（高电压与绝缘技术专业论文）高压直流输电工程极控系统建模的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了高压直流输电控制系统基本结构及工作原理，以实际工程的控制系 统为参照对象，运用p s c a d e m t d c 仿真软件对直流输电极功率控系统、换流器控 制、换流变分接头控制以及无功控制进行了数字建模。应用于c i g r e 的高压直流输 电标准测试系统，对直流输电控制器的p i 参数进行了优化，并对稳态运行、控制方 式转换、交流系统故障及直流系统故障等工况进行仿真分析，结合c i g r e 自带控制 模型进行故障仿真对比。结果表明本文所建控制系统具有良好的跟踪设定参考值变 化的能力；当交、直流系统发生故障时，控制系统调节快速，能迅速抑制故障，并 使故障恢复后直流输电系统能平稳过渡到稳定工况，说明本文所建仿真模型的正确 性。 关键词：高压直流输电，建模，极控系统，仿真计算，p s c a d e m t d c a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e so ft h eh v d cc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp r a c t i c a lh v d ct r a n s m i s s i o np r o j e c t ，o np s c a d e m t d c p l a t f o r m ，d cp o l ep o w e rc o n t r o l 、c o n v e r tc o n t r o l 、t a pc h a n g e rc o n t r o la n dr e a c t o rp o w e r c o n t r o lo ft h eh v d cc o n t r o ls y s t e ma r es e t u p a p p l i e dt ot h ec i g r eh v d cs t a n d a r d b e n c h m a r k ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep i - r e g u l a t o ra r eo p t i m i z e d ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i si n d i f f e r e n tm o d e s 、s u c ha ss t e a d ys t a t e 、c o n t r o lm o d e l ss w i t c h o v e r 、a ca n dd cs y s t e mf a u l t se t c ， a n dc o m p a r e dt h eh v d cc o n t r o ls y s t e m so ft h i sp a p e rw i t hc i g r eh v d cs t a n d a r d b e n c h m a r k ，p r o v e dt h a tt h eh v d cc o n t r o ls y s t e mo ft h i sp a p e rh a st h ea b i l i t yt ot r a c kt h e c h a n g eo fr e f e r e n c ev a l u e a ta ca n dd cf a u l t s ，c o n t r o ls y s t e mw i l lr a p i d l ya c t i v ea n dp r e v e n t f a u l t s ，a n df o r c eh v d cs y s t e mc o m eb a c kt os t e a d ys t a t e t h e s ep r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h e s i m u l a t i o nm o d e l l i uz h i y a n g ( h i g hv o l t a g e i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w e nj u n k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ，p o l ec o n t r o l ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ，p s c a d e m t d c 华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流输电工程极控系统建模 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包合为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：酗盎趔 日 期：垒笪：兰! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华j e 电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被杏阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 i 涉密的学位论文在解密后遵守此规定l 作者签名：垒毛堂 日 期：鲤l 虹 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 高压直流输电系统概述 1 1 1 高压直流输电系统的发展 第一章引言 1 9 0 1 年发明的汞弧整流管只能用于整流，而不能用于逆变，1 9 2 8 年具有栅极 控制能力的汞弧阀研制成功，它不但可以用于整流，同时也解决了逆变问题。因此， 可以说大功率汞弧阀的问世使高压直流输电( h v d c ) 成为现实。1 9 5 4 年，世界上 第一条采用换流器技术将交流电转换成直流电，再将直流电逆变为交流电的工业性 直流输电线路投入运行，这条输电线路工程就是瑞典的哥特兰( g o t l a n d ) 岛到瑞典本 土的一条输送功率2 0 m w ，输送电压1 0 0 k v ，输送距离9 6 k m 的海底电缆线路【2 1 。 6 0 年代晶闸管元件的出现，为换流器设备开辟了新的途径，高压直流输电也出 现了新的发展前景。晶闸管阀的首次采用是在1 9 7 2 年加拿大的伊尔河( e e lr i v e r ) 直 流输电工程，这个工程形成了在加拿大的新布朗斯威克( n e wb r u n s w i c k ) 省和魁北克 ( q u e b e c ) 省之间的背靠背联络线。这条3 2 0 m w 、2 7 0 k v 的h v d c 输电工程首次全 部采用了晶闸管换流器代替汞弧阀换流器。接着原有的直流输电工程也有相当一部 分用可控硅换流器取代了汞弧阀换流器【2 】。从此以后，直流输电进入了迅速发展的 阶段，工程规模也越来越大。 由于直流输电的固有缺点，后来发展了人工换相技术( 或强迫换相技术) 。其工 作原理是使换流器工作在、y 很小，甚至为负的情况下，从而减少换流器所吸收的 无功。具体的实现方案有电容换相换流器( c a p a c i t o rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ，c c c ) t 2 】 和可控串联电容换流器( c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o rc o n v e r t e r ，c s c c ) t 3 】等。 c c c c s c c 的基本思想是用串联连接的电容器来补偿换流器消耗的部分无功功 率。c c c 是把电容器放在换流变压器的二次侧，并采用固定电容器。而c s c c 是将 电容器放在换流变压器的一次侧，采用可控串联电容器( t c s c ) 连续调节电容值或采 用双向晶闸管分级调节串入的电容值【4 】。从严格意义上来说，c s c c 并不是一种新 型的换流器，而只是t c s c 技术和传统的电网换相换流器的结合，通过对串联电容 值的动态调整，可以克服可能发生的铁磁谐振。而当采用固定电容器串联补偿时， 克服铁磁谐振比较复杂f 5 l 。与传统的h v d c 输电相比，c c c c s c c 技术有很多优势， 后者可以提高换流器的功率因数；降低甩负荷时的过电压；有效降低受端系统故障 时逆变器换相失败的可能性；提高h v d c 输电运行的稳定性。虽然c c c c s c c 能 够减小换相失败的可能性，但一旦发生换相失败，将引起串联电容过电压，这将对 华北电力大学硕十学位论文 电容过压保护提出较高的要求，同时c c c c s c c 需要高性能的滤波器与之配合。不 论是电网换相换流技术还是c c c c s c c 技术，由于都是以半控器件为基础，采用触 发相位控制，因此只能工作于有源逆变方式【6 】。 最新发展的基于电压源型换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，v s c ) 的直流输电技 术【7 】采用i g b t 等全控器件，电流能够自关断，所以可以工作在无源逆变方式。同 时采用了正弦脉宽( s p w m ) 调制技术，通过控制s p w m 调制波的给定正弦信号的 相位和幅值，可分别控制有功功率的大小及方向和无功功率的大小及性质。a b b 公 司率先进行了基于电压源换流器( v s c ) 的直流输电实验，并将这一技术称为轻型高 压直流( h v d cl i g h t ) 输电技术1 5 j 。 