高压直流输电(第4章)

第四章高压直流输电系统的控制和特性,学习目的：1、掌握HVDC输电系统的控制特性；2、了解换流器触发脉冲控制系统；3、了解阀的闭锁和旁路以及起动、停运和潮流逆转的概念。,4.1控制的基本原理,整流器终端的功率为：,逆变器终端的功率为：,高压直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势（）和（）来控制线路上任一点的直流电压以及线路电流（或功率）。这是通过控制阀的栅门极的触发角或通过切换换流变压器抽头以控制交流电压来完成的。栅门极控制速度很快（1到10毫秒），而变压器抽头切换速度较慢（每级切换为5到6秒），以互相补充的方式应用这两种控制。开始时应用栅门极控制以保证迅速的作用，之后由抽头切换将换流器控制角（整流器的角和逆变器的角）恢复到正常范围。变更功率输送的方向，可采取更换两端的直流电压极性的方法。,在选择控制特性时，应该考虑下列要求：（1）防止交流系统电压的变化引起直流电流的大波动；（2）保持直流电压在额定值附近；（3）保持送端和受端的功率因数尽可能高；（4）防止逆变器的换相失败和使用汞弧阀的整流器的逆弧。,运用换流器的快速控制来防止直流电流的大波动，这是保证HVDC线路满意运行的一个重要要求。由于线路和换流器的电阻很小，因而或的微小变化就能引起Id的大变动。例如：整流器或逆变器的电压变化25%，将引起直流电流变化达100%。这意味着，如果和保持恒定，任一端的交流电压幅值的小变化会引起直流电流在一个很大的范围内变动。考虑到保证系统的良好性能，这种变化一般是不允许的。另外，最终电流可能高到足以损害阀和其它设备。所以，防止直流电流波动的快速换流器控制对系统的正确运行是至关重要的。如果没有这种控制，HVDC系统将是不切实际的。在给定传输功率下，沿着线路的直流电压分布应接近额定值。这样会使直流电流达到最小值，从而线路损耗最小。,以下是维持高功率因数的几个原因：（1）在给定变压器和阀的电流和电压额定值的条件下，使换流器的额定功率尽可能高；（2）减轻阀上的应力；（3）使换流器所连接的交流系统中设备的损耗和电流额定最小；（4）在负荷增加时，使交流终端的电压降最小；（5）使供给换流器的无功功率费用最小。,要得到高功率因数，必须保持整流器的角和逆变器的角尽可能小。但是，为了确保触发前阀上有足够的电压，整流器有一个最小角限制，大约为5。譬如说，对于晶闸管整流器，触发前在每个晶闸管上出现的正电压是用来向晶闸管提供触发脉冲能量的供电电路充电。所以，在=5之前不可能产生触发。因而，整流器正常运行时的角的范围为15到20。这样，留一些升高整流器电压的裕度来控制直流功率潮流。对逆变器来说，必须维持一个确定的最小熄弧角以避免换相失败。确保换相完成且带有足够的裕度是很重要的，这样可在=180或=0换相电压反向之前允许去游离。熄弧角等于-，叠弧角决定于Id和换相电压。因为即使换相已开始，仍存在直流电流和交流电压改变的可能性，所以在最小角限制之上必须维持足够的换相裕度。典型地说，对50Hz系统值的可采纳的裕度为15，对60Hz系统则为18。,4.1.2控制特性,（一）理想特性,为满足以上所表明的基本要求，应将电压调节和电流调节加以区别，并将它们分置在不同的换流端。在正常运行条件下，整流器维持恒定电流（CC），逆变器运行在恒定熄弧角（CEA）以维持足够的换相裕度。用稳态电压电流（V-I）特性可以很好地解释这种控制机理。以电压Vd和电流Id形成坐标，在直流线上的某个公共点可以测量出它们的值。,当整流器保持恒定电流时，它的V-I特性是一条垂直线，如图中AB线,上式给出了保持在固定值时的逆变器特性。如果换相电阻Rci略大于线路电阻RL，逆变器的特性直线斜率为负且较小，如图所示的CD线。由于在一种运行条件下必须同时满足整流器和逆变器特性，因此它由两条特性的交点（E）确定。,通过调节“电流指令”或“电流整定值”可以使整流器特性水平移动。