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直流输电系统主回路和控制器参数优化选择研究

作　者: 杨汾艳
导　师: 徐政
学　校: 浙江大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 高压直流输电国产化稳态响应特性暂态响应特性参数优化 PI参数 HVDC控制器稳定性主回路参数直流滤波器中性母线对地电容电容换相换流器换相电容
分类号: TM721.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

直流工程设计及设备制造的国产化，对增强我国在直流输电核心技术领域的实力具有重要意义。本文在直流输电系统主回路及控制器参数优化选择等方面进行了相关研究。主要内容如下：(1)研究了典型直流输电系统的暂态响应特性。分析了直流输电系统主要控制环节的功能，以及各控制环节之间的控制配合关系。按照直流线路的不同类型，对分别采用架空线、电缆的直流输电系统模型、以及背靠背直流输电系统模型，仿真比较了各种故障下的暂态响应特性。特别研究了交流侧发生故障时，直流输电系统的换相失败及其恢复过程，以及直流线路短路时直流输电控制器的动作特性和直流线路的过电流水平。(2)提出了一种基于系统稳定性及动态性能准则的具有全局最优特性的HVDC控制器PI参数优化方法——参数可行域划分优化方法。以定电流控制为例，根据控制系统开环传递函数，建立了满足系统稳定性的PI参数可行域；对可行域进行不同步长的划分，在得到的样本集中寻找对应由综合性能指标ITAE(integral of time multiplied by We absolute value of effor)表征的目标函数为最小时的一组PI样本，作为控制器PI参数的最优值。采用上述参数可行域划分优化方法得出的控制器具有良好的鲁棒性。这种方法克服了常规数学优化方法只能得到局部最优解的缺点，也避免了以往工程中采用试凑法进行PI参数调节的盲目性。(3)对直流输电主回路参数的优化选择进行了初步研究。首先，通过分析换流变压器短路阻抗对换流阀浪涌电流水平、换流器消耗的无功功率、以及换流站总费用等因素的影响，得出可根据换流阀的浪涌电流水平来优化短路阻抗的结论。其次，通过分析平波电抗器电感值的主要制约因素，指出用于初步选择电感值的综合公式；引入了电流斜率系数S_i，并分析了S_i用于表征系统故障时平波电抗器抑制故障电流上升的效果。最后，以葛南直流输电工程为例，验证了参数选择优化方法的合理性。(4)对直流侧滤波系统抑制谐波的效果、以及直流滤波器的参数优化进行了分析研究。指出了用于衡量直流线路谐波水平的标准，分析了平波电抗器布置方式、杂散电容、中性母线对地电容等因素对直流线路谐波水平的影响关系；揭示了直流线路等效干扰电流随中性母线对地电容值的变化规律，进而提出了直流侧滤波系统中中性母线对地电容的参数优化选择原则。分析了直流滤波器相关参数对直流侧滤波效果的影响，并对直流滤波器的优化进行了初步探索。(5)提出了HVDC系统采用CCC(Capacitor Commutated Converter)技术时，换相电容最优值的选取原则及具体实现方法。推导出换流阀电压峰值的表达式，分析了换相电容的变化对阀电压峰值的影响，从中揭示了换相电容的优化选取原则，以及实际工程应用中最优电容值的选取方法。提出了一种测量换流器实际关断角和视在关断角的方法。分析了CCC-HVDC系统的稳态响应及暂态响应特性，并与LCC-HVDC系统进行了对比。研究了CCC换流器在直流工程应用中的工程经济性，揭示了CCC技术在HVDC系统中的主要应用场合。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-31
  1.1 课题研究背景及意义  12-14
    1.1.1 直流输电技术在我国的应用现状  12-13
    1.1.2 直流工程国产化的现实意义  13-14
  1.2 直流输电控制系统  14-18
    1.2.1 直流输电控制系统概述  14-16
    1.2.2 直流输电系统控制策略  16-17
    1.2.3 直流输电控制系统的动态性能指标  17-18
  1.3 直流输电系统主回路参数的设计研究  18-21
    1.3.1 换流变压器和平波电抗器  18-19
    1.3.2 直流滤波系统  19-21
  1.4 HVDC换流器换相技术  21-26
    1.4.1 电网换相换流器(LCC)的技术缺陷  21-22
    1.4.2 自换相换流器技术  22-23
    1.4.3 电路换相换流器技术  23-24
    1.4.4 电容换相换流器(CCC)技术基本原理  24-25
    1.4.5 电容换相换流器(CCC)技术的研究现状与应用  25-26
  1.5 本文的主要工作  26
  参考文献  26-31
