传统直流输电控制原理

1 整流器部分工作原理整流器部分工作原理 整流部分的结构是三相桥式电路 如图 1 所示 图 1 整流器电路图 ea eb ec为等值交流系统的工频基波正弦相电动势 图 2 整流侧电压波形 a 为 m n 点对中性点的电位 b 为直流侧电压 ud c 为触发脉冲 图 a 中 C1 为自然换向点 角度 为延迟触发角 即晶闸管开始导通的角度 为叠弧角 换向角 即电流从一相换到另一相的时间 定义熄弧延迟角为 理想直流侧空载电压为 1 cos 23 V r0 E rd 换向引起的压降可用等值换向电阻Rcr代替 可以计算出直流侧电压平均值为 2 dcrrddcrdr IIER cosVR cos 23 V 0r 图 3 整流侧外特性 随 增大 直流侧电压减小 2 逆变器部分工作原理逆变器部分工作原理 图 4 逆变器电路图 逆变器和整流器的原理接线图相同 根据式 1 若延迟 cos 23 V r0 E rd 触发角 为 90 时 cos 0 直流侧电压为 0 当 90 时 直流侧电压为 负值 变流器做逆变运行 为方便起见 定义 180 为超前触发角 设逆变侧直流空载电压为 Vd0i 则 3 考虑换向角 的存在 ii0 23 VE d 用 Rci作为逆变侧等值换向电阻 作为逆变侧换向引起的压降 则直流侧电压为 4 dciid dcidcidcidi I IEIEIE R cosV R cos 23 R 180 cos 23 R cos 23 V 0 iii 定义超前熄弧角 也叫关断角 为 3 控制原理控制原理 直流输电的接线原理简图 图 5 直流输电原理简图 直流输电等效电路图 图 6 直流输电等效电路图 其中 为整流器延迟触发角 为逆变器的超前触发角 为逆 变器熄弧角 Vd0r和 Vd0i分别为整流侧和逆变侧的无相控理想空载直 流电压 Rcr和 Rci分别为整流和逆变侧的等值换相电阻 等效了换向 损失的电压 但不是真正意义的电阻 不消耗有功功率 RL为直流 线路电阻 换向压降是由于变压器漏感产生的 根据式 2 和式 4 及图 6 中的电压方向可得 5 6 dcrrddr IR cosVV r0 dciiddi IRcosVV i0 参考高压直流输电原理一书 可以得到 7 dciiddi IR cosVV i0 根据图 6 及整流逆变原理 从整流侧流向逆变侧的稳态直流电流为 8 ciLcr idrd L didr d RRR VV R VV i0r0 coscos I 或 9 ciLcr idrd L didr d RRR VV R VV coscos I i0r0 式中 r和 i分别是整流侧延迟触发角和逆变侧超前触发角 i为逆变侧超 前熄弧角 由 8 9 式可知 改变 r和 i或 i可调节直流电流 4 控制方式控制方式 正常运行条件下 整流侧采用定电流控制 主要是由于功率的变化 取决于直流电流 Id的变化 且整流逆变两站均要装设定电流控制 逆变站装设的目的是当 Id下降过多时 协助其快速恢复正常 使整 流器运行于恒电流状态 控制传输功率的稳定 根据式 6 可得控制特性曲线 dcrrddr IR cosVV r0 图 7 整流侧控制特性 随 增大 直线向下平移 一般为 10 至 20 最小不小于 5 逆变侧采用定熄弧角控制 使逆变器运行于恒熄弧角状态 保证足 够的换向裕度 根据式 7 可得控制特性曲线 dciiddi IR cosVV i0 图 8 逆变侧控制特性 对于逆变器 为了避免换相失败 保证在换相电压易号之前有足够 的裕度时间去游离的条件下完成换相 所以 必须大于一定的临 界 值 即关断余裕角 min 一般为 15 4 1 整流侧定电流控制 整流侧定电流控制 电流给定值 Id ref与电流实测值 Id