【正文】 ...................................................... 41 HVDC 系統(tǒng)的仿真模型 ................................................................................... 41 圖 52 HVDC系統(tǒng)仿真模型 ...................................................................................... 42 基于小波變換的故障分析 ............................................................................. 42 結(jié)論 ....................................................................................................................................... 50 總結(jié)與體會 ............................................................................................................................. 52 參考文獻 ................................................................................................................................ 53 致謝 ....................................................................................................................................... 59 昆明理工大學(xué) 設(shè)計（論文）專用紙 第 1 頁 前言 畢業(yè)設(shè)計（論文）教學(xué)環(huán)節(jié)是綜合性的實踐教學(xué)活動，不僅可使學(xué)生綜合運用所學(xué)過的知識和技能解決實際問題，還訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)、鉆研、探索的科學(xué)方法，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主選擇、自主完成工作的機會。 直流輸電技術(shù)從 20 世紀(jì) 50 年代在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用以來，至今經(jīng)歷了汞弧閥換流 和晶閘管換流時期，目前世界上已有 60 多項直流輸電工程投入運行，在遠距離大容量輸電、海底電纜和地下電纜輸電以及電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工程中得到較大的發(fā)展。特別是在 20 世紀(jì) 80 年代以后，大功率電力電子技術(shù)及微機控制技術(shù)等高科技的發(fā)展，進一步促進了直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。比較明顯的是，背靠背非同步聯(lián)網(wǎng)和多端直流輸電工程以及采用新型半導(dǎo)體器件的輕型直流輸電工程，近年來發(fā)展得很快。 隨著高壓直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對高壓直流輸電系統(tǒng)的控制方法和特性研究也得到了進一步的發(fā)展，文中對高壓直流輸電系統(tǒng)的控制原理和特性進行了介紹，并且基于 PSCAD/EMTDC仿真程序研究了 CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)在各種故障下的典型響應(yīng)特性。包括整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障、逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障，以及直流線路發(fā)生短路故障時交直流輸電系統(tǒng)相關(guān)電氣量的變化及其控制器的響應(yīng)特性。特別研究了交流系統(tǒng)故障時直流輸電系統(tǒng)的換相失敗及其恢復(fù)過程，同時研究了直流線路短路時直流輸電控制器的動作特性和直流線路的過電流水平。 由于水平有限，查閱參考資料又有許多局限性，論文中存在缺點和錯誤在所難免，請批評指正。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計（論文）專用紙 第 2 頁 第一章 緒 論 高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展 目前，直流輸電因其技術(shù)和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電和大區(qū)聯(lián)網(wǎng)兩方面已得到了十分廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的進步，進一步推動了高壓直流 (High Voltage Direct Circuit HVDC)輸電技術(shù)的發(fā)展 ， 這些技術(shù)中有的是對傳統(tǒng) HVDC 輸電技術(shù)的改進，有的是采用高級控制技術(shù)來實現(xiàn)的 。 