轻型直流输电有明显的技术优势：可实现有功功率和无功功率同时且相互独立 的调节；可工作在无源逆变方式，受端系统可以是无源网络或孤立负荷；能够起到 静止无功补偿器( s t a t c o m ) 的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线 的电压；在v s c 容量允许的情况下，h v d cl i g h t 可向故障系统提供有功功率和无 功功率的紧急支援，提高系统的功角稳定性和电压稳定性；通过改变直流电流的方 向既能方便的控制潮流的方向，又能构成较高可靠性的并联多端直流系统；器件工 作的开关频率很高，只需经过低通滤波就可以得到所需的交流电压，可以不用变压 器，滤波装置的容量和体积也大大减小；提高系统阻尼，从而有效地抑制系统的次 同步振荡一j 。 高压直流输电技术自上世纪5 0 年代在电力系统中开始应用，到2 0 0 6 年底，世 界上已有近7 0 项高压直流输电工程成功投入运行。由于高压直流输电技术在远距 离大容量输电、背靠背联网、海底及地下电缆输电及向孤立负荷送电工程中的优势， h v d c 输电技术经历了阶跃式的发展，上世纪8 0 年代，由于联网需要，建设了1 4 项背靠背工程；建成了目前世界上最长的直流线路，即扎伊尔的英加沙巴工程 ( 1 7 0 0 k m ) 及电压等级最高( - f 6 0 0 k v ) 、输送容量最大( 3 1 5 0 m w ) 的巴西伊泰普工程。 到了9 0 年代，世界上第一个复杂的三端h v d c 工程( 魁北克新英格兰工程) 完成， 并建成了世界上最长的海缆( 2 5 0 k m ) h v d c 工程( 瑞典德国的b a l t i c 工程) 。目前， 投入运行的h v d c 输电工程主要分布在美国、加拿大、印度、日本等国家【1 1 。 1 1 2 高压直流输电技术在我国的应用现状 我国关于直流输电技术的研究工作在5 0 年代开始起步，但是发展曲折缓慢， 而且从设计、运行以及设备制造方面来看，与世界先进水平还有一定的差距。 目前，我国已经有了多个高压直流输电工程投入运行，它们分别是： ( 1 ) 1 9 8 7 年投运的浙江舟山直流输电工程，这是我国第一个直流输电试点工程， 整个工程由我国自行设计、制造、施工、调试和运行。工程兴建的目的是为了解决 2 华北电力大学硕十学位论文 舟山电力发展的需要，同时也为发展我国的直流输电技术进行探索并积累经验。其 运行参数为：额定直流电压1 0 0 k v 、额定容量1 0 0 0 m w 、输送距离5 5 k m ( 其中水 下电缆1 2 k i n ) 。 ( 2 ) 1 9 8 9 年投运的葛洲坝上海南桥直流输电工程，这是我国的第一个跨地区、 跨系统的超高压、远距离直流输电工程。华东地区是我国主要的工农业基地之一， 工农业产值均名列全国前列，但是华东地区能源资源严重短缺，此工程就是为了加 快华东地区的发展，并进一步为发展我国的直流输电技术总结经验而修建的。参数 如下：额定电压5 0 0 k v 、额定容量1 2 0 0 m w 、输送距离1 0 4 2 k m ，从运行参数来看， 该工程已经达到国际水平。 ( 3 ) 2 0 0 0 年投运的天生桥广东直流输电工程，其参数为：额定电压5 0 0 k v 、 额定容量1 8 0 0 m w 、输送距离9 6 5 k m 。 ( 4 ) 嵊泗直流输电工程，该工程是我国自己设计制造的另一个小功率跨海直流 输电试验工程。该工程采用双极海水回路，额定直流电压5 0 k v 、额定容量6 0 m w 。 2 0 0 3 年该工程j 下式投入运行，主要用于向嵊泗岛宝钢矿石码头供电。 ( 5 ) 2 0 0 3 年投运的三峡江苏常州直流输电工程，其运行参数为：额定电压 5 0 0 1 ( v 、额定电流3 k a 、输送距离8 9 0 k m 。 ( 6 ) 三峡广东直流输电工程，从2 0 0 1 年开始建设，2 0 0 3 年建成单极5 0 0 k v 、 输送容量1 5 0 0 m w ；2 0 0 4 年建成5 0 0 k v 、输送容量3 0 0 0 m w 。它是华中电网和南 方电网的重要联络线。 ( 7 ) 2 0 0 4 年贵州广东一回直流输电工程，其参数为：额定电压5 0 0 k v 、额定 电流3 k a 、输送距离8 8 0 k m 。贵广直流工程西起贵州省安顺市高坡镇，东至广东省 肇庆市高要莲镇，是国家“西电东送”的重点工程建设项目。 ( 8 ) 背靠背灵宝换流站工程。这也是我国第一个背靠背直流工程，同时又是一 个直流设备国产化示范工程，将西北与华中电网互联。从2 0 0 3 年开始建设，2 0 0 5 年建成并投入运行。其参数为：双极1 2 0 k v 、输送能力3 6 0 m w ，该工程直流设备 国产化示范工程。 ( 9 ) 三峡上海5 0 0 k v 直流输电工程，西起三峡右岸电站以东的湖北宜昌市宜 都换流站，东至位于上海市青浦区的华新换流站，双极额定输送容量为3 0 0 0 m w ， 线路全长约1 0 4 0 k m ；工程于2 0 0 4 年1 2 月2 8 日开工，2 0 0 6 年1 1 月7 日完成了整 个系统调试，并于1 1 月1 1 日至2 5 同j 顿利完成了试运行。 此外贵州广东第二回5 0 0 k v 、云南广州8 0 0 k v 等直流工程正在紧张建设之 中。