（电力电子与电力传动专业论文）高压直流输电对交流系统功角稳定影响的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 基于工程上使用的高压直流控制系统，用p s c a d e m t d c d 建立了可用于 交直流混合电力系统仿真的实用控制系统模型，详细说明了直流控制系统各模 块功能，通过在c i g r e 的h v d c 标准测试系统i 上的仿真，对比验证了控制 系统在稳态和故障运行情况下的动态行为，证明所建控制系统模型的正确性。 从理论上分析了限制交流系统和直流系统输送能力的稳定因素，研究了高 压直流输电对受端交流系统稳定的影响，深入分析了功角稳定与电压稳定之间 的相互关系。最后将该模型用于一个实际系统中，通过p s a s p 软件仿真分析了 高压直流输电控制策略对提高系统稳定性的作用，得出了有价值的结论。 关键词：高压直流输电；功角稳定；交直流系统；建模：仿真 a b s t r a c t b a s e do nt h ea c t u a lh v d cp r o j e c tw h i c hh a sb e e np u ti n t o o p e r a t i o n ，t h ep r a c t i c a l m o d e l so f h v d cc o n t r o ls y s t e ma l es e tu pt os i m u l a t ea n da n a l y z et h ei n t e r a c t i o no f a c d c p o w e rs y s t e mb yp s c a d e m t d c m a i nc o n t r o lf u n c t i o n so fh v d cm o d u l e sa r ep r e s e n t e d p a r t i c u l a r l y s i m u l a t i o no nc i g r eh v d cs t a n d a r db e n c h m a r ks y s t e ms h o w st h a tt h em o d e l s h a v ead y n a m i cb e h a v i o ri ns t e a d ys t a t e sa n dt r a n s i e n ts t a t e s a l s ot h ev a l i d i t yo ft h eh v d c m o d c l si sp r o v e d t h et r a n s m i t t i n gc a p a b i l i t yo fa c d cs y s t e mi sa n a l y z e di nt h e o r yb a s e do nt h ec o n t r o l m e t h o d sa n ds t r a t e g i e so fh v d cs y s t e m t h ei m p a c t so fh v a cw h i c hi st h en e t w o r ko f r e c e i v i n gs i d e0 i 1h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e ma r es t u d i e d ，a n dt h ep r i n c i p l e so fa n g l es t a b i l i t y a n dv o l t a g es t a b i l i t ya r es e tf o r t hd e e p l y a tl a s t ，t h em o d e li su s e dt oa na c t u a lo p e r a t i n g a c f d ch y b r i ds y s t e mt os h o wt h ee f f e c t i v e n e s so fh v d cc o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hm a k et h e h y b r i ds y s t e mm o r er e l i a b l ea n ds t a b l eb yp s a s ra l s os o m en o t i c e a b l ei s s u e sa n dv a l u a b l e c o n c l u s i o na r es u m m a r i z e di nt h eh v d cp l a n n i n gp r o c e s s l i y u e ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dm o t o rd r i v e r s ) d i r e c t e db yp r o f w e n j u n k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ：a n g l e s t a