直流控制基本原理

中国电力科学研究院曾南超 直流控制系统基本原理 内容提要 基本控制策略双极功率控制极功率独立控制极电流控制阀组控制 换流站二次设备 1 运行人员控制和SCADA系统2 直流控制3 直流保护4 交流保护5 通信6 调度自动化7 能量计费8 暂态故障录波器9 直流线路故障定位器10 站主时钟11 辅助设备控制 直流控制系统 直流控制系统直流控制系统是整个换流站控制系统的核心 其控制性能直接决定了直流输电系统的各种响应特性以及传输功率 电流的稳定性 直流控制系统逻辑分层 各控制层次的主要功能 1 双极控制层功率指令分配无功功率控制2 极控制层电流指令计算站间电流指令协调换流变分接头控制3 阀组控制层电流调节器电压调节器关断角调节器点火脉冲产生4 阀控制层触发脉冲分配 直流控制系统的冗余 完全双重化系统控制主机现场总线I O设备 模拟量 开关量 远动通信设备一个系统值班 另一系统热备用 双极直流输电系统 直流控制保护系统 ABB技术 控制保护系统框图 西门子技术 葛上直流葛站控制保护系统总体结构 基本控制策略 正常工况下 整流侧通过快速调节 角来保持直流电流恒定 逆变侧通过调节 角或Ud维持直流电压恒定 与快速控制相配合的换流变抽头的慢速控制策略为 正常工况下 整流侧换流变压器抽头控制维持 角为15 2 5 或维持变压器阀侧电压Udi0恒定 逆变侧抽头控制维持Ud恒定或Udi0恒定或维持 角为17 2 5 两侧均装有闭环电流控制器 但逆变侧的电流指令比整流侧的小一个电流裕度 电流裕度值为额定电流值的10 电流裕度法 使得在正常运行工况下 整流侧控制直流电流 逆变侧控制直流电压 基本控制模式 功率 电流控制功率 电流控制系统的主要目的是在交流和直流扰动下仍保持本极直流输送功率或直流电流恒定 功率 电流控制系统换流站运行在以下基本控制模式 双极功率控制极功率独立控制同步极电流控制应急极电流控制 功率控制概念 定功率控制 定功率控制是直流系统的主要控制模式 定功率控制具有两种运行控制方式 手动控制 在这种运行模式下 控制系统控制直流功率为运行人员设定值 自动控制 在这种运行模式下 控制系统控制直流功率为预先设定的功率曲线值 在定功率控制下 为了保持功率恒定 通过对直流电流的相应调整来补偿直流电压的波动 功率手动控制与自动控制 手动控制由运行人员设定希望的功率定值及功率升降速率 自动控制功率定值及功率变化率可以按预先编好的直流传输功率日或周或月负荷曲线自动变化 在手动控制和自动控制之间切换时 不应引起直流功率的突然变化 直流功率平滑地从切换时刻的实际功率变化到所进入的控制方式下的功率定值 而功率变化速度则取决于手动控制方式所整定的数值 极功率独立控制与双极控制要求 在极功率控制模式下 该极的传输功率保持在按极设置的功率参考值 不受双极功率参考值的影响 双极功率控制是直流双极运行时的基本控制模式 双极功率控制功能分配到每一极实现 任一极都可以设置为双极功率控制模式 如果两个极都处于双极功率控制模式下 双极功率控制功能为每个极分配相同的电流参考值 以使接地极电流最小 如果两个极的运行电压相等 则每个极的传输功率是相等的 如果一极处于降压运行状态而另外一极是全压运行 则两个极的传输功率比和两个极的电压比应一致 除非一极电流受到限制 如果其中一个极被选为独立控制模式 极功率独立控制或同步极电流控制 或者是处于应急电流控制模式 则该极的传输功率可以独立改变 整定的双极传输功率由处于双极功率控制状态的另一极来维持 在这种情况下接地电流一般是不平衡的 双极功率控制极的功率参考值等于双极功率参考值和独立运行极实际传输功率的差值 如果一个极是独立运行 另一极是双极功率控制运行 则双极功率控制极应该补偿独立运行极的功率损失 极功率独立控制 双极功率控制 自动电流裕度补偿 功能 当直流系统的电流控制转移到逆变侧时补偿与裕度定值相等的电流指令下降 自动补偿功能可在1秒之内完成对电流指令下降的补偿 由于整流侧交流电压大幅度下降或逆变侧交流电压大幅度上升 都可能引起电流控制权转移到逆变侧 功率反转控制 运行人员可手动改变功率方向 无论是单极运行还是双极运行 无论是处于双极功率控制 极功率独立控制还是同步极电流控制 