（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电系统振荡及电流调节器参数优化的研究.pdf

第一章绪论 1 1 直流输电的发展简史及其优缺点 电力科学的发展，人们对电力的应用和认识首先是从直流电开始的。但是随着生产的发展以 及电能需求的不断增加，直流输电由于其自身的限制已经不能满足输电要求。随着技术的发展， 人们逐步掌握了多相交流电路原理，并且发明了交流发电机、变压器以及感应电动机：因此，交 流输电几乎完全取代了直流输电，并发展成现在的规模巨大的交流电力系统。 尽管如此，直流输电并没有被完全放弃，许多科学家及工程人员都预见到直流输电的实用性。 一方面是由于交流输电自身的问题，比如长距离大容量的功率输送问题、不同交流电网的同步互 联问题、以及交流电网足够大以后短路容量太大的问题另一方面，直流输电又有许多优点，它 能长距离大容量的输送功率、能够连接两个不同步的电网且不增加系统的短路容量。 由于交流输电系统发展的局限性，直流输电技术又重新被人们所重视。同时随着直流输电技 术的不断进步及其在许多方面具有交流系统无法比拟的优越性使得直流输电越来越为人们所接 受图1 - 1 是两端直流输电系统的构成原理图。 _ j b h 二 直蕾电 三- 三 线路 卜o h 卜 1 厂l p 童一m 1 蓬 9 枷。咛 0 d 川 、_ ，、 刮2 至叫胁 _ 】l c u ”u 、工v 卜_ 。口叫卜 丧i i 站1 羲毫地 图1 - 1 两端直流输电系统的构成原理图 1 一换流变压器：2 一换流器；3 一平波电抗器 4 一交流滤波墨；5 - - 直流滤波器 6 一控制保护系统；7 一接地极线；s 一接地极；9 一远动通信系统 在很长一段时间内，交流输电能得到飞快的发展甚至取代直流输电。必然有其自身的不可替 代的优点。然而，在交流输电充分发展的时候，重新发展直流输电，需要分析直流输电的优缺点， 与交流输电进行比较，直流输电的优缺点如下。 直流输电的优点： ( 1 )有利于改善两侧交流系统的稳定性 ( 2 )具有良好的故障恢复特性，甚至针对绝缘的恶化，可以在降压情况下继续运行 ( 3 ) 调节速度快，可以进行功率紧急支援 ( 4 ) 不会增大交流系统的短路容量 ( 5 )可实现两交流系统的非同步运行 ( 6 )相对交流线路来说，直流输电的线路造价低 ( 7 ) 线路的损耗小 ( 8 )适合长距离电缆输电，尤其是跨海输电以及地下电缆输电 ( 9 ) 适合进行长距离，大容量的功率输送 当然，尽管直流输电有着如此多的优点，但同样也有着自身的缺点以下列举了直流输电的缺点： ( 1 ) 换流站的投资大 ( 2 ) 换流器换流过程中需要大量的无功功率，同时产生大量的谐波，因此不得不装设大量的滤波 及无功补偿装置 从上面对直流输电的优缺点的分析，可以看出直流输电的主要用途： ( 1 ) 长距离大容量电能的输送 ( 2 ) 海底电缆输电 ( 3 ) 不同频率或频率相同但非同步运行的交流系统之间的互联 ( 4 ) 用地下电缆向大城市供电 ( 5 ) 系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施 ( 6 ) 配合新能源输电，例如：风能、太阳能、潮汐能 1 2 直流输电在中国的发展 中国直流输电的发展，与中国经济的高速发展密切相关。经济的发展使得对电力的需求不断 上升，虽然我国有丰富的水力、煤炭资源，但分布不均匀。水力资源集中在西南部。煤炭资源集 中在山西、内蒙、陕西、宁夏等地区。我国沿海地区发展快，用电增长很快。当地煤炭和水力资 源比较缺乏，从外地运煤受交通条件的限制，而且发电成本高，污染环境，这就使得经济的发展 和能源的分布产生了矛盾。因此，需要发展电网，将西部大型水、火电站的电力送到沿海地区和 经济特区。但是无论是把三峡的水电送到华东、广东；还是把云南、贵州的水电送到广东，那都 设及到一个距离的问题。这些输电工程距离都在千公里以上，送电容量达数百万千瓦。如何将 这些电能输送到东部及沿海地区，经过技术上的论证以及经济上的比较，直流输电无疑是一个非 常好的选择。 与国外相比，中国直流输电的发展起步较晚，它跨越了汞弧阀换流时期，直接从晶闸管开始。 尽管目前中国的直流设备市场基本上被国外厂家占领，但我们在不断依托现有的工程积累经验， 并且通过技术转让逐步的实现各种设备的国产化。 中国直流输电经过十几年的发展，在设备国产化及运行经验上都取得了不小的成绩。