新型直流输电系统损耗特性及降损措施研究

论文摘要

新型直流输电的高损耗是其广泛应用的主要障碍,所以开展新型直流输电降损措施的研究具有明显的工程应用价值和现实意义。本文采用理论分析和仿真验证相结合的研究手段,重点研究了直流输电的损耗特性和降损措施,研究的主要内容如下:（1）研究了直流输电损耗的评估方法,提出了一种基于曲线拟合理论的电压源换流器功率损耗计算方法。通过分析换流器IGBT器件的开关特性,并考虑反向并联二极管的影响,推导出IGBT损耗与电压、电流、结温、死区时间等参数的关系式。关系式中的各种参数,可从厂商提供的参数和特性曲线中获得。该方法能够有效利用厂商提供的器件特性参数,可操作性强,与物理模型和功能模型的建模方法相比,更适合于实际工程应用。基于本文方法开发的VSC-HVDC换流器损耗分析程序,可计算各种工况下的换流器功率损耗,为电压源换流器的降损设计提供了有力工具。（2）研究了常见多电平结构的换流器特性,提出了一种基于直流电压注入的低损耗的新型电压源换流器结构。此换流器由一个12脉动换流器和一个附加电路组成。附加电路通过变压器向12脉动换流器中点注入直流电压,将12脉动换流器变为60脉动换流器。换流器输出电压、电流的谐波水平很低,因此不需要滤波器就可以满足系统的谐波要求。换流器主电路采用基频触发,降低了开关频率;直流电压的注入,显著降低了开关电压,所以该换流器损耗低、开关电压应力低,更适合于高电压、大功率的应用场合。分析了该换流器的拓扑结构、工作原理和控制策略,并进行了仿真验证,为将来的实机制造提供了参考。（3）研究了多种调制方式的损耗和暂态特性,提出了一种降低新型直流输电系统损耗的混合调制方式,可满足输电系统暂态响应和稳态损耗特性的需求。混合调制方式配置SPWM和最小开关损耗两种调制方式,当系统受到扰动或处于暂态时,采用响应速度快的SPWM调制,提高系统的暂态控制能力,改善暂态响应特性;系统处于稳态运行时,则采用最小开关损耗控制,提高系统运行的稳态特性和经济性。使用状态监测器,监视系统状态,据此动态地选择适当的调制方式。描述了混合调制方式的基本原理,并对该调制方式的控制效果进行了仿真验证。仿真表明,所提出的混合调制方式具有良好的控制性能和稳态损耗特性。（4）研究了利用混合直流输电降损的可行性。理论分析了基于LCC和VSC型混合直流输电的局限性,并提出一种新型电流源型混合直流输电拓扑。该新型混合直流输电的逆变侧采用基于可关断器件的CSC换流器,整流侧采用传统LCC换流器。本文建立了该型混合直流输电的数学模型、触发方法、控制策略,并仿真了其在各种常见故障下的响应特性。仿真结果表明:当直流线路发生接地故障时,直流系统能够通过换流器控制来清除故障,并可以快速重启动;在整流侧或逆变侧交流系统发生严重交流短路故障而导致交流电压跌至30%时,该混合直流输电系统均可持续运行,并保持一定的直流功率,有利于逆变侧交流系统的稳定;当故障被清除后,该型直流系统能够快速恢复至故障前的稳定状态。所以,该混合直流输电系统具有工程实用性,是新型直流输电在远距离、大功率应用领域的一种可行的改进方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.1.1 传统直流输电
• 1.1.2 新型直流输电
• 1.1.3 本课题的意义
• 1.2 新型直流输电系统的原理
• 1.2.1 新型直流输电的系统结构
• 1.2.2 新型直流输电基本工作原理
• 1.2.3 新型直流输电的技术特点
• 1.2.4 新型直流输电的应用领域
• 1.3 新型直流输电的研究现状
• 1.3.1 主电路结构和调制方式研究
• 1.3.2 损耗特性研究
• 1.3.3 数学建模和控制策略研究
• 1.3.4 保护系统研究
• 1.4 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 直流输电换流器损耗评估
• 2.1 引言
• 2.2 传统直流输电换流器损耗计算