无论是一极还是两个极处于降压运行状态下 都允许起动功率反转顺序 功率反转顺序 按以下顺序进行功率反转 运行人员输入新的功率方向 运行人员输入新的功率指令和升降速度 极控系统自动将电流下降至最小电流 保持电流在最小值 按一定的速率反转直流电压 直流电压反转到反向指定值后 按指定变化速率升电流 使功率升到新定值 或当直流电流下降到最小值后 闭锁直流系统 反转直流电压极性 重新解锁直流系统 按新整定的功率指令和升降速度将功率升到定值 自动功率反转顺序 天广 自动功率反转顺序 三常 定电流控制 由运行人员设定希望的电流定值以及电流升降速率 在这一控制模式下 控制系统控制直流电流为设定的电流定值 当执行电流改变指令时 直流电流线性地以运行人员设定的电流升降速率变化至预定的电流定值 当控制模式由定功率控制变为定电流控制或相反时 模式转换应是平滑的 不应引起直流功率波动 最小电流限制 无论是功率控制还是电流控制 直流电流都不得小于一个最小值 通常为额定电流的10 以防直流电流断续 连续过负荷限制 过负荷限制根据在当前环境温度条件下 考虑备用冷却设备是否可用 以及晶闸管当前结温 计算得到换流站的过负荷能力对极功率 电流控制输出的电流指令进行限幅 使得一次回路在各种工况下的全部过负荷能力都被充分利用 短时过负荷限制 短时过负荷限制允许在秒级和2小时内有不同的过负荷水平 2小时过负荷能力是指直流系统在最小功率至连续过负荷之间的任意功率水平连续运行后仍具备的能力 秒级过负荷能力各工程规定不同 有3秒 5秒 10秒过负荷能力等 晶闸管结温高限幅 过负荷限制实时计算晶闸管结温 在晶闸管结温过高时限制电流 晶闸管结温的计算是基于测量到的直流电流和阀冷却水温度 当计算得到的温度超过温度参考值时 升降逻辑将减小电流指令Io 使其回降5 如果在一定时间内 温度还是没有降至参考值以下 电流指令继续回降5 Io 直到晶闸管温度下降至参考温度以下 或是限幅器达到最小值 低压限流 VDCL 低压限流 VoltageDependentCurrentLimit 环节的任务是在直流电压降低时对直流电流指令进行限制 它的主要作用在于 交流网扰动后 提高交流系统电压稳定性 帮助直流系统在交直流故障后快速可控的恢复 避免连续的换相失败引起的阀应力 低压限流环节的电压和电流定值可以调整 而且两个站的斜坡函数或时间常数应能独立调整 以便控制限制电流时的速率以及返回时的速率 两个换流站的低压限流环节之间 电流指令限制特性应相互配合 保持电流裕度 VDCL特性 VDCL对Ud Id特性的影响 Ud Id特性 西门子技术 Ud Id特性 ABB技术 12脉动阀组控制 阀组控制是整个直流控制系统的核心内容 阀组控制接收来自极功率控制 PPC 的电流指令 产生 指令 阀组控制中的低压限流环节 用于 在直流电压降低时对直流电流指令进行限制 以避免在交流系统故障期间和故障以后的功率不稳定 VDCOL也有利于交流故障后的快速可控的恢复 此外 它也避免了连续换相失败对晶闸管阀引起的应力 根据基本控制策略 阀组控制包括以下三个基本控制器 电流调节器 电压调节器 调节器 此外 为了在各种工况下都确保直流系统安全运行 在阀组控制中还包括对点火角的限幅逻辑 在阀组控制中对整流和逆变运行配置不同的参数 使得在实际运行中整流侧和逆变侧由不同的调节器起作用 从而实现希望的Ud Id特性曲线 电流调节器 整流侧和逆变侧配置完全一致的闭环电流调节器 通过在逆变侧的电流指令中减去一个电流裕度来实现整流侧控制电流 逆变侧控制电压 闭环电流调节器的主要目标是保证电流控制环路的性能 快速阶跃响应稳态时零电流误差平稳的电流控制快速抑制故障时的过电流 直流电压调节器 电压调节器功能包括 空载加压试验控制 过电压限制器 仅整流侧 直流电压调节器 逆变侧的直流电压调节器将直流电压控制在允许范围内 整流侧和逆变侧都有电压调节器 整流侧电压调节器的整定值高 起限幅作用 逆变器相关角度 熄弧角调节器1 1换相失败现象应退出导通的阀在反向电压作用期间未恢复阻断能力 太小 当阀电压转变成正向时重新导通 应退出导通的阀在反向电压作用期间换相过程尚未完成 0 当阀电压转变成正向时发生倒换相 2换相失败的原因熄弧角 