表l 列 2 出了我国已投入运行直流工程： 表1 我国已运行的直流工程 直流工程输送容量额定电压 输送距离架空线，电 换流罂工程投运时 洲w ) 隹v ) ( k m ) 缆 脉动数 问 舟山 架空线电 6 1 9 8 7 年投运 5 01 0 05 4 缆 葛洲坝 1 2 0 05 0 0 1 0 4 5 架空线1 21 9 8 9 年极1 1 9 9 0 年极2 一上海 天生桥 1 8 5 0 0 9 6 0 架空线 1 2 2 0 0 0 年极l 一广东 2 0 0 1 年极2 嵊泗 6 05 06 6 2 架空线，电 62 0 0 2 生 缆 三峡 3 0 0 05 0 08 6 0 架空线 1 2 2 0 0 2 年极1 2 0 0 3 年极2 一常州 三峡 3 0 0 05 贝沁 架空线 1 2 2 0 0 3 年极1 一广东 2 0 0 4 年极2 贵州 3 0 0 1 05 0 08 8 0 架空线 1 2 2 0 0 4 年双极 一广东 灵宝 3 6 01 2 0oo 1 22 0 0 5 年 背靠背 1 3 国外直流输电发展 国外直流输电的发展历史比较长远，根据换流器件的不同可分为以下几个时期； ( 1 ) 无换流器件时期 早期的直流输电不需要经过换流。直接从直流电源送到直流负荷，即发电、输电和用电均为 直流电但是随着三相交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，发电及供电领域很快被交 流电所取代。因此，直流输电在很长一段时间内未能得到发展 ( 2 ) 汞弧阀换流时期 1 9 2 8 年具有栅极控制功能的汞弧阀的研制成功，意味着直流输电成为现实，它既可以用于 整流，同时也解决了逆变的问题。1 9 5 4 年世界上第一个工业性直流输电工程( 瑞典本土一一果特 兰岛直流工程) 在瑞典投入运行以后，标志着直流输电进入了个新的时期。直流输电开始用于 长距离大功率的电力输送、海底电缆输电以及交流联网从第一个采用汞弧阀的直流工程到1 9 7 7 年最后一个使用汞弧阀的直流工程建成，世界上共有1 2 项使用汞弧阀的直流输电工程投入运行 3 所有这些直流工程中，输送容量最大和距离最长的工程是美国太平洋联络线( 1 “0 肼、1 3 6 2 k m ) ， 最高的输电电压为加拿大纳尔逊河i 期工程( 4 5 0 k v ) 。但是由于汞弧阀的制造技术复杂、价格 昂贵、逆弧故障率高、可靠性低以及运行维护不便等因素，使得直流输电的发展受到了很大的限 制。 ( 3 ) 晶闸管换流时期 2 0 世纪7 0 年代以后。电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高压大功率晶闸管的问世， 晶闸管换流阀和微机控制技术在直流输电工程中的应用，有效地改善了直流输电的运行性能以及 可靠性，促进了直流输电技术的发展。晶闸管换流阀不存在逆弧问题，而且制造、实验、运行维 护和检修都比汞弧阀简单而方便。1 9 7 0 年，瑞典首先在果特兰岛直流输电工程进行了实验，采用 了晶闸管换流阀。由于晶闸管换流阀具有明显的优点，因此以后新建的直流输电工程均采用晶闸 管换流阀。与此同时，原来采用汞弧阀的直流工程也逐步被晶闸管所取代。1 9 7 2 年，世界上第一 条采用晶闸管换流阀的直流工程在加拿大投入运行，即伊尔河背靠背直流工程。该工程的成功投 入运行，标志着汞弧阀被淘汰，开始进入了晶闸管换流阀时期。在此期间，由于微机控制保护、 光电传输技术、水冷技术等新技术在直流工程中也得到了广泛的应用，促进了直流技术的进一步 发展。 晶闸管在直流输电工程中的应用，使得直流输电不管在输送容量还是电压等级上都有了很大 的提高。最典型的是已运行的巴西伊泰普直流工程，其架空线的电压等级为6 0 0 k v 、最大输送 容量为6 3 0 0 肼。此时的直流输电无论是在长距离大功率输电，还是在电网互联以及海缆送电等方 面都发挥了重大的作用。 ( 4 ) 新型半导体换流设备的应用 基于绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的一种新型直流输电方式轻型直流输电( h v d cl i g h t ) 的 出现，意味着直流输电进入了一个新的发展时期。但是由于i g b t 单个元件的功率小、损耗大、 因此不利于大型直流输电工程采用。随着电力电子技术的不断发展，新的半导体元件将进一步得 到发展。近期研制成功的集成门极换相晶闸管( i g c t ) 和大功率碳化硅元件，在直流输电工程中有 很好的应用前景。因为这些元件电压高、通流能力大、损耗低、体积小、可靠性高，而且还具备 自关断能力。可以预计，随着新技术的不断进步，这些新型的半导体换流器件将取代普通的晶闸 管，并将有力地推动直流技术的发展。 1 4 本课题的研究任务 中国的直流输电正面临着一个大好的发展机会，直流输电将在中国得到蓬勃的发展。如何 保证直流输电工程长期稳定可靠的运行，是今后工作的努力方向。在电力系统的不断发展中，不 断的遇到各种新的问题，直流输电的发展同样有着不能忽略的问题。由于交流系统容量的不断增 加，会对直流系统带来什么样的影响，会不会原有的调节器控制参数已经不能适应直流输电系统 的运行。导致直流系统在交流系统故障扰动时出现停运。针对这些问题，本课题从实际出发，对 直流输电工程中出现的问题。通过仿真试验进行了有针对性的研究。 1 5 本课题的研究方法及采用的工具 本文采用数模混合物理仿真装置。通过具体试验进行课题研究，其物理模型具有和实际直流 输电工程一样的控制保护系统。