这些工程的建设为我国“西电东送”及缓解沿海发达地区电力紧缺矛盾做出了 巨大贡献。 h v d c 输电技术的发展，加速了我国区域电网和全国联网的进程。目前我国电 网正处于高速发展的时期，已经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段， 3 华北电力大学硕士学位论文 虽然我国幅员辽阔，能源资源丰富，但是分布却很不均匀。水利资源的三分之二分 布在西南、西北地区，煤炭资源的6 0 左右集中在“三西”( 山西、陕西、内蒙西 部) 等地区，而我国的电力消费中心却主要集中在中部、东部和南部的沿海地区，其 电力消耗超过全国的5 0 以上。而且这些地区中的许多输电线路都超过了等价距离， 均适宜采用直流输电【l 】。今后我国的电网将主要分为三大块，即北部电网( 北通道) 、 中部电网( 中通道) 和南部电网( 南通道) 。今后联网主要采用超高压直流或超高压交流 ( h v a c ) 实现互联。与h v a c 输电相比，h v d c 输电在远距离、大功率输电方面更 具有优势，如果采用特高压直流( u h v d c ) 输电技术，输送容量还可以更大，能达到 现有超高压交流输送功率的6 8 倍。即便与近几年发展的特高压交流( u h v a c ) 输电 技术相比，u h v d c 输电优势也非常明显【s 9 】，且有大量可借鉴的工程经验，而u h v a c 输电可以借鉴的经验并不多【lo 】。u h v a c 在技术上无法克服传统交流输电的弊病， 即当输电距离超过1 0 0 0 k m 时，输送功率将大大低于其自然功率，需要加装大容量 的无功补偿装置才能提高线路的输送功率，而且交流同步联网的效益随着同步电网 的扩大而逐渐消失 1 1 , 1 2 】。而h v d c 输电则非常灵活，可以通过完备的控制取得最优 的输电和联网效益。 1 1 3 高压直流输电的特点 与交流输电相比，直流输电具有下列优点 i , 1 3 】： ( 1 ) 直流输电特别适合远距离、大功率输电。当输电距离超过6 0 0 9 0 0 k m 这个等 价距离后，采用直流输电比采用交流输电较为经济。我国的“西电东送”工程，其 输电距离超过1 0 0 0 k m ，输送容量达1 亿k w ，采用直流输电是较为经济合理的方案。 ( 2 ) 输送相同功率时，线路造价低、损耗小、杆塔结构简单。 ( 3 ) 线路有功损耗小。由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损 耗。 ( 4 ) 不会增加两侧交流系统的短路容量。直流联网后，短路容量基本没有增大， 不会对被互联交流系统的短路电流水平产生影响，所以直流输电可以限制系统的短 路电流。 ( 5 ) 线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布比较平稳，因此线路部分不 需要无功补偿。 ( 6 ) 调节速度快，运行可靠。直流输电控制系统通过晶闸管阀换流器，能够快速、 方便的调节直流功率，从而可实现各种控制，不仅可以保证正常运行时稳定地输出 功率，也可以在事故情况下，提高系统运行的可靠性。 直流输电与交流输电相比较，也有如下的缺点 i , 1 3 , 1 4 】： ( 1 ) 换流装置是一个谐波源，在运行中要产生谐波，影响系统的运行，所以需要 4 华北电力大学硕士学位论文 在直流系统的交流侧和直流侧分别装设交流滤波器和直流滤波器，从而使直流输电 的投资增大，同时也降低了直流输电的可靠性。 ( 2 ) 换流器在运行中需要消耗很多的无功功率，其数值约为输送直流功率的 4 0 6 0 。这就需要配置大量的无功补偿设备，使换流站投资增加。并且换流器几 乎没有过载能力，对直流系统的运行不利。 ( 3 ) 直流输电换流站比交流变电站的设备多，结构复杂，造价高，损耗大，运行 费用高，可靠性也差。 ( 4 ) 直流输电利用大地作为回路时，会对地下沿途金属构件和管道产生腐蚀。以 海水作为回路时，会对航海导航仪表产生干扰。 ( 5 ) 直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭弧问题难以解决，给制造带来 困难。 1 2 本课题研究的意义 高压直流输电系统一个很重要的优点就是它的快速可控性，控制部分在高压直 流输电系统中占有重要的地位，直流系统的正常运行也是依靠其控制来实现的，它 决定着直流运行点的正常运行，协调整流与逆变的过程，对于整个直流输电系统起 着至关重要的作用，这些控制就是直流输电系统的基本控制。分析清楚直流系统这 些基本控制的结构、功能以及常用的控制方式和不同控制方式对系统的影响，对于 进一步研究直流系统的控制策略对所连交流电网暂态稳定性的影响、直流系统控制 方式对扰动后电压和功率恢复的影响有着很重要的作用，可以对控制系统的稳态响 应特性以及交流系统故障时控制系统的策略做出分析。 因此，为了研究现代交直流电网运行的安全稳定问题，首先必须对直流系统的 运行特性及其控制系统有足够了解，并建立正确描述高压直流输电控制系统的仿真 模型，然后才能利用电力系统仿真软件进行交、直流系统稳态和暂态计算。