• 2.2.1 损耗构成
• 2.2.2 晶闸管阀的通态损耗
• 2.2.3 晶闸管阀的扩散损耗
• 2.2.4 晶闸管阀的其他导通损耗
• 2.2.5 晶闸管阀的截至损耗
• 2.2.6 阻尼电路的损耗
• 2.2.7 电容器储能引起的损耗
• 2.2.8 晶闸管阀关断损耗
• 2.2.9 晶闸管阀并联电抗器的损耗
• 2.2.10 总的换流器运行损耗
• 2.2.11 阀的空载损耗
• 2.2.12 晶闸管阀的结温计算
• 2.3 新型直流输电换流器的损耗计算
• 2.3.1 IGBT功率损耗的组成
• 2.3.2 IGBT通态损耗
• 2.3.3 IGBT开通损耗
• 2.3.4 IGBT关断损耗
• 2.3.5 换流器通态损耗计算
• 2.3.6 换流器开关损耗
• 2.3.7 换流器总损耗及通用损耗计算程序
• 2.4 算例分析
• 2.4.1 算例参数
• 2.4.2 计算结果分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 采用新型多脉动换流器的降损研究
• 3.1 引言
• 3.2 常见的多电平结构及其评价
• 3.2.1 两电平换流器
• 3.2.2 二极管钳位三电平换流器
• 3.2.3 飞跨电容三电平换流器
• 3.2.4 二极管钳位多电平换流器
• 3.2.5 飞跨电容多电平换流器
• 3.3 一种新型多脉动电压源换流器
• 3.3.1 主电路结构
• 3.3.2 附加电路
• 3.3.3 输出电压分析
• 3.3.4 输出电流分析
• 3.3.5 注入电流分析
• 3.3.6 注入变压器的选择
• 3.3.7 直流电容器的选择
• 3.4 STATCOM应用
• 3.5 换流器效率计算
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 采用混合调制方式的降损研究
• 4.1 引言
• 4.2 PWM技术
• 4.2.1 阶梯波脉宽调制
• 4.2.2 正弦脉宽调制SPWM
• 4.2.3 电压空间矢量调制VSVPWM
• 4.2.4 消谐波PWM方法SHEPWM
• 4.3 降低开关损耗的调制方式及其损耗计算
• 4.3.1 最小开关损耗PWM
• 4.3.2 最小开关损耗PWM的损耗计算
• 4.3.3 算例分析
• 4.4 混合调制的原理和应用
• 4.4.1 原理
• 4.4.2 切换过程
• 4.4.3 混合调制的应用模式
• 4.4.4 系统状态判断
• 4.5 混合调制的仿真实验
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 采用新型混合直流输电拓扑的降损研究
• 5.1 引言
• 5.2 电压源型混合直流输电拓扑
• 5.2.1 混合直流输电拓扑1
• 5.2.2 混合直流输电拓扑2
• 5.2.3 混合直流输电拓扑3
• 5.2.4 混合直流输电拓扑4
• 5.3 电压源型混合直流输电的改进研究
• 5.3.1 仿真参数
• 5.3.2 仿真结果
• 5.4 电流源型混合直流输电（Hybrid CSC-HVDC）的原理
• 5.4.1 基本原理
• 5.4.2 技术特点
• 5.4.3 整流器稳态数学模型
• 5.4.4 逆变器的PWM控制方法
• 5.4.5 逆变器的数学模型
• 5.5 Hybrid CSC-HVDC的控制策略与仿真
• 5.5.1 整流侧控制
• 5.5.2 逆变侧控制
• 5.5.3 仿真算例
• 5.5.4 仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要结论与创新点
• 6.2 后续研究工作的展望
• 附录
• 附录A CIGRE直流输电第一标准测试系统的结构与参数
• 附录B 葛洲坝—南桥直流输电工程主要技术参数
• 附录C 坐标变换的定义
• 攻读博士期间发表与录用的论文
• 致谢