对于现场的各种主要的电气一次设备，例如，换流嚣、换流变压 器、交直流滤波器、平波电抗器以及输电线路等，在该物理模型中均采用按模比缩小的具有同 样特性的元器件来表达交流系统采用两个无穷大电源，通过改变串联的短路阻抗来形成不同容 量的交流系统。 由于具有和现场原理一致的直流控制系统( m a c h 2 ) ，因此可以方便的进行课题的研究通 过在m a c h 2 控制保护系统上进行电流的阶跃试验进行参数优化，在交流系统及直流系统故障试 验中进行直流系统振荡的分析。 1 6 本章小结 本章首先说明了直流输电的发展历史以及直流输电系统的具体构成，同时还详细的介绍了直流 输电的优点以及它的不足之处，以便对直流输电有个整体的概念。其次介绍了直流输电技术在中 国的发展情况以及我国现有的直流输电工程，还根据换流元件的发展介绍了国外直流输电技术的 发展情况最后对本课题的研究任务和具体的研究方法及工具进行了介绍。 5 第二章直流输电的原理及其控制系统 2 1 直流输电的基本原理 换流站是包含实现大容量交，直流电能相互转换设备的场所。实现交流电转换为直流电的设 备称为整流器，而直流电转换为交流电的设备称为逆变器，它们统称为换流器。整流器和逆变器 的设备可以基本相同，只是控制方式不同。当换流器触发角a 9 0 。时，换流器运行于逆变工况，就为逆变器。 参考文献 1 对直流输电的原理进行详细的介绍。换流器通常均由换流阀接成一定的回路来 进行换流。直流输电的换流器是采用一个或多个三相桥式换流电路( 也称6 脉动换流器) 串联 构成，因而可用6 脉动换流器( 也称换流桥) 作为原理分析的基础。换流桥由6 个换流阀组成， 其中阀v 一、u 、v s 共阴极，称为阴极换相组或阴极半桥：阀v ：、v 、k 共阳极，称为阳极换相组或 阳极半桥。代表阀的符号v 后面的编号是按换流阀运行时触发次序编排的，通常是将v 的阳极接 到a 相。 单桥整流器的原理接线如图2 1 所示。图2 2 给出整流器主要各点的电压和电流波形 o 圈2 - 1 单桥整流器原理接线图 图2 - 1 中e - e “为等值交流系统的基波正弦相电动势，l ，为每相的等值换相电抗。 6 “l i 、打销弋阀抖带滑衬时 ；土l 墓蘑。簟i 善奄- - 蕾l 辟ul ，l ，l i 。厂孙厂n y4 k 点 图2 - 2整流器的电压和电流波形 ( 曩) 交流电动势和直流侧m 和n 点对中性点的电压波形 ( ”直流电压和阀1 上的电压波形( c ) 触发脉冲的顺序和相位 ( d ) 阀电流波形( e ) 交流侧a 相电流波形 图2 - 1 和图2 2 ，l l - 、u w 、h 、u _ 、为换流阀的换相线电压，并且规定线电压l 1 - 由 负变正的过零点为c 。它是v t 的触发角a1 计时的零点，其余的线电压过零点已一c 则分别为v ： - - v 。的触发角a2 - a6 的零点。在理想条件下，交流系统是完全对称的，触发脉冲是等距的，换 流阔的触发角也是相等的，通常用a 来表示 逆变器将直流电转变为交流电，然后送入受端的交流系统图2 - 3 为单桥逆交器原理接线图 图2 - 4 给出逆变器主要各点的电压和电流波形 7 圈2 - 3 单桥逆变器原理接线图 ；- 父一 k 醛、落、毫 父一 p ，：。疋1 p 7 i i t - ，i o y q ，_ r f”- v 。卜寸嵴对处叭：r i ni 玎n1 1li i ini in “：1 ， ：， ： 9 ，p ， ，：) (，：爻，y ：y ，竹 - - i i 取 h x i i “| l iy f yt 。 厂k k ： 石 ：兰 ，r l 且： = 垒厂 矗 i 一卑； 图2 - 4 逆交器的电压和电流波形 ( a ) 交流电动势和直流侧i l l 和n 点对中性点的电压波形 直流电压和阀1 上的电压波形( c ) 触发脉冲的顺序和相位 ( d ) 阀电流波形t e ) 交流侧a 相电流波形 0 对比图2 - 1 和图2 - 3 可知，逆变器和整流器的原理接线图相同，因此换流器既可作为整流器 又可作为逆变器，它们只是运行状态的不同由于换流阀的单向导电性，逆变器阀的导通方向必 须和整流器一致，才能保证直流电流的流通。 参考文献【1 】提出了有相控时出了整流器的理想空载直流电压的平均值为： u d o = u a oc 0 5 a 换流器作为逆变器运行时，其共阴极点( n ) 的电位为负，共阳极点( m ) 则为正，与其作 为整流器运行时的极性正好相反。由式( 1 ) 可知，当口= 9 0 时，则u = u c o s l z - - - - 0 ，如 果a 继续增大( 口) 9 0 ) ，则即为负值，此时换流器就有可能由整流器变为逆变器运行 根据换流阀的导通条件，换流阀只能在0 口 9 0 ，其直流侧电压为负值：逆变器的关断角丫必须大于伽，以保证正常换 相。逆变器的阀电压、阀电流、直流电压等波形相当于整流器的波形翻转1 8 0 。