CMR的偏差作为定电流控制器的输入 整流侧电流 是整流直接输出测量值 未经过大电感平波 需 要经过一阶线性滤波环节 Kr1 1 sTr1除去脉动 得到直流电流值 驱 动 PI 控制器输出指令 PI 控制器的输出为整流器触发超前角 r 它与触发角 r之间的关系为 r r 由此即得到整流器的触发 角指令值 r1 r1 1 K sT PI d CMR I d ref I r r 30 min 175 max 图 9 整流侧定电流控制 PI 环节的传递函数为 sT 1 1 KsG r2 r2r 一阶惯性环节 Tr1 0 0012 Kr1 0 5 PI 环节 Tr2 0 0109 Kr2 1 0989 4 2 逆变侧定熄弧角控制 逆变侧定熄弧角控制 MAXPI 上一周期 的最小 值 15 ref 最大偏差限制角 31 inv 30 min 90 max 图 10 逆变侧定熄弧角控制 为逆变器熄弧角实测值 为电流偏差引起的熄弧角偏差值 inv为逆变器输出的超前触发角 控制 角的恒定就能保证逆变器 运行在定熄弧角 状态 为了在逆变侧定关断角和 VDCOL 控制之间进行平滑过渡 引入电 流偏差控制 方法是通过电流额定值与实际值之前的差值 适当增 大关断角 如果达到最大关断角 则交给定电流控制 通常每安培 电流偏差提高角 0 01 至 0 1 这里取 0 08 参考直流电流为 2kA 图 11 电流偏差控制 PI 环节的传递函数为 PI 环节 sT 1 1 KsG 2 2 T 2 0 0544 K 2 0 7506 根据公式可以算出得到的熄弧角 doi dci V IR2 coscos 4 3 逆变侧定电流控制 逆变侧定电流控制 Id inv为逆变侧实测电流 为避免整流逆变两端调节器同时工作 逆 变侧电流整定值要比整流侧整定值小一个电流裕度 通常为 0 1 p u i1 i1 1 K sT PI d inv I d ref I inv inv 30 min 110 max 图 12 逆变侧定电流控制 PI 环节的传递函数为 sT 1 1 KsG i2 i2i 一阶惯性环节 Ti1 0 0012 Ki1 0 5 PI 环节 Ti2 0 0109 Ki2 1 0989 4 4 低压限流环节 低压限流环节 VDCOL 低压限流正常情况下不起作用 是当系统电压下降幅度过大变得较 低时 减小直流电流指令 使直流电流降低 降低直流功率 经低压限流后的最大允许电流值和给定的电流值中的较小值作为定 电流控制的电流指令值 sT G 1 di V di I sT G 1 0 01 低压限流 VDCOL后的最 大允许电流 MIN 电流整定值 Ides Id ref 图 13 低压限流环节 G 1 T 0 02 图 14 整流逆变整体控制框图 附 1 对于直流输电线路而言是不需要无功补偿的 原因如下 以交流形式传输 电能 在交流频率的作用下 会产生电抗 由于电抗的作用 在任何时刻 任意两点的 电压相角均不相同 且相角的大小与传输的功率有关 功率越大 相角差越大 以 直流形式传输电能 由于直流供电的特殊性质 在电能传输的过程中没有频率 线 路中不会感应到电抗的存在 所以不存在电压相角的问题 由公式 Q UIsina a 角为电压 U 与电流 I 之间的相位角 若 a 角为 0 自然是不会产生无功的 2 对于传统的换流站而言是需要无功补偿的 原因如下 以整流站为例 1 其开关元件通常为多脉波整流变换器 它采取的触发方式是相控方式 若 将触发角 增大 电流相对电压的相位就在向后移 就会使得无功功率增大 功率因数就会降低 必须补偿这一部分无功功率 所以加设无功补偿装置 2 因为是多脉波整流变换 虽然会消除大量谐波 但还是有存在一部分谐波 产生 直流侧就需要用上滤波电容器 平波电抗器等装