直流输电控制

1双极直流输电系统第1页/共48页第一页，共49页。2双极直流输电换流站系统第2页/共48页第二页，共49页。3直流输电系统

整流侧维持直流电流

逆变侧维持直流电压直流传输功率决定§4-1直流输电控制方式控制系统是HVDC的中枢整流站、逆变站换流站第3页/共48页第三页，共49页。4总体来讲，直流输电系统

整流侧维持直流电流

逆变侧维持直流电压直流传输功率决定整流侧：直流电流控制调节α→

维持Id恒定直流功率控制根据运行电压→计算Id给定值→维持Pd恒定直流电压控制只有当直流系统电压过电压才起作用α角最小控制整流侧交流电压↓或逆变侧交流电压↑，整流侧不能继续维持维持Id恒定，转入α角最小控制，同时退出直流电流控制。一般αmin=5°无功功率控制或慢速交流电压控制只选一种，调节滤波器组数→改变无功。强交流系统选无功功率控制换流变压器分接头控制调节交流电压→维持α在给定范围变化，或保持阀侧空载电压恒定地电流平衡控制双极运行时，调整两极α，保持地电流<1%一、基本控制方式第4页/共48页第四页，共49页。5逆变侧：δ角控制一般维持δ=18°直流电压控制调整α

→维持Udn恒定直流电流控制只有当整流侧转入αmin控制才自动转为该方式快速交流电压控制当限制交流系统过电压，当UAC↑↑，换流变分接头来不及调节，调δ

↑→吸收无功↑→UAC↓↓。同样对出现UAC↓↓。无功功率控制或慢速交流电压控制只选一种，调节滤波器组数→改变无功。强交流系统选无功功率控制（与整流侧同）电流差值控制防止逆变电流调节器在工作转换时产生不稳定换流变压器分接头控制调节交流电压→维持δ在给定范围变化，或保持阀侧空载电压恒定第5页/共48页第五页，共49页。6正常情况下：整流侧：直流电流或直流功率逆变侧：δ角或直流电压四种组合方式+（Z：αmin，N：Id）即：

Z：直流电流 N：δ角

Z：直流电流 N：直流电压

Z：直流功率 N：δ角

Z：直流功率 N：直流电压

Z：αmin N：直流电流其它方式大多是瞬时的，一旦回到稳态又恢复到上述方式之一第6页/共48页第六页，共49页。7§4-2直流输电控制特性PQPQ一、直流输电等值电路第7页/共48页第七页，共49页。8直流输电等效电路直流输电基本公式直流输电可调量导通角、分接头第8页/共48页第八页，共49页。9二、定触发角控制Z：定αN：定β当整流器的交流电势变化，则系统的运行点将偏移到A或B。由于伏安特性的斜率一般很小，交流电压并不会有太大的变动，这样就会引起直流电流和直流功率很大的波动。同理，逆变侧交流电势的变动，也会发生类似的结果。这种情况是不允许的。直流输送功率大幅度波动，将引起交流系统的运行困难，直流电流的剧烈变化，也会影响直流系统的安全运行，可能造成换流器过载和逆变器的换相失败等。直流输电等效电路第9页/共48页第九页，共49页。10Z：定αN：定δ同样存在电压小变化，直流电流大的变化，不利于直流输电稳定运行当干扰使工作点漂移到A点：当干扰使工作点漂移到B点：故：这种运行工况不稳定工作点漂移到A点：工作点漂移到B点：故：这种运行工况是稳定的ABAB第10页/共48页第十页，共49页。11Z：定αN：定U同样存在电压小变化，直流电流大的变化，不利于直流输电稳定运行工作点漂移到A点：工作点漂移到B点：故：这种运行工况是稳定的AB第11页/共48页第十一页，共49页。12三、定电流控制为了直流输电系统稳定运行，整流器上都装有定电流调节装置，自动地保持电流为定值；逆变器定δ

定电流αmin定电流定δ人工特性定电压定电流αmin定电流第12页/共48页第十二页，共49页。13低压限流控制是指在某些故障情况下，当发现直流电压低于某一定值时，自动降低直流电流调节器的整定值，待直流电压恢复后，又自动恢复整定值的功能，如图CD与EF段。它最初作为换流阀换相失败的一种保护措施，后来在现代高压直流工程，特别是联系于弱交流系统的直流工程所采用，以改善故障后直流系统的电压恢复特性。低压限流控制VoltageDependentCurrentOrderLimit(VDCL,VDCOL)0.1pu天广HVDC正常控制模式第13页/共48页第十三页，共49页。14低压限流控制的主要作用有：避免逆变器长时间换相失败，保护换流阀；在交流系统出现干扰或干扰消失后使系统保持稳定，有利于交流系统电压恢复，改善交流系统的性能，保持换流站的无功平衡；在交流系统故障切除后，为直流输电快速恢复创造条件，在交流电压恢复期间，平稳的增大直流电流来恢复直流系统。因为如果直流系统功率恢复太快，换流器需要吸收较大的无功功率，影响交流电压的恢复。第14页/共48页第十四页，共49页。15如果出于某种原因直流电压降至UDHIGH以下，电流指令的最大限幅值开始下降。如果当前电流指令大于电流指令的最大限幅，则输出的电流指令（IORDLIM）将降低。电流指令的降低可防止逆变端发生交流故障时的电压不稳。如果直流电压持续下降至低于UDLOW，电流指令的最高限幅则不再下降，并保持在IOLIM。改进模式最大电流限制变化直流系统的最大过负荷能力防电流间断第15页/共48页第十五页，共49页。16直流电流给定值修改原则是：保证整流侧的Id给定值Id0z始终比逆变侧的至少大ΔId0定电流定δ人工特性定电压定电流αmin整流侧修改命令↑→Id0z↑