因此，逆变器的 阀在一个工频周期内大部分时间处于正向阻断状态，而整流器则大部分时问处于反向阻断状态 2 2 直流输电的控制系统 2 2 1 直流输电控制的基本原理 直流输电系统的控制调节，是通过改变线路两端换流器的触发角来实现的，它能执行快速和 多种方式的调节，不仅能保证直流输电的各种输送方式，完善直流输电系统本身的运行特性，而 且还能改善两端交流系统的运行性能。因此，直流输电的控制调节对整个交直流系统的安全和经 济运行起着重要的作用。 文献【3 】提供了换流器的稳态数学模型，可以得到两端直流输电系统的等效电路，如图2 - 5 所示 图2 - 5 两端直流输电系统的等效电路 从整流侧向逆变侧的直流电流为 ，a ：，8 l ! ! ! ! ：；! ! ；：i 导h 二q 。z 。， 由图2 - 5 和方程( 2 2 - 1 ) 可以看出，不管是直流电流还是直流电压都决定于口、，、和k 四个量，因此上述四个量是直流系统的控制量，且除此以外没有其他的量可以作为控制量。因此 我们说，直流输电的基本控钼手段就是控制上述四个量以满足直流输电系统的各种运行要求。在 l o 上述四个控制量中，a 和声分别是整流侧和逆变侧的触发控制角，具有极快的响应速度，通常在 l 删之内和分别对应整流侧和逆变侧换流变压器的阀侧空载电压，可以通过调节变 压器的分接头来加以调节，但其响应速度与触发角控制相比要馒得多，通常变压器的分接头每调 一档要5 - 。l o s 。因此在交流系统或直流系统发生故障的暂态过程中。直流输电系统能发挥作用的 控制量只有两侧的触发角a 和厉换流变的分接头调节在暂态过程中可以认为不起作用。更一般 的情况是，对于交流系统中的电压快速变化，直流系统可以通过触发角的调节来维持其性能，而 对于交流系统中的缓慢电压变化，直流系统通过调节换流变的分接头来使触发角维持在额定值附 近 由于直流输电系统的快速控制只有改变触发角，因此对于两端直流输电系统，控制的自由度 只有两个，显然能被控制的量也只有两个，不可能有更多的量被控制。通常要求直流输电系统按 照某种功率指令运行因此最直接的控制模式就是定功率控制，为了达到定功率控制的要求，最 简单的就是一侧控制直流电压恒定。男一侧控制电流恒定。由于整流运行和逆交运行各自的不同 特点，通常整流侧是定电流控制，而逆变侧是定电压控制。 上面讲的是最基本的控制方式。当然在不同的情况下可能会有不同控制方式。以下对整流站 和逆变站的基本控制及其特性傲进一步的简单介绍【2 1 2 2 2 整流站的基本控制配置 ( 1 ) 最小触发角g t 控制 晶闸管阀由数十乃至上百个晶闸管构成，在控制极施加触发脉冲的时候，如果施加在它上面 的正向电压太低，阀触发电路能量不足，会导致晶闸管导通的同时性变差，对阀的导通不利；因 此，设定了最小触发角控制这个功能从世界上一些直流输电工程的设计及运行经验来看，绝大 多数直流工程采用的最小触发角为5 。 ( 2 ) 直流电流控制 直流电流控制也称定电流控制，是直流输电的悬基本的控制，它可以控制直流输电的稳态运 行电流，并通过它来控制直流输送功率以及实现各神直流功率调制功能以改善交流系统的运行性 能。同时当系统发生故障时，它又能快速的限制暂态的故障电流以保护晶闷管换流阀以及其它设 备。因此，直流电流调节器的稳态及暂态性能是决定直流输电控制系统性能好坏的重要因素 ( 3 ) 直流功率控制 直流功率控制也称之为定功率控制，可以使直流输电系统按照预定的计划输送功率。然而功 率调节器并不直接去控制换流器的触发脉冲相位，而是以直流电流调节器为基础，通过改变电流 调节器的电流定值的方法来实现功率调节。 除此以外还有其它一些控制方式，例如，为限制过电压而配备的直流电压控制；当直流电压 太低时，减小直流电流指令值的低压限流控制等 “ 2 2 3 逆变站的基本控制 ( 1 ) 定关断角控制 当换流嚣作逆变器运行时，从被换相的阀电流过零算起，到该阀重新加上正向电压为止的这 段时间所对应的电角度，称之为关断角。如果关断角太小，以致晶闸管来不及完全恢复其正向阻 断能力，又重新被加上正向电压，那么它就会重新自行导通于是将发生倒换相过程，其造成的 后果是应该导通的阀关断，而应该关断的阀却继续导通，这种现象被称之为换相失败。 在直流输电工程中，如果发生一次换相失败，系统往往能自行恢复，对直流输电影响不大， 但是如果连续地发生换相失败则会严重地影响直流功率的输送。因此，从保证逆变站的安全运 行观点来看，关断角应保持大一点。然而从另一方面来看，增大关断角会降低逆变站的功率因数， 使得逆变站消耗的无功增大。因此，定关断角调节器的任务是通过进行合理的调节，将关断角限 制在最小安全值以上。 ( 2 ) 直流电流控制 根据电流裕度控制原则，逆变侧也需要装设电流调节器，不过逆变侧电流调节器的整定值比 整流侧要小，因此在正常工况下，逆变侧定电流调节器不参与调节。只有当整流侧直流电压大幅 度降低或逆变侧直流电压大幅度上升时，才会发生控制模式的转换，变为整流侧最小触发角控制 起作用来控制直流电压，逆变侧定电流控制起作用来控制直流电流。同时，还可以配备自动电流 裕度补偿功能。来弥补与电流裕度定值相等的电流下降，尽量减少直流输送功率的降低。