b i l i t y ；a c d ch y b r i ds y s t e m m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 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对交流系统功角稳定影 响的研究，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，也不包含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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期麴t ：j2 j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、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查阅或借阅；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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： k 么砬 塑! ：i ：2 导师签名： 日期： d 毛线、 j w 苦3 2 华北电力大学硕十学位论文 第一章引言 1 1 高压直流输电技术的发展 近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的进步，推动了高压直流( h i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 输电技术的发展。这些技术中有的是对传统h v d c 输电技术的改进，有的是采用高级控制技术来实现的。 1 1 1高压直流输电发展概况 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 0 年世界上已有 6 3 项直流输电工程成功投入运行，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得到应用。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，即扎伊尔的英加一沙巴工程( 1 7 0 0 k i n ) 及电压等 级最高( 士6 0 0 k v ) 、输送容量最大( 3 1 5 0 m w ) 的巴西伊太普工程。到了9 0 年代，世 界第一个复杂的三端h v d c 工程( 魁北克一新英格兰工程) 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( 瑞典一德国的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。 自我国舟山直流输电工程1 9 8 7 年投入运行以来，已有葛洲坝一南桥、天生桥 一广州、三峡一常州、三峡一广东、贵州一广东、嵊泗直流输电、灵宝背靠背直流 输电工程相继投入运行、此外三峡一上海、贵州一广东第二回等工程正在紧张建设 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互联和全国联网的进程。由于我 国能源分布和电力消耗的地区分布不平衡，“西电东送”成为我国电网规划和发展 的重要目标【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) 。到2 0 3 0 年，我国电网的规划如图1 1 所示。 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，如果采用直流特高压 ( u h v d c ) 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交流特高压( 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f l l ”j ，且有大量可借鉴的= 程经验，而u h v a c 输电可以借鉴的经验并 不多 1 3 1 。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 华北电力大学硕十学位论文 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 4 1 。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。 图卜1 我国电网规划的基本格局 1 1 2 高压直流输电技术的新发展 目前h v d c 输电的换流阀仍然是由半控器件晶闸管组成，使用电网换相的相控 换流( p h a s ec o n t r o lc o n v e r t e r ，p c c ) 技术，因此存在以下一些固有的缺陷： ( 1 ) 由于触发角和关断角的存在导致h v d c 运行需要大量的无功补偿( 约为 输出直流功率的4 0 一6 0 ) ，需要大量的滤波设备滤除电压、电流中的谐波分量。 ( 2 ) 受端系统较弱时，由于没有足够的短路容量，逆变器容易发生换相失败。 ( 3 ) 由于需要交流系统提供换相电流，不能向无源网络或孤立负荷送电。 为克服以上缺点，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a 、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，串联电容换相换流器( 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 ) 、 可控串联电容器的换流器( 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 ) 【7 j 等。 c c c c s c c 的基本思想是用串联电容器来补偿换流器的无功功率消耗。c c c 是 把电容器放在换流变的阀侧，并采用固定电容器。而c s c c 是将电容器放在换流变 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 j 。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p c c 的结合，是对传统的h v d c 输电的改进。 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 器的功率凼数；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 2 华北电力大学硕士学位论文 输电运行的稳定性和经济性。但不论是p c c 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。 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h v d c 输电技术 8 , 1 9 l 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调制( 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调制比，可分别控制有功功率大小及方向和无功功率大小及性 质。a b b 公司率先进行了基于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p i 。 新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 系统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，从而有效的抑 制系统的次同步振荡的发生。 1 2 国内外研究现状及选题意义 1 2 1 国内外研究现状 在h v d c 技术发展初期国外就己进行过大量的相关研究，国内这方面的研究也 已开展了近3 0 年，积累了大量的研究资料和丰富的工程经验。国内外关于h v d c 输电技术的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究制定通用的h v d c 技术标准及h v d c 工程设计规范。 ( 2 ) 工程应用技术的研究。主要包括直流系统控制保护策略、直流与交流系 统设备控制保护的协调配合、交直流系统相互影响、换流站交流谐波及其滤波器、 新型换流站运行人员监控系统的开发研究和接地极等方面的研究。 ( 3 ) 完善h v d c 技术的研究手段。开发h v d c 系统设计的软件包，建立h v d c 系统的新型数学模型和丌发接地极研究的相关软件。 ( 4 ) 直流新技术的研究。包括与h v d c 相关技术的改进，如自动可调交流滤 波器与有源直流滤波器，户外阀技术、串联电容器的换流器技术( c c c ) 、深埋接地 极技术及多端直流技术等以及h v d c 先进控制技术等方面的研究【1 8 j 。 在交直流相互影响方面的研究难点主要是寻求新的能够详细反映h v d c 动态 3 华北电力人学硕士学位论文 特性的一次系统( 包括换流器、线路等) 和控制系统的模型，研究h v d c 对交流系 统稳定的影响( 包括功角稳定和电压稳定) 1 5 , 1 6 , 17 。 1 2 2 选题背景及意义 且前我国并未完全掌握h v d c 输电的核心技术。但与国外开展了卓有成效的合 作，并有力推动了我国h v d c 输电技术的国产化进程。在工程技术应用方面主要有 瑞典a b b 公司和德国西门子公司的技术，两大公司的直流控制技术的控制思想基 本相同，但技术上却各有特点。 开展h v d c 技术研究的行之有效的手段是采用系统仿真，现有的电力系统仿真 手段有：物理模拟、实时数字仿真器和数字仿真程序。 物理模拟即动模试验。实时数字仿真器，如加拿大r t d s 公司制造的实时数字 仿真器【36 j 等，它与数字仿真程序一样都是基于数学模型来实现的，所不同的是采 用了多处理器并行计算，计算速度可以达到实时的要求。数字仿真程序分为电磁暂 态仿真程序和机电暂态仿真程序。常见的电磁暂态仿真程序有a t p ，e m t p 程序、 p s c a d e m t d c 程序口和n a t o m a c 程序等。