不足COS COS 2 Idd 3E E Id 常见原因逆变器丢失点火脉冲 一般是持续性故障 逆变侧交流系统扰动 如 短路故障 投切交流滤波器 熄弧角调节器2 3换相失败的故障过程单次换相失败及恢复连续换相失败防止连续换相失败的故障控制4熄弧角调节4 1最小熄弧角 min阀电流过零点检测换相电压过零点检测 熄弧角调节器3 4 2熄弧角整定值 0阀关断时间 300 s裕度 换相失败 不安全 Vd Vd0 cos 2 cos 2 Vd 设备利用率 cos cos cos 2 cos Q 不经济 0选择 在保证安全的前提下 尽可能小 17 18 熄弧角调节器4 4 3实测型 闭环式 实测熄弧角与设定值比较 用差值进行调节 min 0经济调整可以慢些 每次调节量小些 min 0安全调整应快些 每次调节量大些特点 精确 有时滞 需阀电流过零信号 应用 葛上 天广4 4预测型 开环式 实测直流电流 换相电压 根据预定的换相电抗预算熄弧角进行调节 arccos cos 0 2 Id d 3E d 逆变器等值换相电抗E换相电压特点 快 精确度差 无须阀电流过零信号 应用 三常 三广 熄弧角调节器5 换相失败的影响及保护措施偶发性单次换相失败小扰动可自动恢复投切交流滤波器时 瞬时增大 0di dt大时 瞬时增大 0持续性换相失败Id Iac桥差保护Id中产生50Hz分量工频保护保护时延配合大于交流后备保护时延 天广直流调节器配合 整流 天广直流调节器配合 逆变 三常直流调节器配合 线路开路试验 OLT 为了方便地测试直流极在较长一段时间的停运后 或检修后的绝缘水平 直流极控系统具有线路开路试验 OpenLineTest 的功能 在本站直流极线开关闭合 对站直流极线开关断开的情况下 运行人员可以安全的解锁对应的换流极 并可把线路电压调到零至1 05倍额定电压之间的任一数值 以测试本端换流站设备以及与之相连的极线 在这一试验模式下 禁止对端相应站极解锁 闭锁所有断线类保护及能够闭锁换流极的直流欠压保护 并提供保证试验期间设备安全的保护措施 当一极停运一极运行时 停运极的两端都应能进行线路开路试验 且不对运行极提出任何限制要求 如改变功率方向 线路开路试验只能在本地控制 并具有两种控制方式 手动控制与自动控制 手动 自动OLT 手动控制时 运行人员可手动设定线路开路试验的直流电压参考值 直流电压的参考值0 1 05pu值之间可调 直流电压以预先设定的速度线性变化至直流电压参考值 试验结束时 运行人员手动降压 闭锁换流阀 自动模式时 运行人员只要启动空载降压试验程序 此程序就自动的解锁对应的换流阀 把直流电压升至预定值 最大限制值为1 05pu 然后保持一段时间 再把电压降下来 最后闭锁换流阀 直流电压预定值和最高电压保持时间可以由运行人员设定 OLT直流电压计算 12脉动桥峰值整流后得到直流电压 Ud 4 3 3 Udi0 cos 60 上式表明直流电压从 等于150 开始递增 至 等于60 时直流电压达到最大 注 此式只在电流为零的时候才成立 当直流线路也在试验范围内时 其电晕损耗和泄漏损耗会使直流电压降低 闭环控制会降低a角来进行补偿 上述公式不再准确 无功功率控制 无功功率控制是整个直流极控系统中一个重要的功能 包括以下功能 根据换流站与交流系统的无功交换量或换流母线电压决定投 切滤波器组或电容器组 根据滤波器组的状态 对可投 切的滤波器组进行优先级排序 决定投 切哪一类型的滤波器组 以及该类型中的哪一组滤波器 无功控制优先级 波器的投切 AbsMinFiler 绝对最小滤波器控制 为了防止滤波设备过负荷所需投入的滤波器组 正常运行时 该条件必须满足 Umax 最高电压限制 监视交流母线的稳态电压 避免稳态过压引起保护动作 Qmax 最大无功交换限制 根据当前运行状况 限制投入滤波器组的数量 限制和交流系统的无功交换 MinFilter 最小滤波器容量要求 为满足滤除谐波的要求需投入的最少滤波器组 Qcontrol Ucontrol 无功交换 电压控制 控制换流站和交流系统的无功交换量 控制换流母线电压 绝对最小滤波器控制 Absminfilter