另外， 因各种故障原因，直流电流突然大幅度减，j 、，整流侧失去控制电流的能力，逆变侧也将进入定电 流控制。 ( 3 ) 直流电压控制 逆变站采用定电压控制方式与定关断角控制相比，更有利于直流系统的动态稳定。因此，逆 变侧一般采用定电压控制。 还有其它的一些控制方式，例如，低压限流控制、最大触发角控制 2 3 两端直流系统基本运行特性 2 3 1 两端定触发角控制 直流系统的控制基础是两端定触发角控制。当不考虑调节器的作用时，整流器将按一个固定 的触发滞后角，逆变器将按一个固定的触发超前角运行。如果以整流侧直流电压测量点( 图2 - 5 中的p d 下的点) 为界，写出两侧的稳态伏安特性方程：即左侧为整流器直流电压方程式( 2 - 1 - 2 ) ， m 点右侧为：式( 2 1 - 3 ) 或式( 2 - 1 - 4 ) 在一个平面直角坐标轴系中，分别作出两个方程的直流电流与直流电压的关系曲线( 参见图 2 - 6 ( a ) ) 。对于一个恒定的触发角，左边的特性是以整流器内阻的负值为斜率的直线，右边特 性是以的逆变器内阻与直流线路电阻之和为斜率的直线。式( 2 1 - 3 ) 定超前触发角特性的斜率 是正的：式( 2 - 1 4 ) 定关断角特性的斜率是负的( 参见图2 - 6 ( b ) ) 。两侧直线的交点为直流系 统的稳定运行点n v a i 2 i 0 0 8 0 6 0 4 0 2 v d 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 o 2 o 1 l ) 迦 - - - - - n = ：一一 乏 0 0 0 2 0 40 6 0 8 1 0 i 2 i d ( p u ) 0 00 20 4 0 6 0 8 1 0 1 2 i d ( p u ) 图2 6 定触发角伏安特性 c a ) 定a 与定9 运行特性：( b ) 定a 与定y 运行特性 一定滞后触发角特性：一定超前触发角特性；一定关断角特性 2 3 2 触发角限制 两端的不同触发角的伏安特性直线，是一组相互平行的，沿垂直方向变化的的直线( 如图中 的虚线所示) ；但是，角度变化与直流电压( 直线间距离) 变化的关系是非线性的。换流器触发 角在0 。9 0 。范围内变化时，为整流器运行考虑到必须有一定时间，保证每个阀可控硅元件 的触发电路，具有足够的触发功率和能克服元件参数误差的影响，通常最小触发角限制设为5 。 它的特性处于较高的位置。 而换流器触发角在9 0 。1 8 0 。范围内变化时，为逆变器运行；但最大触发角要受到换相角 和关断角的限制逆变器运行的控制角a ( 或滞后触发角) ： a = 1 8 0 。一b = 1 8 0 。一( ￥+ v ) ( 2 - 3 1 ) 式中：9 为超前触发角；y 为熄弧角；p 为换相角。 按照式( 2 - 3 1 ) ，增大触发角o ，即减小超前触发角p 或y ，在伏安特性上的直线将上移。 但是，一般大功率可控硅元件的去离子恢复控制的时问( y 一) 在4 0 0 ps ( 约7 个电角度) 左右： 一个可控硅阀，考虑串联元件的误差和关断角调节器响应需要时间，为避免系统小扰动就换相失 败，需要考虑一定的裕度。根据直流工程经验，关断角调节器的设定值( yo ) 一般为1 8 。左右。 按照式( 2 1 - 4 ) ，定关断角的特性是个负阻特性( 参见图2 - 6 ( b ) ) ，即直流电压下降，直流电流 上升：y 增大，直流电压将下降超前触发角s 的藏小，也减小了y 角的裕度，最后达到最小y 角限制。 由图2 - 6 还可以看出，随着交流系统电压幅值的变化，定控制角的特性直线也将沿着垂直方 向平行变化：但是，直流电压的变化与交流电压变化的关系是线性的因此，当任一端交流电压 变化时，直流系统的运行点将发生变化( 图2 - 6 各个直线间的交点) 。运行点的变化使直流电压和 电流跟随变化，像交流输电线路一样不能控制输送功率和保持输电的稳定 2 3 3 直流电流调节 两端直流输电系统，直流电流是相同的；为了保证直流系统的稳定，必须有一端控制直流 电流。按照式( 2 2 1 ) ，以给定的值为参考，进行直流电流的闭环控制。在其它因素变化时，改 变一端的控制角，可以使实际的直流电流在设定的电流值上运行。 从图2 - 7 a 整流侧定电流与逆变侧定角度的运行特性可以看出，正常运行状态，逆变侧运行在额 定直流电压对应的b 角特性上，与整流侧的定电流特性( 假定为1 o p 1 1 ) 相交于n 点如果整 流侧交流电压下降，运行点按着逆变侧定1 3 角特性到b 点，直流电压下降，直流电流下降；由于 整流器电流调节器的作用，减小a 角，使运行点回到n 点，用a 角变化对应于整流侧交流电压变 化，保持直流电流不变：除非受到最小a 角限制。同样，如果整流侧交流电压上升，运行点按着 逆变侧定b 角特性，使直流电压和电流上升；由于直流电流调节器的作用，增加a 角，使运行点 回到n 点，用n 角的增加对应于整流侧交流电压的上升，保持直流电流不变。