目前， 在直流输电工程控制技术应用方面主要有瑞典a b b 公司、法国a r e v a 公司和德国 s l e m e n s 公司。其中，a b b 公司采用逆变侧定熄弧角控制方式，a r e v a 公司和 s i e m e n s 公司采用逆变侧定电压控制方式。而我国的直流工程控制系统来源于 a b b 公司和s i e m e n s 公司，国内自主研发和制造直流控制器领域几乎还是空白， 直流控制系统研究手段的缺乏与我国直流快速发展极不协调。 对应于直流输电控制系统的数字模拟，常用的仿真软件主要有电磁暂态仿真程 序a t p c m t p 、p s c a d e m t d c 、n a t o m a c 等，它们都能够很好地对非线性换流 器开关器件进行模拟，但使用的直流控制系统模型与实际工程直流控制系统相去甚 远，难以深入开展h v d c 控制保护及其对交流系统稳定影响方面的研究，为此建立 与工程实际接近的直流控制系统数学模型的研究将十分紧迫。本文将以实际工程的 s 华北电力大学硕士学位论文 控制系统为参照对象，以电磁暂态仿真程序p s c a d e m t d c 为仿真平台，建立能够 反映直流输电详细控制系统特性的数字仿真模型。 1 3 本论文所作的主要工作 本论文所做的工作主要分为以下五个部分： ( 1 ) 对高压直流输电控制系统的组成结构、功能及各种基本控制的基本控制原理 进行了详细分析。 ( 2 ) 基于p s c a d e m t d c 仿真软件，针对实际高压直流输电工程的控制系统， 在合理简化其控制系统的基础上，建立了高压直流输电h v d c 控制系统的详细数学 模型。 ( 3 ) 在国际大电网( c l g r e ) 标准测试系统上，利用阶跃响应原理对所搭建控制模 型各种控制方式下控制器的p i 参数进行优化。 ( 4 ) 在c i g r e 标准测试系统上，对直流控制系统各种控制方式的转换过程和交 直流系统典型故障及其暂态过程进行了仿真分析。 ( 5 ) 在c i g r e 标准测试系统上，在相同的故障条件下，对所搭建控制模型和 c i g r e 自带控制模型在典型故障条件下的暂态响应进行仿真对比。 6 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章高压直流输电控制系统原理 2 1 直流输电系统的基本控制手段 一个由六脉动换流器组成的单极两端直流输电系统，其等值电路如图2 1 所示。 图中左侧为整流器，右侧为逆变器。 磊，j o蔑屯 l ，3 5 b 图2 - l 直流输电系统等值电路 图中u d o ，和u d o j 分别表示整流器和逆变器的理想空载直流电压；d x r 和d 。i 分别表 示整流侧和逆变侧换相电抗；r l 为直流线路阻抗；p d 为输送的直流功率；l d 为直流 电流；a 和p 为整流器和逆变器的触发控制角；e r 和e i 为整流器和逆变器换流母线电 压有效值。 根据换流器基本工作原理【2 】，可得出如下换流器的稳态方程： 整流侧电压u d ，可表示为 u d r = u a o r c o so l 一3 d x r i d 1 t ( 2 一1 ) 逆变侧电压u d j 可表示为 u d i = u d o ic o s y 一3 d x i l d f f( 2 2 ) 或 u d i = j d o ic o sp + 3 d x i l d 1 t( 2 3 ) 直流电流i d 可表示为 i d = ( t j d o rc o sa u a o ic o s 3 ) r 1 + 3 t 【( d x i + d x r ) 】( 2 - 4 ) 或 i d = ( u d o rc o s 任一u d o ic o sy ) 【r i + 3 l z ( d x i d x r ) 】 ( 2 - 5 ) 其中整流侧和逆变侧的理想空载直流电压u d o 为 u d o = 3 扼e 加( 2 6 ) 从上式可以看出，不论是直流电压还是直流电流都取决于a ，b ，u a o ，和u d o i 四 个量，因此直流输电的控制系统可以从以下两个方面进行调节： ( 1 ) 调节整流器的触发角，或逆变器的越前角p ( 或熄弧角y ) ，即调节加到换流 阀控制极的触发脉冲相位，简称相位控制调节。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 调节换流器的交流电势e ，从而调节整流侧和逆变侧的空载直流电压u d 。，和 u d o i ，其一般靠改变换流变压器分接头或调节发电机励磁来实现。 用相位控制进行调节，不但调节范围大，而且非常迅速，是直流输电系统的主 要调节手段。用改变换流变压器分接头和发电机励磁来进行调节，其速度比较慢， 如改变换流变压器分接头通常每档需要5 - 1 0 s ，而改变a 或b 则只需要2 0 m s 3 0 m s 完 成一次调节l ”1 ，通常两种控制方式配合使用。 2 2 高压直流输电控制系统的分层结构 高压直流输电控制系统通常分三层：极控制级、换流器控制级和单独控制级【9 】。 