机电暂态仿真程序主要有p s s e 、 n a t o m a c 、s i m p o w 、b p a 、中国电力科学研究院的p s a s p 等。 目前使用的直流控制系统模型与实际系统相去甚远，难于深入开展h v d c 控制 保护及其对交流系统稳定影响方面的研究，因此开发准确的模型具有重要意义。现 有的数字仿真程序中，p s c a d e m t d c 就是一个很好的建模开发平台，提供了强大 的控帝0 与保护建模工具，完全可以基于这平台完成直流控制系统的建模。 1 3 本论文所做的工作 本论文所做的工作主要分为以下三个部分： 一、对实际的直流控制系统进行了简化并建立了相应的仿真模型 采用p s c a d e m t d c 仿真软件，基于实际的h v d c 输电控制系统，在合理简 化其控制系统的基础上，建立了h v d c 控制系统的详细仿真模型。 二、通过仿真对比验证了所建仿真模型的正确性 在c 1 g r e 的h v d c 标准测试系统中进行了仿真计算，比较分析了标准系统与 所建控制系统的控制功能，从而验证了所建仿真模型的正确性。 三、仿真分析了个实际电网中h v d c 输电的控制对交流系统稳定的影响 以实际电网为对象，对强送端系统通过远距离、大功率h v d c 输电到弱受端系 统后形成的交直流混合电力系统的稳定性进行了仿真计算，通过对仿真结果的稳定 分析，归纳总结出引起交直流混合系统不稳定的因素以及h v d c 控制方式对交直流 混合电力系统稳定影响的程度。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章高压直流输电控制系统的建模 高压直流输电系统尽管很复杂，但响应速度快、控制灵活，在远距离、大容量 输电方面具有不可替代的优势。其优势的发挥取决于h v d c 控制系统的设计，控制 系统决定了整个h v d c 输电系统的运行特性。 常规h v d c 控制系统的核心部分采用p i d 控制，可满足各种运行工况下的控 制要求。目前也在研究很多新型的控制方式，如：变结构控制、自适应控制、模糊 控制、神经网络控制等 3 2 ”，这些控制系统理论上可实现更精确和快速的控制，对 系统的适应性更强，但可靠性和实用性却远比不上传统的p i d 控制，大多数只处于 理论和实验室研究阶段，在h v d c 输电工程上鲜有应用。 2 1 高压直流输电的控制系统 换流器的准稳态数学模型是对换流器的一种近似数学描述【2 孙。可用来分析直流 输电系统稳态对称条件下的动态过程，但由于忽略了换流器开关电路的动态特性， 所以不能对不对称故障情况下，换流母线电压不对称时的谐波特性等问题进行研 究，这时就需要更加准确的模型来进行分析。 p s c a d e m t d c 中采用了换流器的详细模型，可对换流器的动态特性进行较精 确的数值仿真。通常根据所研究的问题采用不同的模型，如在分析h v d c 直流侧谐 波时，使用三脉动模型【2 3 “1 。现在也有新的模型出现，如基于采样数据的换流器模 型1 25 ”i ，此模型考虑了换流器开关电路的动态特性，更适用于高频动态特性分析。 根据换流器准稳态数学模型，可得到两端直流输电系统的等效电路( 见图2 1 ) 如旦马文 磊f 一i 一线路 图2 - l直流输电系统等效电路 从整流侧流向逆变侧的直流电流，。为 驴等群 逆变器 ( 2 一1 ) 华北屯力大学硕士学位论文 式中n 、声是整流侧的触发角和逆变侧的超前角；u 。、u 。分别为整流侧和 逆变侧换流变的阀侧理想空载直流电压。从式( 2 - 1 ) 可以看出，不管是直流电压 还是直流电流都取决于n 、卢、u 。和u 四个变量。h v d c 输电的基本控制手段就 是通过控制上述4 个变量来满足不同的运行要求。弧口调节的响应速度极快，通常 在1 4 m s 之内；通过调节换流变的分接头，可以调节u 。、u 。，但响应速度比 触发角控制慢很多，通常每一挡的调节时间大约为5 1 0 s 。因此，在故障的暂态过 程中，可以发挥作用的控制量只有吐、口，换流变分接头调节可以认为不起作用。对 于交流系统中的快速电压变化，如系统不可预知的故障或负荷的快速变化等，通过 控制触发角来实施控制。而对于交流系统中缓慢的电压变化，通过调节换流变分接 头使触发角维持在期望值附近。 通常直流输电采用定电流或定功率控制( 定功率控制是通过把功率指令转化为 电流指令来实现的) ，为了满足控制要求，最简单的办法就是一侧控制直流电压恒 定，另一侧控制直流电流恒定。如果逆变侧连接的是弱受端系统，在换流母线电压 变化较大时，可能会引起逆变器的换相失败， 持逆变器侧的交流电压恒定就显得非常重要。 通常由整流侧控制直流电流，逆变侧控制直流 电压。理想条件下，整流器的运行特性是一条 垂直线，逆变器是一条水平线( 见图2 2 ) 。图 中虚线是整流器和逆变器的实际运行特性，可 以看到实际的运行特性曲线不是绝对垂窘和 水平的，而是有一定的斜率。 21 ，1直流输电控制系统的分层结构 甚至导致交流系统电压崩溃。因此维 j 堂变器j 一一、! 。 