而逆变侧交流电压 下降，运行点将沿着整流器定电流特性，下降到相应交点c ，直流电压降低；同样，逆变侧交流 电压上升，直流电压将上升到相应的值；因此，直流电压跟随逆变侧交流电压的变化，不能保持 恒定 v d 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 20 4 0 6 0 8 1 0 1 2i d ( p 1 l ) 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 h ( p u ) 图2 7 定电流与定角度的伏安特性 ( a ) 定电流与定b 运行特性； ( b ) 定d 与定电流运行特性 从图2 - 7 整流侧定。角与逆变侧定电流的运行特性，可以看出正常运行，整流侧的定a 角特性与 逆变侧定电流特性相交于n 点如果逆变侧交流电压下降，运行点按着整流侧定a 角特性到b 点， 直流电压下降，直流电流上升；由于逆变器电流调节器的作用，减小b 角，使运行点回到1 1 点， 用1 3 角变化对应于逆变侧交流电压变化，保持直流电流不变；除非受到最大a 角或最小y 角的限 制。同样，如果逆变侧交流电压上升，运行点按着整流侧定。角特性变化。使直流电压上升，直 流电流下降；由于逆变器电流调节器的作用，增加b 角，使运行点回到i i 点，用b 角增加对应于 逆变侧交流电压上升，保持直流电流不变；除非受到逆变器最小。角限制。而整流侧交流电压下 降，运行点将沿着逆变器定电流特性，下降到相应交点c ，直流电压降低；同样，整流侧交流电 压上升，直流电压将上升到相应的值：因此，直流电压跟随整流侧交流电压变化，不能保持恒定 1 4 2 3 4 直流电压调节 在两端直流线路，一端定电流调节时，另一端定触发角控制，仅在一定程度上起到控制直流 电压的作用：但是，它们不能完全保持直流电压稳定。同样，一端定电压，另一端的定触发角控 制，尽管可以保持直流系统电压稳定；但是，在定触发角侧交流电压变化时，直流电流将发生较 大的波动因此，只有一端为定电流控制，另一端利用式( 2 - 1 - 2 ) 或式( 2 1 4 ) ，采用定直流电 压闭环控制，才能在保持直流电压恒定同时。使直流系统稳定运行。 例如，图2 8 a 整流侧定电流和逆变侧定电压的运行特性，可以看出：逆变侧的定直流电压特 性是平行于直流电流轴的直线。运行在额定工况的定直流电流与定直流电压特性十字相交于n 点 整流侧交流电压变化的调节过程同前面定电流调节叙述的一样，不再累述如果逆变侧交流电 压下降，运行点瞬间沿着整流器定a 角特性达到b 点；此时，直流电压下降，直流电流增加；因 此，逆变器定电压调节器减小9 角提高电压，也起到减小电流的作用。同时。整流器定电流调 节器加大a 角，减小电流，与逆变器定电压调节器配合：如果电流调节器的响应速度较快；当电 流达到设定值c 点后，随着直流电压的上升，又需要减小a 角。最终的结果是逆变器定电压调节 嚣。改变e 角弥补逆变侧交流电压的变化，使运行点回到n 点，达到维持直流电压和电流不变； 除非b 角受到边界限制 v i 1 2 i 0 0 8 0 6 0 4 o 2 0 m ) 、- 一一n 一， 一一，一一一一一 e 下一一 0 0 0 2 0 4 0 6 0 81 01 2 i d u ) v d 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 o 仉) n 一，一7 ：二? 邙 = 屯一一 图2 - 8 定电压与定电流的伏安特性 ( a ) 整流器定电流运行特性；( b ) 逆变嚣定电流运行特性 从图2 - 8 b 整流侧定电压与逆变侧定电流的特性特性，可以看出运行在额定工况的定直流电流与定 直流电压特性十字相交于n 点。逆变侧交流电压变化的调节过程省略。整流侧交流电压下降，运 行点瞬间按着逆变器定b 角特性到b 点，直流电压下降和直流电流上升；整流器电压调节器减小 a 角提高壹流电压，实际首先提高了直漉电流，回到n 点。只有在逆变器电流调节器响应较快条 件下，才用增加b 角增加电流；同样，当电流达到设定值c 点后，与直流电压升高配合，又将减 小1 3 角，使运行点回到n 点。最终，用减小。角弥补整流侧交流电压变化，保持直流电流和直流 电压不变；除非受到最小。角限制。同样，整流侧交流电压上升，整流侧定电压调节器，用增大 a 角弥补整流侧交流电压变化，将保持直流电压和电流不变 逆变器采用定电压调节器，加上定y 角限制的调节方式适用于逆变侧交流系统为弱系统，即 交流系统等值( 短路) 阻抗较大的场合，它有利于交流电压的稳定。例如，由于某种扰动使逆变 站交流母线的电压下降时，为了保持直流电压，逆变器的电压调节器自动地减少，因此使逆变器 的功率因数提高，消耗的无功功率减小，有利于防止交流电压进一步下降或阻尼电压振荡。如果 逆变器采用定y 角调节。则当交流电压下降时，它将增大b 角以保持y 角不变，因此逆变器功率 因数下降，消耗的无功功率增大，致使交流电压进一步下降，在某种条件下甚至形成恶性循环， 最终导致交流电压崩溃。