极控制级接受来自调度中心的输送直流功率指令，经过计算后送出直流电流指令给 换流器控制级。换流器控制级把直流电流指令转化为触发角指令送给各个阀组控制 单元。单独控制级主要完成换流变压器分接头控制、无功补偿设备投切控制等控制。 为了保证底层的控制能够跟踪高层的控制指令，使整个控制系统协调稳定运行，直 流输电控制系统的各层次的控制在响应时间上有较大的差别，控制的层次越高，响 应速度越慢。例如，极控制级的功率阶跃变化所对应的响应时间一般在1 0 0 m s 左右， 而换流器控制级触发指令变化的响应时间只需要1 - 4 m s 4 1 。 2 3 极控制级控制 高压直流输电极控制级通常包含三个控制功能模块，如图2 - 2 所示。第一个模 块接受调度中心发来的信号，第二个模块是功率调制和快速功率变化控制，第三个 模块计算直流电流指令值，即期望的直流电流值，然后传送到换流器控制级【1 6 】。 2 4 换流器控制级控制 图2 2 直流输电极控制功能框图 在直流输电的换流器控制级控制中，都配备有带( x m i n 限制的定电流控制器、定 电压控制器和定熄弧角控制器，另外还配备有电流偏差控锖i j ( c u r r e n te r r o r c o n t r o l l e r , c e c ) 和触发控制。在定电流控制器中，电流整定值来自于低压限流环节( v d c l ) 的 输出加上电流调制控制器的输出。换流器功能框图如图2 3 所示。 8 华北电力大学硕士学位论文 鞯漉、熊聱 薹 小 囊 蠢 耕翊拧艇 图2 - 3 直流输电换流器控级功能框图 上述各种控制器控制的目标是使直流输电系统按照某种指定的曲线运行。直流 输电系统整流站出口典型的静态直流电压电流特性曲线如图2 4 所示【1 7 】。在额定运 行状态下，直流输电系统运行于整流侧定电流控制特性和逆变侧定电压特性曲线的 交点。如果逆变侧电压有一定的下降而整流侧电压保持不变，则运行点向下移动， 它是整流侧定电流控制与逆变侧定熄弧角控制特性的交点；如果整流侧电压有一定 的下降而逆变侧电压保持不变，则运行点经c e c 段向左移动，它是整流侧j 。限制 特性与逆变侧电流控制特性的交点。 图2 - 4 典型电压电流特性曲线 9 华北电力大学硕士学位论文 2 4 1 低压限流控制 低压限流控f l ；j j ( v d c l ) 是指在某些故障情况下，当直流电压低于某一值时，自动 降低直流电流调节器的电流整定值，待直流电压恢复后，又自动恢复电流整定值的 控制功能。 低压限流控制的主要作用有【1 8 】： ( 1 ) 当逆变侧交流系统故障或其他原因使逆变器发生换相失败，通过降低电流整 定值来减少后续换相失败的几率，避免换流器长时间换相失败，保护换流阀。 ( 2 ) 在交流系统出现干扰或干扰消失后，保持系统稳定。交流系统故障可能导致 直流电流增加，换流器吸收无功增加，会进一步降低交流电压，可能产生电压不稳 定。低压限流控制会降低电流整定值，致使换流器吸收无功减少，有利于交流电压 的恢复，避免交流电压不稳定；还可以在交流系统发生远端故障后的电压振荡期间 起到类似动态稳定器的作用，改善交流系统的性能。 ( 3 ) 在交流系统故障切除后的电压恢复期间，平稳增大直流电流来恢复直流系统。 如果交流系统故障切除，直流系统功率恢复太快，换流器需要短时间内吸收大量的 无功功率，影响交流电压的恢复。 根据设计的不同，v d c l 控制特性能涉及检测交流换相电压或直流电压，由交 流电压起动的v d c l 特性在交流电压跌落时可以限制无功的消耗，但可能在直流故 障时没有什么效果。而根据直流电压起动的v d c l 特性在直流故障和交流电压跌落 时都可以有较好的效果。因此，直流输电工程多采用直流电压启动的v d c l 特性。 为了使v d c l 限制后的电流指令值平稳变化，v d c l 的投入和推出都设置有不 同的时间常数。通常投入时( 对应电压下降) 的时间常数比退出时( 对应电压上升) 的时 间常数小。v d c l 静态特性中各个转折点的坐标以及v d c l 投入和退出的时问常数 需要通过系统分析确定。系统分析应研究系统在一系列故障扰动和低电压情况下的 运行特性。直流输电系统两端v d c l 特性的协调配合对改善直流输电系统在交直流 系统故障后的恢复特性是非常有效的。 2 4 2 定电流控制 定电流控制是直流输电最基本的控制，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种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，它又能快速限制暂态的故障电流值以保护晶闸 管换流阀及换流站的其他设备。因此，定电流控制器的稳态和暂态性能是决定直流 输电控制系统好坏的重要因素。 额定运行时，整流站控制直流电流，逆变站控制直流电压。整流站的电流整定 华北电力大学硕士学位论文 值比逆变站的电流整定值高1 0 的额定电流，称为电流裕度。这是为了确保在额定 工况下，实际直流电流大于逆变侧的电流整定值，使得逆变侧的定电流控制器总是 按减小直流电流的方向调节，因此定电流控制器的角被调节到其最大限制值，从 而逆变器定电流控制不参与工作。