如果测量电流小于电流指令，调节器就会减小而提前触发。通过逆变器的变压器抽头切换装置的作用，它的特性会升高或降低。当抽头切换装置动作时，CEA调节器迅速将恢复到期望值。其结果是直流电流改变，但很快会被整流器的电流调节器恢复到期望值。整流器抽头切换装置动作，将控制在10到20的期望范围内以确保高功率因数和控制的适当裕度。为了使逆变器运行在恒定的角，根据电压和电流瞬时值的变化用计算机来控制阀的触发。计算机控制触发时刻，使得熄弧角大于阀的去游离角。,（二）实际特性整流器通过改变角来维持恒定电流。但是，角不能小于它的最小值（min）。一旦达到min，就不可能再升高电压，整流器将运行在恒定触发角（CIA）。所以，整流器特性曲线实际上有两部分（AB和FA），如图所示。FA部分对应于最小触发角并且表示CIA控制方式；AB段表示正常的恒定电流（CC）控制方式。实际上，恒定电流特性不会绝对垂直，这取决于电流调节器。采用比例控制器时，由于电流调节器的增益有限，恒定电流特性直线的斜率为负且较大，如图所示。,用扰动值表示为:,或,采用比例和积分调节器时，恒定电流（CC）特性是非常垂直的。在正常电压下的整流器特性由FAB确定。当电压降低，特性曲线亦移动，如FAB所示。在正常电压下，逆变器的恒熄弧角（CEA）特性曲线和整流器特性曲线相交于E。可是，逆变器的CEA特性（CD）不会和由FAB表示的在降低电压下的整流器特性曲线相交。所以，整流器电压的大幅度降低会引起电流和功率在短时间内下降到零，这个时间取决于直流电抗器。从而系统将会停运。为了避免上述问题，逆变器也要配置一个电流控制器，其整定的电流值比整流器的电流整定值小。完整的逆变器特性曲线由DGH给出。它包括两部分：一部分为怛定熄弧角（CEA）特性曲线，一部分为恒定电流特性曲线。,整流器的电流指令和逆变器的电流指令的差值称为“电流裕度”，在图表示为Im。通常它整定在额定电流的10%到25%，以确保在由测量或其它原因引起误差的情况下两条恒定电流特性曲线彼此不会相交。在正常运行条件下，（由交点E表示），整流器控制直流电流，逆变器控制直流电压。整流器电压降低时（可能由附近的故障引起），运行条件用交点E表示。逆变器转而进行电流控制而整流器建立电压。在这种运行方式下，整流器和逆变器的作用互换。从一种方式变化到另一种方式称为“方式切换”。,（三）整流器和逆变器的组合特性在大多数HVDC系统中，要求每一个换流器既可作整流器，也可作为逆变器使用。因而，每一个换流器都有一个组合特性曲线，如图所示。,每个换流器的特性曲线包括三部分：相应于min的恒定触发角（CIA）特性曲线，恒定电流（CC）特性曲线和恒定熄弧角（CEA）特性曲线。当换流器特性如图中实线所示时，功率由换流器1输送到换流器2。在这种运行方式下的运行条件用点E1表示。当换流器特性如图4.5中虚线所示时，功率输送方向逆转。这可以通过反置“裕度整定”来达到。也就是说，使换流器2的电流整定值大于换流器1的电流整定值。这种运行条件用图中E2表示；电流不变，但电压极性改变。,（四）可选择的逆变器控制方式（1）直流电压控制方式用闭环电压控制取代调节到固定值（CEA），可以保证在直流线路上的一个期望点维持恒定电压，通常该点为送端（整流器）。维持期望的直流电压所必需的逆变器电压可以通过计算线路的R1电压降来估计。与恒定角控制（有下降的电压特性曲线）相比较，这种电压控制方式的优点在于，它的逆变器V-I特性曲线是一条水平线，如图所示。另外，这种电压控制方式的值略高，因而换相失败的可能性较小。一般来说，和抽头切换装置相配合，该电压控制方式维持角在大约18。,（2）恒定角控制用触发超前角表示的逆变器等值电路如图所示。保持恒定时，逆变器的V-I特性曲线斜率为正，如图所示。在低负荷时，恒定的还能保证不会产生换相失败。可是，在较高的电流（较大的叠弧）下，会遇到最小值问题。恒定控制方式并不用于正常运行状态。它被认为是一种备用的控制方式，在暂态条件下直接作用于触发角是有益的。