定电压调节的另一个优点是，在轻载( 直流电流小于额定值) 运行时， 由于y 角比额定运行时大，对防止换相失败更为有利。定电压调节的缺点是：在额定条件运行时， 为了保证直流电压具有一定的调节范围，逆变器的y 角略大于给定值，亦即消耗的无功功率较多， 换流器的利用率较低。 2 3 5 直流系统的基本控制一电流裕度控制 根据实际直流工程的需要，可以选择上面叙述的不同运行特性，组合成直流系统的基本控制 特性。自从1 9 5 4 年哥特兰岛直流输电工程投入运行至今，所有直流输电工程都无例外采用了电 流裕度控制特性；这是维持直流输电系统稳定运行的一种通用的控制方法 这种两端直流系统的基本控制性能，如图2 - 9 所示：整流侧特性由定电流和最小触发角两段 直线构成：逆变侧特性由定直流电流和定关断角或定直流电压两段特性构成。为了避免两端电流 调节器同时工作，引起调节不稳定，逆变侧电流调节器的定值比直流侧一般小0 i p t 1 ，这就是 电流裕度 正常运行时，以整流侧定电流，逆变侧定关断角或定直流电压运行特性工作。当整流侧交流 电压降低或逆变侧交流电压升高很多，使整流器进入最小触发角限制时，直流电流小于稳态值 0 1 p u ，逆变器将自动转为定直流电流控制。这种整流器和逆变器控制特性的组合，就是电流 裕度控制特性，使直流输电系统传输的直流电流不致因所连接的交流系统电压的变化而大幅度波 动，从而保证了直流功率的稳定传输。 直流输电系统的其它控制功能，如定功率控制、频率控制、阻尼控制等高层控制，都是在此 基础上增设的。 v d 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 o 2 图2 - 9 直流系统的基本控制特性 ( a ) 电流裕度控制特性； ( b ) 直流系统实用控制特性 2 3 6 直流系统基本控制性能的改善 实际使用的直流输电控制系统，为了控制调节和系统的动态稳定，在基本控制特性上还有一 些改善措施，现举例如下： ( 1 ) 电流裕度平滑转换 如果逆变侧交流系统较小，图2 母的电流裕度特性中的逆变器定y 角特性的斜率将大于整流 器的定a 角特性，在电流裕度之间没有稳定运行点，裕度两端电流特性与最小a 角和最小y 角特 性的交点，随着交流电压的变化，将出现来回振荡不稳定。为了避免这种现象发生，在实际特性 中都有这样的环节：当逆变器实际电流在逆变器电流定值与整流侧电流定值之间，即h o - a h l a 最大( 或百分比表示) 过调量的数值，直接说明了系统的相对稳定性 5 ) 调整时间t i ：在响应曲线的稳态线上，用稳态值的百分数( 通常取5 或2 作一个允许 误差范围。响应曲线达到并永远保持在这一允许范围内，所需的时间，叫做调整时间。 调整时间与控制系统的最大时间常数有关允许误差的百分比选多大，取决于被设计的 系统要完成的任务 上述时域性能指标是很重要的，因为大多数控制系统都是时域系统；这些系统必须具备适当 的时域响应。控制系统必须不断地修改，直到瞬态响应满足要求时为止。这些性能指标，并非在 任何情况下都必须全部采用。例如，在过阻尼系统中，就无需采用峰值时间和最大过调量。 高阶系统的响应曲线，是由一些指数曲线和阻尼正弦曲线合成的。这些阶跃响应曲线的特点 是，它们是由一些小振荡曲线与大振荡曲线，或指数曲线叠加而成的。快速衰减元件只对瞬态响 应的初始阶段有影响。 3 3 直流输电控制系统调节器原理 由第二章和上一节的介绍可见，直流输电控制系统是一个复杂的高阶控制系统，以一些调节 器为基础对直流输电系统进行闭环控制。直流输电控制系统，不仅控制器采用计算机控制，而且 控制对象换流器采用等间距触发；因此，也是一个典型的离散控制系统在直流输电系统中，各 种调节器采用的原理与上述的比例积分控制器原理基本相同，仅a b b 公司采用的直流电流调节 器结构略有不同，现以葛南直流控制保护改造工程为例介绍如下。 3 3 1电流调节器的作用 在高压直流输电控制系统中，换流器控制是最基础的部分，它通过对换流器触发脉冲的控制 和对换流变压器分接头位置的控制来完成对直流输电系统传输功率的控制。数十年来，随着电力 电子技术的日新月异，高压直流输电的控制技术得到了飞速的发展，控制系统中的调节器从原来 物理式的控制器到现在数字式调节器，无论在性能还是稳定性方面都有了很好的改善。但其最基 本的控制原则一电流裕度法，却一直被现在的直流工程广泛的应用并且被证明是十分有效的控制 方法。 电流调节器是闭环调节器，在直流工程中对它的要求是： ( 1 ) 要有足够快的阶跃响应能力 ( 2 ) 保证稳态时电流误差为零 ( 3 ) 故障时能快速抑制过电流 ( 4 ) 允许两个电流调节器( 整流站和逆变站) 分时运行 下图为葛南直流控制系统改造后的电流调节器的功能框图： l l 氛0 c a ) 定电流调节器框图 5 o 0 0 r d ( b )定电流调节器传递函数 图3 - 4 葛南直流改造定电流调节器 一 这是一个比例一积分调节器，与图3 - 2 ( c ) 的不同是增加了一个独立的比例系数 3 3 2 电流调节器参数的影响 从图弘4 ( a ) 中可以看出，定电流控制器的输入是电流整定值和实际电流的偏差，由这个偏 差驱动p i 控制器得到的输出，即作为触发角的相关信号。