只有当整流侧直流电压大幅度降低或逆变侧直流 电压大幅度升高时，才发生控制模式的转换，即转换为整流侧最小触发角o t m i n 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。 2 4 3 定熄弧角控制 为了保证逆变器的安全运行，并尽可能提高交流侧的功率因数和提高逆变器的 利用率，逆变侧均需装设定熄弧角控制装置。这种控制装置可分为两种方式：开环 调节式定熄弧角控制和闭环调节式定熄弧角控制。 ( 1 ) 开环调节式定熄弧角控制【2 】 由换流器的原理可知，只能改变触发越前角p 来调节越前关断角y 。但y 角不仅与 b 角有关，还取决于换相电压和直流电流的大小，他们之间的关系为 a u = u d o i ( c o sy c o sp ) 2 = i d d r i ( 2 7 ) 将u d o i = 3 x 2 e i 丌，y = y o 带入上式整理的 e ic o s ( 1 8 0 。一b ) + e ic o s y o 一、2 t 【i d d r i 3 = 0( 2 8 ) 可得 p = c o s - 。( c o s y o 一一v 2 1 i l d d r i 3 e i ) ( 2 9 ) 这种调节方式能够根据触发脉冲发出之前系统的运行状况正确地调节b 角。但 在脉冲发出后，就无法预计到换相期间运行清的继续变化，当考虑触发脉冲发出之 后以及换相过程中系统可能的变化情况时，可以对控制电路加一定的修正量。最常 用的做法是在控制电路中加入直流电流l d 变化率k d l d d t 的信息，利用电流上升的速 度d i d d 。，来预计换相期间电流继续增加所引起换相角的增大，而将触发角相位再 适当地提前一点。当电流下降，即d l d d t y o ，尽快地脱离y 过小状态，以保证逆变器安全运行。 当y y o 时，取k y o 并不影响逆变器 的安全运行，且减小调节量能使b 变化较慢，以免引起直流电流不必要的波动。另 外还可以设置一个很小的不调节死区y 。，当y y o l d ( 1 d o 一i d o ) 时，使整定值按照如下规律变化 y z = ( 1 + k y 。 将上式带入式u d i = u d o ic o s y 一( d 一一r 1 ) l d 即可得到n b 段的特性方程， ( 2 1 1 ) 它的斜 率为 等= k 等s i n ( 1 + k 书l d o - - l dy o 一( “一r 1 ) ( 2 - 1 2 ) 一般( i d o l d ) l d o 0 1 ，当k 不大时，n b 段斜率变化不大，接近一直线。选 择适当的k 值，可使该段的斜率为正值。最后，当i d ( i d o 一i d 0 ) 时，自动地切换 到定电流调节。 u d p ， 2 4 4 定电压控制 ( a ) 图2 - 5 弱受端系统的调节特性 ( b ) 由定电压调节器在运行中自动改变换流器的触发角o f 或b ，来保持直流电压等于 整定值。整流侧配备定电压控制的目的是限制过电压，通常直流输电工程的直流电 压由逆变侧的电压调节器来控制。 在逆变侧定电压控制中，电流偏差控韦u ( c e c ) 被看作是逆变侧定电压控制器的 一部分，它主要是用来提供逆变侧定电压控制和逆变侧定电流控制之间的平稳过渡。 该功能是否需要及其特性主要与系统的要求，尤其与交流系统的强度相关。它根据 电流指令和实际值的差成比例的降低直流电压参考值，其典型值为o 0 5 p u 【1 7 , 1 9 。 逆变站采用定电压控制与定熄弧角控制相比，定电压控制更有利于受端交流系 统的电压稳定。例如，当受端电网受到扰动，致使逆变侧交流母线电压下降时，将 华北电力大学硕士学位论文 引起逆变器换相角u 增大，直流电压降低，直流电流增加。在采用定熄弧角控制的 情况下，由于换相角增大，为了保持熄弧角y 不变，熄弧角调节器将使逆变器8 角增 大，于是逆变器消耗的无功功率增加，这就使逆变站换流母线电压进一步降低，从 而可能导致交流系统不稳定【2 。而采用定电压控制时，当受端电网交流电压下降而 导致直流线路电压降低时，为了保证直流电压不变，电压调节器将减小逆变器的b 角， 这就使逆变器消耗的无功功率减小，从而有利于换流母线电压的恢复。此外，在轻 负荷时定电压控制可以获得较大的熄弧角，使逆变器消耗的无功增加，有利于换流 站的无功平衡。但另一方面，在额定工况时，定电压控制方式保持的熄弧角比定熄 弧角控制时要大，因此逆变器吸收的无功较多，设备的利用率要低些。 2 5 换流变压器分接头控制 换流变压器分接头控制是指自动调整换流变压器有载调压分接头位置，其目的 是为了维持整流器的触发角( 或逆变器的关断角) 在指定的范围内，或者直流电压或 换流器阀侧空载电压在指定的范围内。其控制策略需要与换流器控制方式相配合， 换流变压器分接头控制通常分为角度控制式和电压控制式两大类。 2 5 1 角度控制 角度控制通常是希望正常运行在a 角和y 角较小的状态，以提高换流器的功率因 数，减少无功功率的消耗，而且较小的触发角下，换相结束时出现在晶闸管换流阀 两端的电压跃变相对较小，可以改善阀及其均压、阻尼回路的工作条件。