i 整流器 图2 - 2 直流输电的运行特性 现代h v d c 输电控制系统一般分为六个层次，从高层次到低层次分别为：系统 控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级、单独控制级和换流阀控制级( 阀 组控制极) i 2j 。为直流输电控制系统的分层结构框图如图2 3 所示。 当每极只有一个换流单元时，极控制级和阎组控制级可以合并为一个极；当只 有一回双极线路时，可将系统控制和双极控制合并为一级( 站控制级) 。在h v d c 输电系统各换流站中，需指定其中的一个为主控制站，其他为从控制站。系统控制 级和双极控制级设置在主控制站中，通过通信系统与其他的换流站联系。具体的直 流输电系统可能包含其中的某些或全部层次的功能。 往往可以把控制系统简化为三个层次，即主控级( 站控制级或双极控制级) 、 极控制级和换流器控制级。主控级接到来自调度中心的直流输送功率指令，经过计 算后送出一个直流电流指令给极控制极，极控制级把直流电流指令转化为触发角指 6 华北电力大学硕士学位论文 令送给各个阀组控制单元。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三个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。例如主控制级的功率阶跃变化时的响应 时问一般在1 0 0 m s 左右，而阀组控制级触发指令变化的响应时间只需要1 4 m s 。 图2 3直流输电控制系统的分层结构 2 1 2 主控级控制功能 h v d c 输电主控级的控制功能通常包含三个模块，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，然后将指令值传送到极控级。 ( 1 ) 功率调制和快速功率变化控制模块 通过调制直流输电线路所输送的功率，可以非常有效地提高交流系统机电振荡 模态的阻尼，特别是对交直并联输电系统。对于采用直流非同步互联的交流系统， 直流的功率调制可以参与两端系统的调频。快速功率变化包括功率提升和功率回 降，主要用于对直流所连两端交流系统或并联输电交流线路的紧急功率支援。例如 当逆变侧交流系统损失发电功率，或整流侧交流系统甩负荷，或并列输电的交流线 路发生故障时，就要求采用紧急功率提升，而整流侧交流系统损失发电功率或逆变 侧交流系统甩负荷时，就要求采用紧急功率回降。 ( 2 ) 直流电流指令放计算模块 通常情况下，直流输电是按定功率模式运行的，此时，主控制极的一个重要任 务就是按照给定的功率指令值计算直流电流指令值。在大多数运行方式下，直流电 流指令值就等于双极功率除以双极电压。双极电压的测量值首先经过一个l 阶惯性 环节，目的是平滑电压测量值，从而使得到的直流电流指令也是平滑的，不会因为 电压的跳变而使电流跳变，其时间常数t 的典型取值为2 0 m s 。 7 华北电力人学硕士学位论文 在图2 - 4 中，逻辑框的功能是当 交流电压或直流电压较低时直接采 用双极标称电压值来除功率指令值 以得到直流电流指令值，这种情况下 定功率运行模式实际上转化为定电 流运行模式。基于直流电压的典型逻 辑如下：当u 。下降到低于0 7 u 女。时 选择u 。，只有当u 女上升到高于 o 8 5 u 出时才重新选择u ，即选择逻 辑带有时滞特性。 2 1 3 极控级控制功能 图2 - 4 直流电流指令训算模块框图 在直流输电的极控系统中，通常两侧都配备有带最小触发角限制的定电流控制 器( c c ) 、定电压控制( v c ) 、和定y 角控制器( c e a ) ，另外还配备有电流偏差控 制器( c u r r e n t e r r o r c o n t r o l l e r ，c e c ) ，在c c 中，电流整定值来自于低压限流环节 ( v d c o l ) 的输出加上电流调制控制器的输出。极控级功能框图如图2 5 所示： 阔 蛆 控 崔l jd 童占拄指令 图2 - 5 极控级功能框图 ( 1 ) 直流电流调制 为了抑制交流系统振荡，直流系统常采用调制控制，调制信号可以是功率信号， 也可以是电流信号。在采用电流调制时，调制信号是直接加在定电流控制器上。采 用直流电流调制的一个典型实例是美国太平洋联络线。该工程采用小信号电流调制 来抑制并列运行交流线路上的功率振荡。采用大信号直流调制的例子有美国的 s q u a r eb u t t e 工程。浚工程的特点是受端交流系统较强，丽送端交流系统较弱。采 用大信号调制的目的是抑制送端系统频率的上升，提高暂态稳定性【3 l 。 ( 2 ) 低压限流( v o l t a g ed e p e n d e n tc u r r e n to r d e rl i m i t e r ，v d c o l 或v d c l ) 低压限流( v d c o l ) 的作用是在直流电压跌落到某个值时对直流电流指令进 8 华北电力人学硕士学位论文 行限制( 见图2 - 6 ) ，采用v d c o l 的主要原因是： 1 ) 减小在逆变侧电压降低，电流增大情况下，发生换相失败的可能性； 2 ) 降低直流功率的同时减小对交流系统的无功需求，从而帮助交流电压恢复 3 ) 在交流系统发生扰动期间和扰动过后，避免直流功率的不稳定： 4 ) 系统发生故障时迅速降低电流指令以维持交流电压； 5 ) 有助于直流系统在交流或直流故障后的快速恢复； 6 ) 避免连续换相失败引起的阀应力过大，降低对阀的危害。 