1.LCC-HVDC结构简介

       LCC-HVDC（line-commutatedconverterHVDC）是目前很成熟的高压直流输电方式，对于特高压直流输电(UHVDC)的方式常用，LCC-HVDC的换流阀是由多个晶闸管串联而成的。±800kV以上的直流输电方式采用的一般仍是LCC-HVDC。高压直流输电系统中含有两个换流站，在交流母线处装设无功补偿装置来补偿换流站的无功消耗量，交流滤波器消除其交流系统侧的特征次谐波，使用直流滤波器用来消除其直流侧特征次谐波，以满足电能质量的要求。

图1-1 高压直流输电系统拓扑结构图 

 图1‑2换流阀结构图

换流阀采用12脉波闸管组，图1-2所示为串联型12脉波整流器。所示为使用的是Y/Y/△型移相变压器的12脉波整流器。该整流器拓扑的三相交流电压源直接与移相变压器相连，移相变压器产生两组存在30°相位差的三相电压，两组整流桥串联连接，且该整流器可产生两个直流接口。

 图1‑3  12脉波波形

在直流输电工程中，只要向晶闸管再次施加一个相同的正向电压，该电子元器件就可以实现再次导通，逆变器中的晶闸管很容易出现不受控制而重新导通的情况，这就是换相失败。

2. 数学模型的建立

如图1－１所示为直流输电系统拓扑结构图，包括两个换流站（整流站和逆变站）和直流线路，两侧均使用１２脉冲的换流桥。如图1－4所示为图 1‑1的等效电路图，由图1－4所示的等值电路可得：

图1-4 直流输电系统等效电路图

 在图 1-4中各元件电压电流之间的关系可以用以下系列公式表示：

（2-1）

上述公式中的𝑈𝑑𝑜𝑖为理想空载电压， kV。其中 i=1 表示整流站， i=2 表示逆变站，B 为 6 脉冲桥串接的个数； T 为换流变的电压比； 𝐸𝑎𝑐𝑖为网侧线电压有效值， kV，根据式(1-1)可计算得到整流侧和逆变侧的理想空载电压为：

（2-2）

 整流侧直流电压：

（2-3）

 逆变侧直流电压：

（2-4）

 或者是

（2-5）

 公式： 𝛼为整流侧触发角， 𝛾为逆变侧关断角； 𝑋𝑙1和𝑋𝑙2表示每相的电抗值， Ω；𝐼𝑑为直流侧电压， kA； 𝑅𝑐𝑟和𝑅𝑐𝑖分别表示为两侧的换相电阻，且𝑅𝑐𝑟 = 3𝜋𝐵𝑋𝑙1，𝑅𝑐𝑖 = 3𝜋𝐵𝑋𝑙2，而 r、 i 表示整流侧和逆变侧； 𝑅𝐿为线路的等效电阻， Ω； 𝑄𝑑1为整流侧的无功功率消耗量， Mvar， 𝑃𝑑表示两侧间传输的有功量， MW。而直流电流由数学关系可得：

（2-6）

 或者

（2-7）

（2-8）

整流侧的直流功率为
（2-9）

（2-10）

   由上述公式可知，要想尽快实现高压直流输电系统运行方式的改变，可以用控制触发角的方法来完成，采用这种措施可以改善直流输电系统自身的运行特性的同时，还可以起到对交流系统改善的作用。 具体可以通过使用下面两种方法来完成：

（１） 可以通过改变整流器触发角𝛼或者逆变器的触发超前角𝛽（或熄弧角𝛾），来快速的调节直流输电系统的各个参数变化，调节时间为毫秒级。
（２） 通过调节换流变压器的分接头来改变换流器的交流电动势的大小，但这个调节是一个慢速调节。

表 2-1 直流输电模型各个参数实测值

高压直流输电系统参数： 500kV， 1000MW 直流侧： R=5Ω， L=1.2H
交流系统（整流侧）	382.87kV	47.6∠84° Ω	SCR=2.5
无功补偿量（整流侧）	550Mvar
整流侧单个换流变压器	603.7MVA	345/213.5kV	𝛸𝑇=0.18pu
交流系统（逆变侧）	215.05kV	21.2∠75° Ω	SCR=2.5
逆变侧无功补偿量	626Mvar
单个换流变压器（逆变侧）	591.8MVA	230/209.2kV	𝛸𝑇=0.18pu

名称	测量数值	单位
整流侧交流电源输出有功功率 Pacr1	1046.00	MW
整流侧交流电源输出无功功率 Qacr1	368.9	MVar
整流侧交流电源输出电压 Vacr1	382.87	kV
整流侧交流电源输出电流 Iacr1	1.67	kA
整流侧交流线路阻抗 Racr1	47.6∠84°	Ω
整流侧交流电源输出相位 Phacr1	0	°
整流侧单个换流变压器容量	603.7	MVA