世界范圍內(nèi)，高壓直流輸電技術(shù)從上世紀(jì) 50 年代在電力系統(tǒng)中開始應(yīng)用， 1954年 HVDC 輸電首次商業(yè)性成功地應(yīng)用于瑞典大陸與哥特蘭島之間的輸電線路，這套系統(tǒng)采用 汞弧閥，通過 90 公里的水下電纜供給 20MW 的功率，從此高壓直流輸電得到了穩(wěn)步發(fā)展。特別是隨著晶閘管閥的出現(xiàn)，高壓直流輸電應(yīng)用越來越廣。到 2021年世界上已有 63 項直流輸電工程成功投入運行，與交流輸電相比，直流輸電具有非同步聯(lián)絡(luò)能力、無穩(wěn)態(tài)電容電流、線路輸送容量大、網(wǎng)損小、功率容易控制等優(yōu)點。目前，直流輸電因其技術(shù)和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、背靠背聯(lián)網(wǎng)、海底及地下電纜輸電及向孤立負荷送電工程中得到應(yīng)用， HVDC 輸電技術(shù)經(jīng)歷了階躍式的發(fā)展，上世紀(jì) 80 年代，由于聯(lián)網(wǎng)需要，建設(shè)了 14 項背靠背工 程；建成了目前世界上最長的直流線路，即扎伊爾的英加一沙巴工程 (1700km)及電壓等級最高 (? 600KV、輸送容量最大 (3150MW)的巴西伊太普工程，到了 90 年代，世界第一個復(fù)雜的三端 HVDC 工程 (魁北克一新英格蘭工程 )完成，并建成了世界上最長的海纜(250km)HVDC 工程 (瑞典一德國的 BALTIC 工程 )，目前，投入運行的 HVDC 輸電工程主要分布在美國、加拿大、印度、日本等國家。 在我國， HVDC 輸電技術(shù)的發(fā)展，加速了區(qū) 域電網(wǎng)互聯(lián)和全國聯(lián)網(wǎng)的進程，自 1987 年自舟山直流輸電工程投入運行以來，已有葛洲壩一南橋、天生橋一廣州、三峽一常州、三峽一廣東、貴州一廣東、嶸泅直流輸電、靈寶背靠背直流輸電工程相繼投入運行、此外三峽一上海、貴州一廣東第二回等工程正在緊張建設(shè)之中，由于我國能源分布和電力消耗的地區(qū)分布不平衡，“西電東送”成為我國電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的重要舉措，今后我國的電網(wǎng)將主要分為三大塊，即北部電網(wǎng) (北通道 )、中部電網(wǎng) (中通道 )和南部電網(wǎng) (南通道 )，而今后聯(lián)網(wǎng)主要采用高壓直流或高壓交流 (HVAC）實現(xiàn)互聯(lián)，與 HVAC 輸電相比， HVDC 輸電在遠距離、大功率輸電方面更具有優(yōu)勢，如果采用直流高壓 (UHVDC)技術(shù)，輸送容量還可以更大，能達到現(xiàn)有高壓交流輸送功率的 6~8倍。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計（論文）專用紙 第 3 頁 同時，由于通過直流線路互聯(lián)的兩端交流系統(tǒng)可以有各自的頻率，輸送功率也可保持恒定 (恒功率、恒電流等 )，對送端而言，整流站相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個負荷，對受端而言，逆變站則相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個電源，互相之間的干擾和影響小，運行管理簡單方便。 選題背景及意義 隨著電力的需求日益增長，高電壓、遠距離、大容量輸電線路不斷的增加，電網(wǎng)不斷擴大，交流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生了一 些弊端，例如：交流輸電線路的走廊寬、造價高，系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性差等。提高交流電壓等級已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的大電網(wǎng)、大容量、遠距離輸電的要求，因此在一定條件下采用高壓直流（ High Voltage Direct Current， HVDC）輸電技術(shù)將更為合理，高壓直流輸電與交流輸電系統(tǒng)相比具有線路造價低、線路有功損耗小、不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制、運行靈活、可實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)與控制等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。 我國的水能、煤炭等資源額分布極其不平衡，發(fā)電能源資源的分布和用電負荷的分布極不均衡，這決定了我國需要采用高電壓、遠距離 、大容量輸電線路進行電力跨區(qū)域大規(guī)模輸送，采用 HVDC 輸電系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑； HVDC 輸電系統(tǒng)在輸送相同功率時，線路造價低， HVDC 輸電系統(tǒng)不受穩(wěn)定極限的限制，如果以直流線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流線路沒有電抗，從而沒有穩(wěn)定極限問題，使得直流輸電不受輸電距離的限制； HVDC 輸電系統(tǒng)可實現(xiàn)對輸送功率大小和方向的快速控制和調(diào)節(jié)，直流聯(lián)網(wǎng)的輸送功率可按規(guī)定和需求進行控制， HVDC 輸電系統(tǒng)通過控制晶閘管換流器可快速實現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)和實現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)；因此 HVDC 輸電系統(tǒng)在高電壓、遠距離、大容量輸電工程中得到 了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。 