,（五）控制方式的稳定性如图所示，在接近于逆变器的CEA特性曲线和CC特性曲线的过渡部分的某些电压水平下，整流器的min特性曲线和逆变器的CEA特性曲线的交点不能很好地确定。在这个区域内，交流电压的微小变动将引起直流电流的大改（100%），而且会在控制方式与抽头切换之间产生来回摆动的趋势。为避免这个问题，经常在逆变器的CEA和CC控制特性曲线的过渡部分引入一个斜率为正的特性（恒定）。另一种变化如图所示，它是通过一个电压反馈回路来控制直流电压。,（六）变压器抽头的控制变压器抽头切换装置的控制是用来将换流器的控制角保持在期望范围内，只要（整流器）或（逆变器）超过这个范围的时间达几秒钟就动作。一般地，逆变器运行在恒定熄弧角，因此利用抽头切换装置对线路电压进行附加电压控制。整流器运行在电流控制方式时，也附加由抽头切换装置进行的使回到额定值的控制。常常由允许的稳态电压的最小和最大变化来确定抽头切换的级数，同时它也要适合最坏稳态电压条件下的最小和最大功率潮流。采用时间延迟可以防止暂态条件下抽头的不必要的切换。用一个大于抽头每级间隔值的死区可以避免抽头切换装置运行时发生来回切换。,（七）电流限制确定电流指令时必须考虑如下限制。（1）最大电流限制为避免换流阀受到过热损害，一般短时间最大电流限定在正常满负荷电流的1.2到1.3倍。,（2）最小电流限制当电流值较低时，电流的波动会引起它的不连续或间断。因此，在12脉波的运行情况下，电流在一个周期内会被中断12次。这种情况是不允许的，因为在中断瞬间电流变化率很高，会在变压器绕组和直流电抗器上感应出高电压（Ldi/dt）。当直流电流处于低值时，叠弧很小。如果叠弧太小，即使电流连续也不允许发生这种情况。当叠弧很小时，在换相开始和结束时的直流电压出现两次跳变，形成一个两倍大的跳变，如果会导致阀上应力的增加。它也可能引起每个阀桥两端之间设置的保护间隙发生闪络。,（3）依赖于电压的电流指令限制（VDCOL）在低电压条件下，要想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或不可能的，其原因如下：（i）当一个换流器的电压降超过30%时，和它相隔很远的换流器的无功需求将增加，这对交流系统可能有不利的影响。远端换流器的或必须更高以控制电流，因而引起无功功率的增加。系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器所提供的无功功率明显减少，而通常换流器吸收的无功功率大部分由它们提供。,（ii）当电压降低时，也会面临换相失败和电压不稳定的风险。这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入“依赖于电压的电流指令限制”（VDCOL）来防止。当电压降低到预定值以下时，这个限制降低了最大容许直流电流。VDCOL特性曲线可能是交流换相电压或直流电压的函数。图中表示出了这两种类型的VDCOL。,包括VDCOL的整流器和逆变器静态V-I特性如图所示。逆变器特性曲线和整流器VDCOL相匹配以维持电流裕度。一般的措施是通过依赖于电压的电流限制暂时降低电流指令。对于VDCOL运行，测量的直流电压是通过一阶时间延迟元件得到的。一般地，对于电压升高和降低的条件，这个时间延迟是不同的。当电压下降时，要求快速的VDCOL动作；因此，时间延迟很小。假如电压恢复时用同样短的时间延迟，就会导致振荡和不稳定。为防止这种后果，直流电压恢复时采用较大的时间延迟。,（八）最小触发角限制如图所示，通过控制电流指令和电流裕度可以控制线路的传输功率。这些信号能通过一个远动通信线路传送到换流站。在换相失败或直流线路故障时，逆变器可能切换为整流方式。改变传输功率方向，这将逆转功率输送方向。为预防这种情况，在逆变器控制中引入最小限制，如图4.10中逆变器V-I特性曲线的最下面部分所示。