助装置等构成。直流线路与交流线路一样，由绝缘子、杆塔、导线、地线、金具、基础和接地装置等组成。地线、基础、接地装置的设计与交流一样。值得指出的是，交西南科技大学本科生毕业论文 14 流导线为三相制，但在直流系统中相应地称之为极 ， 交流系统输电时 ， 三相要同时运行 ，而在直流系统中，每个极可以独立地传送电力，可单极运行 13。 一般情况下，远距离大容量直达的输送电能，宜选用直流输电。研究表明，直流输电的经济长度与两端换流设备的造价有关，前苏联在
49、1965 年分析经济输送距离和容量的结果表明，当输电距离超过 1000-1200 公里时，采用直流比交流更加经济。而当时美国建设太平洋联络线时的交直流方案比较结果是只要输电距离在 700公里以上直流输电就比较经济了（其中输送容量为 2000-3000MW）。但是随着可控硅换流技术的发展，使直流终端设备与线路的造价之比不断降低，美 国西屋公司声称，直流输电的经济长度是 500-600 公里。 HVDC 系统主要由整流站、逆变站和 HVDC 线路等组成 ,其中换流线主接线图如图3-2 所示 。 HVDC 系统主要设备有 ： 1、换流变压器：将送端交流系统电压变为整流桥所需要的电压 ， 以及将逆变器输出的电压变为受端交流系统所需要的电压。换流变压器 (Converter Transformer) 接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。换流变压器与换流桥是构成换