u a c ，u d c 抽 x ，矗一 o d 。巩e ，a c ，毫c 图2 - 6v d c o l 特性曲线 为了使经v d c o l 限制后的电流指令平稳地变化，v d c o l 的投入和退出都设 置有不同的时间常数。在故障条件下，为了限制过电流，必须快速降低电流指令， 而在故障消除后慢速恢复电流指令有利于电压的快速恢复。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。对于整流器，v d c o l 投入时的典型时间常数为1 0 m s ，退出的典型时间常数为4 0 m s 。对于逆变器，v d c o l 投入时的典型时间常数为1 0 m s ，退出时的典型时间常数为7 0 m s 。 v d c o l 静态特性中各转折点的坐标以及v d c o l 投入和退出的时间常数需要 通过分析研究系统在一系列故障扰动和低电压情况下的运行特性后确定。 ( 3 ) 电流偏差控制 电流偏差控制( c e c ) 也称为正斜率控制，目的是使逆变侧定v 角控制和定电 流控制之间能够平滑切换。当整流侧运行在定口m i n - 。控制时，整流侧己失去对直流 电流的控制；这时，直流电流趋向减小，但实际直流的电流值仍然大于逆变侧定电 流控制的电流整定值，如果这时逆变侧y 控制器， 起作用，则逆变器的换相电抗大于整流器的换相 。 电抗时，有可能出现“三交点不稳定”工况( 见 图2 7 ) 。电流偏差控制器的工作原理是当实际电 流小于整流侧的电流整定值时，提高y 角的整定 值。相当于在v d c o l 特性和定 角控制器之间 增加了一段正斜率特性( 图中虚线部分) ，从而 幽2 - 7 “三交点不稳定”t 况 保证整流侧和逆变侧的控制特性在任何时候只 有一个稳定运行点。 9 华北电力大学硕十学位论文 ( 4 ) 定电流控制 定电流控制是h v d c 输电控制系统中最基本的控制，整流侧和逆变侧都配有 定电流控制器，两种控制器结构如图2 8 和图2 - 9 所示。 其静态特性在高增益的情况下是一条近乎垂直的直线，可以获得理想的定电流 图2 - 8整流侧定电流控制器的结构 图2 - 9 逆变侧定电流控制器的结构 特性。在整流侧，定电流控制器的输入是电流整定值与实际电流的偏差，有这个偏 差作为p i 调节器的输入，输出为触发角的增量信号，直接作为触发角的指令值“。 为了防止整流侧和逆变侧的电流控制器正常情况下同时起作用，在逆变侧，定电流 控制器的整定值比整流侧小一个电流裕度，因此正常运行时，实际电流总是大于逆 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d 角总被调节到最大限制值，从而在逆变侧3 个控制器的输出的选择中定电流 控制器的输出总是被排除在外。只有实际电流小于逆变侧的电流整定值时，逆变侧 的电流控制器输出才可能被选中。电流裕度的典型值为额定直流电流的1 0 。 ( 5 ) 定y 控制 ，l 程上实用的定y 角控制器有两种类型，一种是闭环控制器，也称为实测型控 制器，另一种是开环控制器，也称为预测型控制器。闭环控制器的原理框图如图2 1 0 所示。 实测型控制器的原理是直接测量换流器的熄弧角，当小于整定值时，控制器输 出一个触发角的正增量，从而增大逆变侧的触发角，保证熄弧角在规定范围之内。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 一1 0 实测型定y 控制器的结构 预测型控制器的按照下式得出： c o s 弘盟x 去一c o s ， 弦2 27tl 一，口= 1 l 一，l j j 其中触发角旺值反映了系统当前的运行状态，考虑触发脉冲发出之后及换相过 程中系统可能的变化情况，对其加上一定的修正量。最常用的做法是加入直流电流 ，。变化率k 型。由此得到预测型定y 角控制器的原理框图( 见图2 - i i ) 。 讲 d i d d t u d 图2 - 1 l 预测型定y 控制器的结构 ( 6 ) 定电压控制 定电压控器制通常也是p i 调 节器，与定电流控制器的结构类 似，需要指出的是，工程中可能 选择定v 控制器和定电压控制器 中的种或两种作为逆变侧的基 本控制配置，区别是：定电压控 u dl o f 制时逆变侧的t 较大，需要较多 的无功补偿，但对受端系统的电 压稳定有利，定y 控制正好相反。 1 1 u d i o r d e r r o r d e r 图2 - 1 2直流输电的实际运行特性 d 华北屯力大学硕士学位论文 在直流控制系统加入了必要的控制和改善特性以后，其实际的运行特性瞌线如 图2 1 2 所示。 2 1 4 阀组控制功能 阀组控制主要完成两个功能： ( 1 ) 通过锁相环( p l l ) 获得触发脉冲的同步信号。p l l 的输入信号直接取自 换流站母线的交流母线电压，输出的同步信号应严格与换流站交流母线电压的频率 保持确定的倍数关系。现代直流输电采用p l l 的倍频数可达到3 6 0 0 0 ，即换流站交 流母线电压变化一个周期，p l l 输出3 6 0 0 0 个脉冲，也就是说，p l l 的一个输出脉 冲，相当于工频电角度的o o l 。