这就将逆变器的触发角限定在大于90的某个值，其典型范围为95到110。但是，在特定故障条件下，可以允许整流器运行于逆变区域以帮助系统。结果，典型地加于整流器触发角的最大限制值在90到140之间。,（九）功率控制通常，要求HVDC联络线传输预定的功率。在这种应用中，相应的电流指令等于功率指令（P0）除以测量的直流电压：,这样所计算出来的电流指令用作电流控制的输入信号。但高速恒定功率控制可能对交流系统稳定性有不利影响。从系统稳定性的观点来看，高速功率控制和附加的慢功率控制相结合更为可取。所以，从稳定性观点来说，HVDC系统控制以恒定电流控制来完成，但对调度员则视为恒定功率控制。,（十）交流系统的辅助控制为了提高交流系统性能，从交流系统量中得到的辅助信号可用于控制换流器。控制策略包括直流电压或直流电流进行调节，或同时对它们进行调节。另外，特定的控制方法可用于帮助直流系统从故障状况恢复正常。,4.1.3基本控制原理的概括基于下面两个重要原因，HVDC系统基本上采用恒定电流控制：（1）限制过电流，并使因故障引起的损害最小；（2）防止系统因交流电压的波动而停运。这是因为高速恒定电流控制特性使得HVDC系统的运行十分稳定。,以下是基本控制系统的重要方面：（1）整流器采用电流控制和限制控制。最小参与角整定在5左右，以保证触发时换流阀上有足够的正电压，从而确保换相成功。在电流控制方式下，一个闭环调节器控制触发角，从而控制了直流电压，以保证直流电流等于电流指令。换流变压器的抽头切换装置控制保持的范围为10到20。用时间延迟来防止暂时偏移期间抽头的不必要动作。,（2）逆变器采用恒定熄弧角（CEA）控制和电流控制。在CEA控制方式下，被调节到15左右。这个值表示了在可接受的无功需求和换相失败的低风险之间所能做的权衡。尽管CEA控制是标准控制，仍可作一些包括电压控制和控制的调整。抽头切换装置控制用于将值调节到接近期望的范围，即15到20。,（3）在正常条件下，整流器为电流控制方式，逆变器运行在CEA控制方式。如果整流端的交流电压下降，整流器触发角也会减小，直到它达到min限制。这时，整流器切换为min控制，而逆变器设为电流控制。（4）为保证良好运行和设备安全，确定电流指令时应考虑几个限制：最大电流限制、最小电流限制和依赖于电压的电流限制。（5）除了上述基本控制方法之外，可以采用更高级的控制来改善交流/直流系统的相互作用和提高交流系统的性能。,4.2换流器触发脉冲控制系统换流器触发脉冲控制系统控制换流器阀的触发时刻，使换流器工作于所要求的控制方式，如恒电流、恒触发角或恒熄弧角等。换流器的触发脉冲必须与交流系统电压同步。有两种基本的触发脉冲控制方式：分相控制和等间隔控制。早期采用的分相触发脉冲控制会带来谐波和弱交流系统不稳定等大量问题。现代直流系统都采用等间隔触发脉冲控制。,4.2.1分相触发脉冲控制系统这种系统的主要特点是直接比较每一个阀的换相交流电压过零点来分别产生它的触发脉冲。,令换相开始时，t=t1；换相结束时，t=t2。可以得:,因此脉冲控制必须满足条件：在t=t1=和t=t2=-之间能得到电压积分2LcId。这个条件可写成：,（一）带分相触发脉冲的恒熄弧角控制在上式中，直流电流Id和换相电压随运行条件的变化而变化。因此，触发脉冲控制系统检测这两个量来决定触发时刻（t=t1）。当熄弧角等于设定值c，且Xc=Lc时，得,求解上式，可得到所要求的触发时刻t1。早期的换流器触发脉冲控制用模拟电路来实现。控制系统包括三个单元：第一个单元给出一个与直流电流Id成比例的直流输出；第二个单元给出一个与成比例的输出；第三个单元给出一个与换相电压成比例，但相位滞后90（即）的交流电压。将这三个输出叠加，当它们的和过零时产生一个触发脉冲。在稳态时，这种系统以恒定的换相裕度控制每个阀，不考虑负载和电压的变化或不对称。