整流侧直流功率𝑃𝑑1	986.6	MW
整流侧直流电压	493.5	kV
整流换流变理想空载电压	536.0012	kV
直流电流	1.9992	kA
逆变侧交流电源输出有功功率 Pacr2	867	MW
逆变侧交流电源输出无功功率 Qacr2	-303.9	MVar
逆变侧交流电源输出电压 Vacr2	218.1	kV
逆变侧交流电源输出电流 Iacr2	2.43	kA
逆变侧交流线路阻抗 Racr2	21.2∠75°	Ω
逆变换流变理想空载电压	557.4281	kV
单个换流变压器（逆变侧）	591.8	MVA
逆变侧功率𝑃𝑑2	971.6	MW
逆变侧直流电压	486.2	kV
整流侧交流相位	-20	°
逆变侧交流相位	22.66	°
整流侧每相电抗值	0.2443	Ω
直流线路等效电阻𝑅𝐿	3.6730	Ω
整流侧触发角𝛼	20.24	°
逆变侧关断角	142	°

3. 高压直流输电系统基本控制方式研究

        当直流输电系统运行在稳定状态时，可以保持某个或多个运行参数维持恒定。具体来说，高压直流输电系统基本控制方式主要包括：定电流控制、定电压控制、定熄弧角控制、定功率控制、定最小触发角控制和一些其他的控制方式等。

3.1 定电流控制

        当直流输电系统工作在正常状态的条件时，在通常的情况下，在整流侧来完成对直流电流的调节目标。 如图 3-1所示为使用定电流控制的基本原理图，当直流电流大小𝐼𝑑减小时，经过比较环节，会使得电流的检测值与电流的参考值之间的电流误差𝜀会增加， 从而会𝛼使得会相应地减小， 由式(2-2)和(2-6)可得，会使得电流的检测值𝐼𝑑增加，并达到电流的参考值𝐼𝑑𝑟𝑒𝑓。 反之，电流大小𝐼𝑑增大时，经过比较环节，会使得电流的检测值与电流的参考值之间的电流误差𝜀减小，从而会使得𝛼相应增加，会使得电流的检测值𝐼𝑑减小，并达到电流的参考值𝐼𝑑𝑟𝑒𝑓。
 

图3-1 定电流控制的基本原理 

        如图 3-1所示为使用定电流控制的实现框图，由设定值𝐼𝑑𝑟𝑒𝑓和实际测量的直流电流值𝐼𝑑，两者作差比较，通过直流输电系统的控制系统来改变触发角𝛼，以减小或者消除直流电流的误差。

图3-2 定电流控制的实现框图 

3.2  定电压控制

          定电压控制的作用是提高换流站交流电压的稳定性，通常由逆变侧来完成对直流电压的调节目标。 如图 3-5 所示为使用定电压控制的基本原理图， 以整流侧为例分析，当直流电压大小𝑉𝑑减小时，经过作差比较环节，会使得直流电压测量值与直流电压设定值之间的电压误差𝜀增大，从而会使得触发角𝛼相应减小，由式(2-2)和(2-6)可得， 𝑉𝑑会増加，并达到直流电压设定值𝑉𝑑𝑟𝑒𝑓。相反，若直流电压大小𝑉𝑑增大时，经过两者作差，会使得误差𝜀减小，从而会使得触发角𝛼相应增加，会使得直流电压𝑉𝑑减小，并达到电压设定值𝑉𝑑𝑟𝑒𝑓。

 图3-5 定电压控制的基本原理

        如图３－６所示为使用定电压控制的实现框图，一般来说当系统运行在正常的状态下，整流侧与逆变侧都必须使用定电压控制以实现不同的目标要求，并且整流侧与逆变侧要满足互相配合的控制，并且此时，整流侧的定电压控制不会投入运行，而仅在直流电压过高时，该控制功能才会有效。通常情况下，逆变侧的参考值要比整流侧的参考值要小 0.1pu。 

 图 3‑6  定电压控制实现框图

   3.3 定熄弧角控制

         定熄弧角控制的控制功能用以保证逆变器的正常运行，避免其会发生换相失败。一般而言，必须满足熄弧角γ大于关断余裕角γmin的要求。而功率因数可用下式表示为：

（3-1）

由式(3-1)知，逆变器的熄弧角𝛾的大小直接影响逆变侧的功率因数大小， 这与逆变器的熄弧角𝛾保持一个较大值，以保证换相过程顺利进行相互矛盾， 因此逆变器需要配置有熄弧角调节的功能， 下式为熄弧角𝛾和超前触发角𝛽的关系：
（3-2）