由于同步信号是触发控制角度的基准，也就是触 发角是相对于交流线电压过零点的角度，因此同步信号质量的好坏直接关系到直流 输电的控制精度。因此要求用于直流输电的锁相倍频数不但要有较快的跟踪速度， 还要求在系统发生故障时，换流站的交流电压大幅跌落时仍能正常的工作。 ( 2 ) 根据同步信号产生满足要求的触发脉冲，并把触发脉冲按要求移相后分 别触发不同的晶闸管。 2 2 高压直流输电控制系统的建模 工程上使用的直流控制系统功能全面，能够满足各种工况下运行和控制的要 求。建模时对实际h v d c 控制系统模型所做的简化主要有： ( 1 ) 涉及一次系统的模型简化。对实际控制系统涉及电气设备温升、绝缘的 保护部分不进行建模，如：环境高温限制、晶闸管温度限制等。 ( 2 ) 涉及硬件的模型简化。直流控制系统中硬件实现部分，如：脉冲序列发 生器，相控振荡器、锁相坏和运行模式设置等功能不进行建模。 ( 3 ) 涉及保护的模型简化。现代控制系统已将保护及驱动部分功能集成到控 制系统的功能当中。建模不考虑保护部分的功能，只留出控制和保护间的接v i 。 ( 4 ) 涉及冗余配置的模型简化。为提高直流输电系统的可靠性，控制系统通 常采用冗余设计。这部分在建模时不予考虑。 ( 5 ) 涉及数据采集及人机界面的简化。根据实用的原则进行界面的优化设计。 ( 6 ) 其他部分的模型简化。对以下功能模块没有进行建模：直流线路开路试 验，空载直流电压限制，起停控制，顺序控制，潮流反转和功率调制。 2 2 1 换流器触发控制 换流器触发控制是h v d c 控制的核心部分。其作用是把极功率控制输出的电流 1 2 华北电力大学硕士学位论文 指令经调制和限幅后转化为换流器的触发角指令，从而实现对换流器的触发。 2 2 1 1 电流控制 ( 1 ) 低压限流( v d c l ) 在直流电压下降时，v d c l 将减小电流指令。直流输电系 统的v d c l 特性对改善故障后 的交流电压的恢复特性和受端 系统的电压稳定性是有效的。 具体作用见2 1 3 ( 2 ) 的说明。 工程中使用的v d c l 特性如图 2 一1 2 所示。此时的v d c l 特性 考虑了故障前后交流系统电压 图2 1 3 工程中应用的v d c l 特性曲线 恢复的要求，其作用区的斜率 是可以改变的；为防止直流电流间断，对电流指令做了最小限制。 ( 2 ) 电流控制器 电流控制器把电流指令信号放大并转化为触发角指令，可实现稳态时的电流零 偏差控制及故障时快速减小电流的作用。电流控制须与交流电网同步，以减小控制 不同步引起的谐波不稳定问题。 2 2 1 2 电压控制 ( 1 ) 过电压限制器 如果因为某些原因，整流器启动时直流线路开路，将会在直流线路上产生过电 压。在解锁时，过电压限制器将较小触发角a 以建立最小的直流电流；在线路开路 期间启动时，a 必须增加到8 0 。9 0 。以防止过电压。在许多情况下，由于直流电 压的快速变化，过电压限制器不足以防止直流电压过高。此时必须限制c 【指令的变 化速率。 ( 2 ) 电压调节器 在整流器运行和逆变器运行 中，都使用了电压控制器。本控 制器功能主要用于降压运行，在 正常电压运行时也有很多优点。 电压控制器是一个p i 调节 器，作用于电流控制器的上限与 下限。在逆变运行时，它降低电 整巍谨蠹谨变方式选择 图2 - 1 4电压调节器与电流控制器的配台 1 3 华北电力人学硕士学位论文 流控制器的上限：而在整流运行时，它将增加c 【的下限。电压调节器输出的上、 下限受其它信号的限制，电压调节器与电流控制器的配合如图2 1 4 所示。 2 2 1 3 触发控制 触发控制是换流器触发控制中功能最复杂的部分，主要功能是对应不同运行工 况下的控制模式，输出不同限值和进行优先级比较。 ( 1 ) 运行模式设置 运行模式设置的输出直接控制电流控制器的限幅。当主电路发生故障且保护动 作时，控制将迫使触发角n 到达1 5 0 。的位置。移相指令快速设置电流控制器的输出 强制换流器以全逆变方式运行。在直流线路故障时，移相触发指令在预定的时间内 强制整流器上的直流电流到零。 ( 2 ) 换相裕度计算 换相裕度定义为剩余电压一时问面积，时间为从换相结束时开始，到换相电压 过零时为止。该模块可计算当前的换相裕度，并与允许的最小参考值进行比较。如 果低于参考值，则通过增加一个换相裕度增量来防止换相失败的发生。 ( 3 ) 逆变器最大0 【控制 从逆变器出来的直流电压为： 蜘u m c o s y - ( d 卅去+ 静 沼s ， 从上式可以看出，在定y 值时，直流电压将与直流电流成比例减小。如果逆变 器运行在y 。，此时逆变器的作用相当于负电阻。如果受端交流系统较弱，这个负 电阻将引起稳定问题。 如果逆变器能够在定方式下运行，逆变器的电压将与直流电流成比例增加。 此时动态电阻变为正值，电流控制的稳定性将显著改善。直流电压还可写成： u d = 亡+ u m 十( c o s y + c o s ( 7 + ) ) ( 2 - 4 ) 换流变的电阻d ，仅影响直流电压，而不影响换相时间的长短，考虑到这一点， 联合式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) ，其中= y + ： 卢。