通常来说，p i 控制器的输出就直接作 为触发角的指令值日“。 从参考文献【4 】和【5 】相关章节，以及电流调节器的传递函数( 3 - 4 ( b ) ) ，可以对电流调节器的 功能及调节特性进行分析。这个电流调节器包括三个可调参数g 、k p 和n ，它们有相互影响 其中： 1 ) g 一输入的放大倍数：相当于经典p i 调节器图3 - 2 ( c ) 的k p ；只要输入出现偏差，就能 及时地产生与之成比倒的调节作用，具有调节及时的特点但其作用的大小，除了与偏差g 有关 外，还与积分时间常数啊和相位系数k p 有关。 0 对瞬态性能的影响是：在积分时间常数合适的条件下，g 加大可以减小响应时间，过调量 基本不变。在积分时间常数较大的条件下，g 值越大，使系统的响应越灵敏、速度越快；随着g 加大，瞬态响应从过阻尼状态，逐渐减少调节时闻；再增加g ，将进入欠阻尼状态，使过调量增 加，衰减振荡次数加多，调节时间加长；当g 太大时，振荡趋于增幅振荡系统会不稳定；但是。 若g 偏小，会使系统的动作缓慢，调节时间较长；当g 太小时，将失去控制作用。在积分时间 常数较小条件下，g 不能设置太大，容易造成振荡 加大比例控制g ，可以减小稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。 2 ) 啊一积分时问常数：从p l 调节器的传递函数可知，如果k p 等于l ，就是典型的p l 调节 嚣，具有滞后的特性；如果币趋于无穷大。增益量为1 ，无滞后作用，调节器失去控制作用；随 着币减小，增益量逐渐增加，滞后作用逐渐增加：币趋于零时，增益量趋于无穷大，滞后趋于 9 0 度。因此，积分时间常数表示积分速度的大小；啊越大，积分速度越慢，积分作用就越弱； 反之。积分时间常数啊越小，积分速度就越快，积分作用就越强。增益量与比例系数g 的作用 相同，需要相互配合：滞后作用需要与闭环控制的响应匹配：才能得到最佳的特性。 面对直流输电闭环控制瞬态响应性能的影响：啊与系统的响应时间匹配得好时，负反馈作用 适当，有利于控制稳定；系统过阻尼时，减小骶，系统响应加快，调整时间减小；但是，随着 啊继续减小将进入欠阻尼状态，产生过调，使衰减振荡次数增多，调整时间跟着加长；t i 太小， 系统将不稳定。 积分控制啊对稳态特性的影响：能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。 3 ) k p 一相位系数：这个k p 对直流输电闭环系统性能的影响是非常复杂的，与典型的p i 调 节器不同由p i 调节器的传递函数可知，在g 和t 保持不变条件下，k 口等于零时，p i 调节器 的超前环节为零，滞后9 0 度：随着k p 增大，p i 调节器的滞后作用减小，增益增加；k p 趋于无 穷大，滞后作用趋于零，p i 调节嚣增益也趋于无穷大。 在闭环控制系统的瞬态响应中，随着k p 增加，超前作用增加，系统响应加快，减小过调量； 但是，k p 加大的超前量超过闭环系统延迟，将发生超调振荡。 由上各种调节系数分析可见，k p 与砸具有相同的的增益作用时，滞后作用是相反的。不同 k p 与币参数组合的p i 调节器将有不同的增益量和滞后作用。 3 3 4 直流输电系统基本响应要求 尽管直流输电的控制系统是个复杂的高阶控制系统，但是由于电力系统变化速度快，直流 工程调试仍然使用调节器参考值的阶跃变化来检验调节器的瞬时性能。对于每个直流输电工程都 提出了响应要求，以葛南控制保护改造工程为例，其主要指标如下： 1 ) 阶跃响应( 参见图3 - 5 和图3 - 6 ) 如果测量值在第一次过调之后能保持以新的整定值为中线，误差为整定值变化量的4 - 1 0 的 范围内，可以将响应时间订l 定义为从整定值变化时刻始，到测量值达整定值变化量的9 0 所需 要的时间。 采用订l 应满足的条件为：测量值将最终稳定到新的整定值。第一次过调量不得超过整定值 变化量的3 0 ，第二次过调时的误差不超过士2 。 如果测量值在第一次过调之后再次超出整定值变化量的士1 0 的范围，则定义响应时间n 2 为：从整定值变化时刻始到测量值进入并保持在以新的整定值为中线，误差为整定值变化量的：t ：1 0 的范围之内所需的时间。 对于过阻尼系统，响应时间仃3 定义为：从整定值变化时刻始，到测量值达到整定值变化量 的9 0 所需要的时问。测量值应在4 倍仃3 的时间内稳定到新的整定值，误差不超过士2 专 蠢置埴 t 戈蒜定藏婕， lo 辅 嚣麓羹 谴糕鬈鬟毽) loli 辫麓 圈3 - 5 下阶跃响应指标 l 舛瓣 叠置t 霉宅摹燕 麓薹t 麟罄_ t 蠢 l ： 圈3 _ 6 上阶跃响应指标 2 ) 直流电流控制器响应 当直流功率输送水平处于最小功率至额定功率之同时，直流极电流对电流指令的阶跃增加或 者阶跃降低的响应时间应满足如下要