 所以对熄弧角𝛾的控制本质上就是对逆变侧的定超前角𝛽的控制，上式中𝜇为换相重叠角。控制熄弧角的方式，可分为实测控制（闭环控制）和预测控制两种，闭环控制原理框图如图３－7所示。

图 3‑7 实测控制原理框图 

 由图 3-7 可知，其控制方式与定电压控制方式相同，是通过负反馈来实现的，当𝛾 < 𝛾𝑟𝑒𝑓时，误差𝜀 > 0， 相应地相位控制器会减小输出脉冲的相位角𝛼，由(3-2)和(3-3)可得，实测熄弧角𝛾值会增大。 同理，当𝛾 > 𝛾𝑟𝑒𝑓时，误差𝜀 < 0，输出脉冲的相位角𝛼会增加，实测熄弧角𝛾值会减小。预测式的控制方式又可称为开环控制，开环型控制的响应速度要早于闭环控制，但闭环控制的控制精度较高，稳定性较好，因此闭环控制被广泛采用。

4.  仿真模型建立

        本节将建立ＣＩＧＲＥ直流输电系统的系统结构图，采用ＣＩＧＲＥ 直流输电标准测试系统参数，直流线路采用电缆线，故不安装直流滤波器。以下分别介绍了换流站结构设计、交流侧无功补偿装置配置和搭建高压直流输电系统基本控制方式的模型三方面的内容。
（1） 换流站结构设计
为了减少谐波次数，换流站需使用 12 脉冲换流器，两个换流器对应的换流变压器分别采用Ｙ－和Ｙ－Ｙ联结方式， 所以为形成相位相差 30°的换相电压，需要换流桥与换流变压器相互配合，整流侧换流桥与逆变侧换流桥都采用相同的配置。
（2） 交流侧无功补偿配置
综合考虑传统无功控制功能的所有因素，交流侧配置固定的无功补偿装置。 其中交流滤波器起到两方面的作用，在滤除系统谐波， 避免对交流系统造成污染的同时，可以为换流站提供部分的无功功率量，而不足部分的无功功率量由电容器进行补偿。 由于交流系统谐波成分主要有 11、 13 次谐波，故在两侧都需要配置滤波器以滤除谐波，装设电容器以提供换流站需求的无功量。整流侧配置的双调谐滤波器和高通滤波器如图4-1所示， 在逆变侧装设的双调谐滤波器和高通滤波器的拓扑原理如图4-2所示。

 图4-1  整流侧滤波方案

 图4-2 逆变侧滤波方案

(3) 搭建ＣＩＧＲＥ直流输电系统基本控制方式的控制框图
由于换流站采用晶闸管换相，整流站与逆变站之间需要通信，不能独立控制，这就需要研究整流器与逆变器的联合控制特性， 如图 4-3所示。

图4-3 整流器与逆变器的联合控制特性
 

图 4-3中特别需要注意的一点是，为了避免系统停运的情况发生， 逆变器也需要配置定电流控制功能，且其设定值要比整流侧小一些，一般取额定电流值的10%-15%。整流侧与逆变侧必须联合控制，以满足在不同情况下的控制要求， 如下图4-4为整流侧控制策略框图，选择定电流控制方式、最小触发角控制方式和低压限流控制方式。

图4-4  整流侧控制策略框图

图4-5 所示为逆变侧控制策略框图，逆变侧选择的是定电压控制方式、定关断角控制方式、电流偏差控制方式和低压限流控制方式。

图4-5 逆变侧控制策略框图 

 根据以上讨论，建立如图4-6 所示的ＣＩＧＲＥ高压直流输电系统结构图。

图 4-6  ＣＩＧＲＥ高压直流输电系统结构图

依据图4-6的ＣＩＧＲＥ高压直流输电系统结构图，在ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ中建立如图4-7所示的ＣＩＧＲＥ高压直流输电系统的整体仿真模型。

 图4-7 ＣＩＧＲＥ高压直流输电系统仿真模型

依据上文研究的控制策略框图，在ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ搭建其控制方式的仿真模型，如图4-8所示。

 图4-8 整流侧与逆变侧控制框图仿真模型

5. 仿真结果

仿真结果采用标幺化，交流侧为345kV电压，输出功率1000MW,，直流侧的电压为500kV，电流为2KA。

 图5-1 整流侧仿真结果

图5-2 逆变侧仿真结果

有需要相关模型可加企鹅(2504024627)