Absminfilter是为了防止部分交流滤波器组因故被切除后造成运行中的其它交流滤波器谐波过负荷所需投入的最少滤波器组 如果该条件不能满足 为了防止交流滤波器组损坏 直流系统将降低输送功率 以满足绝对最小滤波器组条件 如果降到最后一级功率还是无法满足绝对最小滤波器组要求 无功控制将在预先设定的时延后停运直流系统 交流侧母线最高限制 U max Umax 最高控制 用于监视和限制换流站稳态交流母线电压 只有在Umax允许的情况下 Qcontrol发出的投入交流滤波器组的指令才有效 当稳态交流电压超出电压最大限值达一定时间后 按一定顺序切除交流滤波器 并联电容器组 直至满足绝对最小滤波器要求 从而限制母线电压的升高 以避免过电压保护动作 最大交换无功控制 Q max Qmax功能通过切除投入运行的交流滤波器组 并联电容器组 使得换流站流向交流系统的无功量不超过最高限幅值 最小滤波器控制 Minfilter 根据以下运行情况 该控制将确定满足谐波滤波要求所需要投入的最少交流滤波器的组数及其类型 直流功率站模式 整流 逆变 解锁极个数直流电压 全压 降压 无功控制模式 Q control U control Q 控制模式用于控制换流站与交流系统的无功交换量为设定的参考值 U 控制模式用于控制换流站交流电压为设定的参考值 为了防止滤波器组的频繁投切 采用回滞特性 设置的回滞窗口的上下限幅值大于最大无功设备组的容量的一半 RPC采用Q 控制方式时 当交直流两侧的无功交换量超过限制时 RPC将发出指令以控制滤波器 并联电容器组的投切 换流变抽头控制方式 正常工况下 整流侧变压器分接头控制具有维持换流变阀侧电压恒定或者控制点火角 恒定的两种方式 逆变侧采用维持换流变压器阀侧的交流空载电压恒定或维持 角恒定或维持直流电压恒定的方式进行控制 换流变抽头控制模式 1 手动模式对单台换流变抽头的移动或对所有换流变抽头的同步移动 2 自动模式断电控制 阀侧电压最低 Udi0最低 空载控制 根据允许的最小运行电流 0 1pu 建立Udi0负载控制 随控制方式 负荷自动抽头同步无论是在手动控制模式还是在自动控制模式 当抽头被升 降至最高 最低点时 极控系统将发出信号至SCADA系统 并禁止抽头继续升高 降低 附加控制 附加的调制控制 用于提高整个交 直 交联网系统的性能 无论是在功率控制模式还是在电流控制模式下 附加控制功能均能起作用 运行人员可以在运行人员控制界面上投入或解除指定的调制功能 功率提升 功率回降 涉及整流侧交流系统损失发电功率或逆变侧交流系统甩负荷的事故 可能要求自动降低直流输送功率 为此设计功率回降功能 涉及逆变侧损失发电功率或整流侧甩负荷故障时 有可能要求迅速增大直流系统的功率 以便改善交流系统性能 为此设计功率提升功能 功率回降 功率提升功能作用于功率指令或电流指令 无论在功率控制模式下还是在电流控制模式下 均应能使用功率回降 功率提升功能 功率回降 功率提升的级别以及功率回降的速率取决于系统研究 快速功率反转 为了满足交流系统稳定的需要 提供快速功率反转功能 该功能由直流极控系统本身起动 而不需要由运行人员启动 此控制功能的特性与运行人员启动的功率反转功能有以下不同点 直流功率 电流的上升和下降速率由系统研究决定 不能由运行人员调整 直流电压的反转应该以不引起绝缘结构局部放电的最大速率进行 运行人员不能终止已经被起动的快速反转顺序 阻尼次同步振荡 根据系统研究 如有需要 在附加控制中可设计阻尼次同步振荡的功能 用以保证对直流系统与交流系统中的任何同步发电机之间可能发生的次同步振荡都产生正阻尼 异常交流电压和频率控制 通过调整直流功率 点火角 以及投切滤波器组 帮助交流系统从以下状态恢复正常 1 交流系统频率偏离 高于或低于 额定频率一定值 该值由系统研究决定 2 交流系统电压高于或低于额定电压一定值 该值由系统研究决定 在设计频率控制时 不仅需考虑如何帮助故障侧交流系统从频率偏移状态下恢复正常 还应确保在实际运行中 不会出现非故障系统因对故障系统进行事故支援而影响本系统安全运行的情况 安稳装置的控制信号接口 直流极控系统预留与系统安全稳定自动装置之间的接口 它可以接收来自安稳装置的控制信号 以启动以上各种附加控制以及停运直流系统信号 需在极控系统中完成