s 【c o s t - 2 * d ，* i i o + 等 沼s ， 在计算卢时，如果将电流指令与电流响应之间的差值作为附加量考虑，就可以 增加稳定性能。可以通过调节附加量、增益、时间常数等参数来取得最好的稳定效 果。当直流电流到达电流指令减去电流差值之差时，必须i l l 锖r l 这个附加量。在该点 后，逆变器将控制电流。增加了此功能后，式( 2 - 5 ) 变为： 1 4 华北电力人学硕士学位论文 f l = a r e c o s ( c o s y - 2 * 以专等c 一) 沼s ， 然后可计算得到口的最大期望值： 口= 1 8 0 。一 ( 2 - 7 ) 因为电流裕度的原因，逆变器的电流控制将强制触发角达到最大值，使得逆变 器运行在定口的最简单的方法是：将电流控制器输出的最大值设置为t 2 , 。 ( 4 ) 换相失败预测 由于最小熄弧角，m m 与直流电流，直流电压和换相电抗都有关系，见式( 2 - 8 ) 。 直流电压减小和直流电流增大都会导致换相角的增大，使熄弧角可能小于，。i 。从而 导致换相失败的发生，造成换相失败的原因有：交流电压下降，直流电流增大，交 流系统不对称故障引起的线电压过零点的相对移动，触发超前角口过小或整定的熄 弧角过小等。 y = 一 ( 2 - 8 ) ”= b 一 警s 州 江， 在一次换相失败发生后如果不采取措施限制直流电流的增大就会发生连续的 换相失败，从而使逆变器直流电压降低，最终可能导致h v d c 的停运。为此使用了 换相失败预测功能。该功能模块包含了两个并行环节。即基于零序分析的单相故障 检测和基于交流电压口膨变换的三相故障检测。检测原理为：单相故障对，三相电 压的矢量和不为零；三相故障时，经口变换输出的矢量将小于稳态条件下的值。 故障检测单元将送给。一个角度增量，以提前触发来防止换相失败。角度增量同 时还送到逆变器最大口控制单元减小口的上限口。，。 ( 5 ) 逆变器启动 如果因为某些原因，整流器闭锁，而逆变器仍然在运行，如站间无通讯，同时 保护闭锁了整流器的情况下，逆变器的电流控制将强制熄弧角为最小值此时逆变 器的反向直流电压将很高。为防止出现这种情况，使用了逆变器y 。启动的特殊功能 块。如果直流电压在预定的时间内低于参考值，该功能将强制触发角到口。，。 ( 6 ) 整流侧最小a 限制 整流侧交流故障时，毡将急速减小至最小允许值壁。( 5 。) 。当故障切除雨且交 流电压恢复后，如果a 太小，将产生很大的直流电流。为防止这种情况，使用了整 流器最小n 限制器功能块。当检测到交流低电压时，将最小允许的c c 设簧为2 。，。min_ 功能块有两个并行环节组成，其一是检测单相故障，是将交流电压最小保持值 u 。与0 6 p u 标称电压值进行比较；另一部分检测三相故障，是将交流电压最大 1 5 l飞 occ 盯 华北电力大学硕士学位论文 保持值u 。，。与0 6 p u 标称电压值进行比较。根据不同的故障，n 的输出限值设置 为不同的值。故障之后，设定值以0 4 。2 m s 的速率减小到零。 ( 7 ) 电流控制器限制 在电流控制器的限值中，一些是在f 常运行方式下起作用，如正斜率控制器， 过电压限制器，电压控制器等。其他用于特殊事件，如移相触发等。这些限值都以 优先级的方式安排以保证一直采用适当的优先级，其功能框图如图2 1 5 所示。 电压控制器上使用了限值，然后它的输出又作为电流控制器的限值。 电流控制器使用的限值按优先级的方式排列顺序如下： 1 ) 备用系统的更新有最高的优先级。 2 ) 移相触发具有第二优先级，而在运行系统中具有最高的优先级。 3 ) 接下来的优先级是置触发角指令为9 0 。，即a = 9 0 。 4 ) 直流线路重启动的优先级比移相触发和逆变器停运的优先级低。 5 ) 逆变器，o 启动时确定的参考值优先级最低。 此功能块中还包含了可变的控制器限值。正常运行时电流控制器的上限根据 口。条件来定义。口。限值输入是参考值计算单元的，。，值。以下功能输出的最大 值，作为整流器中电流控制器额定输出值的下限：d 。( 约为5 。) ，口。一。 ( 过 电压限幅器) ，口。( 来自参考值计算单元) ，口。一。 ( 整流侧最小旺限制) 设置口一。值作为防止逆变器进入整流区域时的下限。 图2 1 5电流调节器限制功能框图 触发控制还包括触发单元，触发模式设定，角度测量，叠弧角计算，相控晶振 ( p c o ) ，锁相环( p l l ) ，口限制，紧急触发等功能。在p s c a d e m t d c 的基本 元件模型中内置了其中一些功能，如换流器模块内置了锁相环、脉冲发生器和脉冲 分配功能，这些功能可根据需要进行建模和功能扩展。 2 2 2 极功率控制 极功率控制按照功能可分为步进逻辑单元、直流电压计算、电流指令集成、变 1 6 华北电力大学硕士学位论文 化率限制、电流裕度补偿、同步单元、备用同步控制，输出的最终电流指令j 。送到 电流控制器。极功率控制功能框图见图2 - 1 6 。 ( 1 ) 步进逻辑单元：按照功率电流升降率设置，逐步增( 减) 功率电流直至 功率，电流参考值，在执行过程中可通过功率保持指令维持当前功率电流指令值。 ( 2 ) 直流电压计算：避免由于暂态扰动而导致的电流指令值急剧变化。在阀 解锁、故障恢复等过程中对直