但是触 发角也不能太小，要留有充分的调节范围。因此，整流站一般要求仅角运行在 1 0 。一2 0 0 之间。当两侧交流系统电压发生较大波动时，由于定电流调节的结果，可 能使a 长时问超出设定范围，换流变分接头控制将维持触发角在一定范围内，通常 维持触发角在1 5 0 2 5 0 的范围。当逆变侧控制电流时，在分接头允许范围内，用于 维持熄弧角y 为设定值，维持熄弧角在1 8 。2 5 。的范围。 当触发角瞬时超过限定的范围时，不应使换流变分接头动作，以免发生分接头 频繁动作，损坏触头，减小触头的使用寿命。因此，通常设定一个时滞，只有在触 发角连续超过限定值的时问大于此时滞，才允许换流变分接头控制进行调节。 2 5 2 电压控制 在逆变器运行于定熄弧角控制或定电压控制时，通过换流变分接头控制，使直 流线路的电压维持在设定的范围内。同时，为了避免换流变分接头频繁动作，只有 华北电力大学硕士学位论文 当直流电压偏离达到一定值，并持续一定的时间后，才启动换流变分接头控制。另 一种控制策略是通过换流变分接头控制，使换流器的换流变阀侧空载直流电压维持 在设定值。 比较上述两种控制方式发现：角度控制能使换流器在各种运行工况下都保持较 高的功率因数。在输送同样的直流功率下，换流器吸收的无功较少，换流变分接头 控制的调节范围可以放宽；缺点是换流变分接头动作频繁，缩短了检修周期。换流 器的分接头开关是机械式的，调节一档的时间通常需要5 - 1 0 s 的时间，响应时间较 长，所以只能作为辅助调节手段。 换流变压器电压调节范围应根据直流系统参数、运行变化范围和交流母线电压 变动范围来决定。通常在额定值的+ 1 0 一1 5 之间，而一档的调节范围为额定值 的1 一2 ，以免换流变压器分接头频繁动作。电压控制通常也要通过延时5 - 1 0 s 躲开暂态过程。 2 6 无功控制 直流输电系统运行时，无论是整流器还是逆变器都要消耗大量的无功功率，其 大小不但与直流传输功率有关，也与运行方式、控制方式有关。通常，在额定运行 时，换流器消耗的无功功率可达额定输送功率的4 0 6 0 ，故换流站需要投入大 量的无功补偿装置。但在轻负荷运行时，换流器消耗的无功功率迅速减小，如果补 偿的无功容量不变，则换流站过剩的无功功率将会注入交流系统，引起换流站交流 母线电压升高。因此，必须对投入的无功补偿容量进行控制。其中包含换流站无功 设备的控制、换流站附近交流系统内无功补偿设备的控制、换流器无功功率的控制 以及这些设备的联合控制。 在常规换流站中，无功补偿设备仅为可投切的无源设备，包括在基波频率下提 供容性无功的滤波器组，并联电容器组和提供感性无功的并联电抗器组。这些无功 补偿设备的投切控制主要有不平衡无功功率控制和交流电压控制两种控制方式。 2 6 1 不平衡无功控制 不平衡无功控制是指换流站注入交流系统的无功功率超过规定的限值要求时， 投入或切除1 组滤波器，直到满足限值为止。不平衡无功控制包含以下两部分： ( 1 ) 投入滤波器控制。当换流站稳态或准稳态运行时，当换流站有功功率增加或 其他运行参数改变，使得换流站吸收的无功功率增加，不平衡无功不断减少，当满 足下列条件时，发出无功补偿设备投入命令 q d c 一( u 。c u a c n ) 2 q t o t a l + q a c a q( 2 - 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，u 。为实际的交流母线电压，k v ；u 。n 为无功设备设计时考虑的交流母线额定 电压，k v ；q t o t a l 为当前投入无功补偿设备的总额定容量，在u 。n 条件下计算得出； q d 。为换流站的总无功消耗；q 。理想不平衡无功功率；a q 为允许不平衡无功。 ( 2 ) 切除滤波器控制。当换流站有功功率减小或其他运行参数改变，使得换流站 吸收的无功功率减少，不平衡无功不断增加，当满足下列条件时，发出无功补偿设 备切除命令 ( u a c u a c n ) 2 q t o t a l q d c q a c a q( 2 1 4 ) 在自动投切过程中，理想不平衡无功参数q 。的设定决定了滤波器的投切时间。 如果交流系统缺乏无功且电压偏低，则换流站的无功补偿设备应尽早投入，较晚退 出，可设置较大的q 。；反之，可设置较小的q 。如果参数设置不当，i i p a q 接近甚 至小于( u 。u 。n ) 2 q 。b 2 时，其中q 。b 为正在进行投切的无功补偿设备在设计电压 下的容量，上面两式将轮流满足，使得滤波器不停的循环投入和切除。要解决这一 问题只要将a q 适当放大即可。 对于有些较弱的交流系统，希望换流站与交流系统的不平衡无功能够尽可能精 确地控制，可用( u 。u 。n ) 2 q 。b 2 代替上两式中的n q ，并设置不平衡无功为零。如 果采用这种控制判据，除非直流功率在连续快速增减过程之中，将不可避免的造成 振荡性投切。因此，在这种判据下需要引入一个附加判据，即上一次投切发生后， 直流系统是否发生运行方式改变或者是否输送功率超过设定值a p e ”。 2 6 2 电压控制 除了控制换流站与交流