隨著電網(wǎng)高壓直流輸電系統(tǒng)的大量接入，電網(wǎng)具有多直流饋入、交直流混合運行、含特高壓直流等特點，高壓直流輸電系統(tǒng)的工作機理、系統(tǒng)運行方式、故障電氣特征等與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)有比較大差異，有一系列亟待解決的理論和工程難題。換相失敗就是 HVDC 輸電系統(tǒng)中比較突出的問題，發(fā)生換相失敗會導(dǎo)致系統(tǒng)直流電流劇增、電壓下降、系統(tǒng)輸送功率減少等后果，對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，因此對換相失敗進行研究，判斷引起高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的原因，保障 HVDC 系統(tǒng)運行安全具有非常重要的意義 。 高壓直流 (High Voltage Direct Current, HVDC)與交流輸電相比，具有線路投資較 昆明理工大學(xué) 設(shè)計（論文）專用紙 第 4 頁 低、運行靈活多變、不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的限制?？蓪崿F(xiàn)大區(qū)域電網(wǎng)的異步互聯(lián)、可控程度高和線路充電功率較小等優(yōu)勢，是用于解決高電壓、大容量、遠距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。到目前為止，全世界已成功投運 HVDC 工程達上百項，隨著電力需求的不斷增長，將會有越來越多的 HVDC 工程投運。我國發(fā)電用水能和煤炭資源的分布與用電負荷的分布極不均衡，資源較豐富的多為西部地區(qū)，而負荷中心在東部沿海地區(qū)，決定了能源和 電力跨區(qū)大規(guī)模流動的必然性。由高壓直流輸電的特點可知，在我國發(fā)展 HVDC 輸電是解決電力跨區(qū)輸送較好的方法。從 1987 年首條直流輸電線路投運至今，已有數(shù)十條線路相繼投產(chǎn)。隨著國民經(jīng)濟繼續(xù)增長，還將會有大量的 HVDC 工程在建設(shè)和規(guī)劃中， 2020 年前后西部水電的大部分電力將通過特高壓直流線路向華中和華東地區(qū)輸送，其中金沙江一期的溪洛渡和向家壩水電站。二期的烏東德和白鶴灘水電站向華東、華中地區(qū)送電 ,錦屏水電站向華東地區(qū)送電，寧夏和關(guān)中煤電基地向華東地區(qū)送電，呼倫貝爾的煤電基地向京津地區(qū)送電大約需要 9 條輸電容量為 6GW 的 800kV 級特高壓直流輸電線路。 隨著大量 HVDC 工程的投入使用，其運行中的問題也日益突現(xiàn)，其中的換相失敗就會導(dǎo)致直流電流增大，直流電壓下降、輸送功率減少，換流變壓器直流偏磁加劇、換流閥壽命縮短以及逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定等不良后果，是 HVDC 系統(tǒng)中最常見的故障之一。如果換相失敗后控制不當(dāng)，會引發(fā)連續(xù)換相失敗，最終導(dǎo)致直流功率中斷，影響電力系統(tǒng)的正常運行。因此 ,深入研究換相失敗發(fā)生的機理和先進的診斷技術(shù)，對保障直流系統(tǒng)的安全運行具有十分重要的意義。 HVDC 換相失 敗研究現(xiàn)狀 HVDC 現(xiàn)狀分析 1928 年，具有柵極控制功能的汞弧閥研制成功，這使得高壓直流輸電技術(shù)成為可能。高壓直流輸電技術(shù)首先是被應(yīng)用到海底電纜輸電系統(tǒng)中，早期的直流輸電工程包括瑞典哥特蘭島工程（于 1954 年投運）及意大利撒丁島工程（于 1967 年投運），之后高壓直流輸電技術(shù)被應(yīng)用到長距離、大容量輸電系統(tǒng)中，與此對應(yīng)的直流輸電工程包括美國太平洋聯(lián)絡(luò)線工程（于 1970 年投運）及納爾遜河工程（于 1973 年投運）等。 1972 年，將加拿大魁北克和新布輪茲維克非同步連接起來的伊爾河背靠背直 流輸電工程首次全部采用了晶閘管閥，從此以后，新建的直流輸電工程都全部采用了晶閘管換流閥，直流輸電系統(tǒng)得到巨大發(fā)展。全世界共有約 100 多項直流輸電工程投入了運行，電壓等級達到了177。 800kV。進入 21 世紀(jì)，傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)作為成熟 昆明理工大學(xué) 設(shè)計（論文）專用紙 第 5 頁 的技術(shù)在包括中國、印度、馬來西亞、阿拉伯地區(qū)、澳洲等國家和地區(qū)得到快速發(fā)展。 目前， HVDC 因其技術(shù)和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電和大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)方面取得了十分廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的進步，將進一步推動高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。我國從 20 世紀(jì) 50 年 代開始從事高壓直流輸電技術(shù)研究， 60 年代在中國電力科學(xué)研究院建成國內(nèi)第一個晶閘管閥模擬裝置，并與 1977 年改造成一條 31kV 直流輸電實驗線路，供 HVDC 系統(tǒng)研究。從 80 年代末以來，我國高壓直流輸電技術(shù)研究和發(fā)展取得了突飛猛進的提高，在 1987 年自行研制了浙江舟山海底直流輸電工程，額定電壓 100kV，額定電流 500A，額定容量 50MW，