第二章典型直流输电系统及其响应特性  31-50
  2.1 引言  31
  2.2 直流输电系统的基本控制原理  31-38
    2.2.1 直流输电控制环节  33-38
    2.2.2 逆变侧的控制模式选择逻辑(CMS)  38
  2.3 典型直流输电系统及其响应特性  38-48
    2.3.1 不同输电线路类型对直流输电系统响应特性的影响  38-39
    2.3.2 采用电缆的直流输电系统  39-43
    2.3.3 采用架空线的直流输电系统  43-46
    2.3.4 背靠背直流输电系统  46-48
  2.4 本章小结  48-49
  参考文献  49-50
第三章直流输电控制系统中PI参数的优化选择  50-66
  3.1 引言  50-51
  3.2 控制系统PI参数优化的基本原理  51-55
    3.2.1 系统稳定性判据  51-52
    3.2.2 控制系统的开环传递函数  52-54
    3.2.3 用于PI参数寻优的ITAE准则  54-55
  3.3 PI参数优化方法在实际工程中的实现  55-64
    3.3.1 研究对象  55-56
    3.3.2 整流侧定电流控制器PI参数的优化  56-62
    3.3.3 对应最优PI参数时直流电流的阶跃响应  62-63
    3.3.4 最优PI控制器的鲁棒性检验  63-64
  3.4 逆变侧定电流控制器PI参数的优化  64
  3.5 本章小结  64-65
  参考文献  65-66
第四章换流变压器短路阻抗优化和平波电抗器电感选择  66-81
  4.1 引言  66
  4.2 换流变压器短路阻抗的优化选择  66-72
    4.2.1 参数选择的制约因素  66-68
    4.2.2 换流变压器短路阻抗的优化原则  68-72
    4.2.3 算例分析  72
  4.3 平波电抗器电感值的初步选择  72-78
    4.3.1 参数选择的制约因素  73
    4.3.2 平波电抗器电感值的初步选择  73-76
    4.3.3 电流斜率系数S_i  76-77
    4.3.4 算例分析  77-78
  4.4 本章小结  78-79
  参考文献  79-81
第五章直流输电系统直流滤波装置的优化选择  81-100
  5.1 引言  81-82
  5.2 直流侧谐波分析前提  82-85
    5.2.1 谐波电压源的准确建模  82-84
    5.2.2 实际谐波电压的选取  84-85
    5.2.3 衡量直流线路谐波水平的标准  85
  5.3 影响直流系统谐波的因素  85-93
    5.3.1 理论分析  85-89
    5.3.2 实际算例  89-93
  5.4 直流滤波器参数优化分析  93-98
    5.4.1 前提条件  93-94
    5.4.2 影响双调谐直流滤波器滤波性能的因素  94-95
    5.4.3 直流滤波器主电容参数的初步优化分析  95-98
  5.5 本章小结  98
  参考文献  98-100
第六章 CCC-HVDC系统换相电容的优化选择  100-116
  6.1 引言  100-101
  6.2 CCC-HVDC系统的稳态响应特性  101-106
    6.2.1 模型系统的运行特性分析  101-103
    6.2.2 CCC-HVDC系统的稳态响应特性  103-104
    6.2.3 交流系统强度对稳态特性的影响  104-106
  6.3 最优换相电容值的选择  106-111
    6.3.1 换流阀电压峰值表达式的推导  106-108
    6.3.2 换相电容优化选择的原则及实现  108-109
    6.3.3 工程经济性分析  109-111
  6.4 CCC-HVDC系统的暂态响应特性  111-113
    6.4.1 CCC-HVDC系统的关断角测量方法  111-112
    6.4.2 单相对地短路故障时的响应特性  112-113
  6.5 本章小结  113-114
  参考文献  114-116
第七章总结与展望  116-119
  7.1 全文总结  116-117
  7.2 研究工作展望  117-119
附录  119-131
  附录 A CIGRE直流输电标准测试系统模型及控制器结构  119-121
  附录 B 葛洲坝—南桥直流输电工程主要技术参数  121-124
  附录 C 灵宝直流输电工程主要技术参数  124-125
  附录 D 表征CCC-HVDC系统稳态特性的表达式的推导  125-131
致谢  131-132
攻读博士学位期间发表或录用的论文  132

直流输电系统主回路和控制器参数优化选择研究

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