,（二）带分相触发脉冲的恒电流控制将一个附加信号Vcc加入式中，得:,其中,I0=电流指令；Id实际的直流线路电流；K为恒电流控制的增益,分相触发脉冲控制系统的优点是在电源三相不对称和波形畸变的情况下能获得最大可能的直流电压，因为每个阀的触发时刻是独立决定的。然而，分相触发系统实际上是有一个电压反馈，因为控制信号是从交流线电压取得的。与理想电压波形的任何偏离将影响电流波形的对称性。这自然会造成附加的波形畸变，从而引入非特性谐波。如果与换流器相连的是弱交流系统，反馈作用将进一步使交流电压畸变，从而导致谐波不稳定。谐波不稳定问题可以通过削减交流网络的谐波（例如，采用附加滤波器）或在控制电路中加滤波器来缓解。另外，可采用独立于交流系统量的触发脉冲控制系统，这就产生了下面要讨论的等间隔触发脉冲控制系统。,4.2.2等间隔触发脉冲控制系统在这种系统中，有一个本机振荡器产生触发脉冲，以相等的时间间隔顺序触发每个阀。通过控制本机振荡器相对于交流电压的相位移，使换流器的所有触发角的延迟或超前都相等，来达到期望的控制方式。自1968年首次提出这种触发控制系统之后，所有HVDC系统都采用这种系统进行换流器的触发控制。通常称之为锁相环触发或等间隔触发方法。,与分相触发脉冲相比较，等间隔触发脉冲控制一般地有较多的优点。它在稳态时提供相等的脉冲间隔。因此，对于最脆弱的控制角，对称性都能维持。例如，在出现有限的交流电压不对称时，最小角就成为设定角。此外，等间隔触发脉冲控制产生较小的非特征谐波。采取一些措施后用于弱交流系统能稳定低频振荡。但是，当交流网络不对称较严重时，它产生比分相触发脉冲控制小的直流电压和功率。在现代换流器中，晶闸管的触发和监测通过光耦实现。通过光导将触发脉冲传给每个晶闸管。每个晶闸管配一特殊控制单元，它将光脉冲转变为电脉冲送给晶闸管的门极。现在许多厂家正在开发用光纤直接触发的晶闸管。,4.2.3换流器的数字式控制器的功能根据HVDC换流器分相和等间隔触发脉冲控制的工作原理及其特点，可以设计出一个全数字式HVDC换流器控制的硬件和软件结构，控制器采用一个16位微处理器，并尽可能用软件实现比例-积分-微分（PID）电流控制放大器、依赖于电压的电流指令限制（VDCOL）、最小对称化单元以及其它功能。如前所述，换流器控制的作用是：（1）在稳态时，维持电流、电压、触发角（）和熄弧角（）在预先确定的值；（2）在交、直流系统发生扰动的暂态期间，适当地改变这些值。当前采用的控制方法是电流裕度法，它包括正常和降低运行方式。,在正常运行方式下，逆变器将它的熄弧角控制在能安全换相的最小值，并确定了直流线路电压（Vdr）。由整流器端控制直流电流（Idr），最终确定了传输的直流功率水平。降低运行方式通常作为一种备用。在事故期间采用这种运行方式，整流器的电流控制斜坡下降到最小安全极限，以维持阀导通的有限换相电压。在这种情况下，整流器反过来确定了最大可能的直流电压，而由逆变器控制直流线路电流。为了预防换流器换相失败，采用了若干种保护措施，如最大触发角限制和根据直流电压降低电流指令。最常采用的是依赖于电压的电流指令限制器（VDCOL）。根据上述原理，换流器在线数字控制器尽可能采用软件实现，而最少地使用硬件，从而增加了可靠性，减少设备的维护和降低成本。,4.2.4阀的闭锁和旁路阀的闭锁（停止）是通过切断一个换流桥所有阀的门极的正脉冲来达到的。但这样可能导致由于中断电流引起的过电压。在某些事例中，逆变器的阀的闭锁可能造成通过原先导通相的持续导通，将交流电压加于直流线路上，以及将直流电流加于换流变压器上。因此，当阀闭锁时，必须将换流桥旁路。用如图所示的旁路阀和旁路开关来实现的。阀的电流转换到旁路阀，然后旁路开关合上以避免旁路流过持续电流。在采用晶闸管的换流器中，每个桥路采用一个独立的旁路的用法已不常见。取而代之的是用如图4.14所示的方法，它是通过触发一个阀来形成同一相的一对串联阀，使它们好像一只已经导通的阀在工作。在持续闭锁期间，旁路开关合上以释放短路阀。旁路的操作逻辑已作为换流器控制的一部分。,4.2.5起动、停运和潮流的逆转（一）起动起动和