→

Id0n↑

（通信）

命令↓

→

Id0n

↓→Id0z

↓

（通信）逆变侧修改命令↑

→

Id0z

↑→Id0n

↑

（通信）命令↓→Id0n↓

→Id0z↓

（通信）

给定速率匀速变化第16页/共48页第十六页，共49页。17四、换流器控制同步信号脉冲形成1234561352641、分相控制（常规）每相脉冲与其对应的同步信号同步α1α2+A+C+B-B-A-C特点：三相电压对称时，脉冲等间隔（60°，12桥为30°），但不对称时，则不等间隔；或者谐波造成过零点畸变，也会造成不等间隔→非特征谐波→交流电压进一步畸变非特征谐波产生：脉冲不对称；换流变、交流系统阻抗不对称；AC电流谐波；电压或相位不对称谐波↑→交流电压波形畸变↑→脉冲不对称↑谐波不稳定（放大倍数足够大）控制信号第17页/共48页第十七页，共49页。182、等相位间隔触发脉冲始终按60°（30°）等间隔触发优点：即使三相电压不对称，采用等间隔触发引起的非特征谐波也较小，不会有危害锁相环同步信号等间隔脉冲控制电压触发脉冲第18页/共48页第十八页，共49页。19§4-3

直流输电的控制

一、定电流调节余弦移相单元的作用：

消除整流器的非线性，使整个控制系统变成线性系统，从而有利于控制器参数设计非线性关系PID调节器余弦移相脉冲触发移相单元第19页/共48页第十九页，共49页。20二、定δ调节原理

开环调节方式由运行状态计算出δ只要测量EN和Id，即可根据δ，计算出β。改变β

→

实现定δ控制预测型控制不影响特点：预测性控制，可以提前控制不足之处：当波形畸变后，计算误差大，drn在实际系统运行方式或频率变化后会变化第20页/共48页第二十页，共49页。21闭环调节方式根据实际系统测量δK>1且足够大，一次调节（过调节）就使K<1，平稳调节使暂态情况换相失败另外，在换流站一些操作→电压畸变→操作前瞬时加大δδ角检测非线性故障控制调节器引入死区第21页/共48页第二十一页，共49页。22δ逆变侧重叠角δ整流侧重叠角第22页/共48页第二十二页，共49页。23三、定电压调节原理

PID调节器与定电流控制类似，只是输入信号为直流电压。可以维持直流线路末端电压恒定，也可以维持线路首端。直流电压：测量、通信或近似计算Ud=Udn+IdRL，只是线路电阻随温度变化，难以准确知道第23页/共48页第二十三页，共49页。24四、换流变分接头调节整流侧换流变如果固定变比：当交流电压和直流电压发生偏移或改变直流传输功率→

α

变化很大

α

过大→消耗无功↑，直流电压谐波↑

α

过小→缩小控制范围

α

正常值15o通过分接头调整使α

在一定范围变化，如：12.5o~17.5o整流侧工作原理：当α<下限时→调1档分接头，AC电压↑→α

↑当α>上限时→调1档分接头，AC电压↓→α

↓一般来讲，当α=下限或上限时，调1档使α=15o左右。每一档交流电压变化1%~1.25%，太大会引起频繁往复调节。总的变化范围±15%~20%。如果考虑降压运行，变化范围更大第24页/共48页第二十四页，共49页。25主要调节方式：（1）保持换流变阀侧空载电压恒定分接头主要用于AC电压的波动，故分接头调节一般较少，所要求分接头调节范围也较小。负载波动由α或δ调整。分接头调节不频繁，延长寿命。（2）保持控制角（α或δ）在一定范围变化分接头调整使α或δ

在一定范围变化→Q

↓；交直流谐波↓直流系统性能好，但分接头调整频繁且调整范围要大。我国基本采用第（2）种调节方式逆变侧工作原理：当δ<下限时→调1档分接头，AC电压↑→δ

↑当δ>上限时→调1档分接头，AC电压↓→δ

↓一般来讲，当δ=下限或上限时，调1档使δ=17o左右。每一档交流电压变化1%~1.5%，太大会引起频繁往复调节。分接头调节速度：一般为1秒或几秒，避免与定Id、定δ调节相干扰第25页/共48页第二十五页，共49页。26天广HVDC分接头调节：

Z：α=13o~17o

，<13o下调，返回14.6o，>17o上调，返回15.4oN：δ=17.5o~21.5o

，<17.5o下调，返回18.9o，>21.5o上调，返回19.1o天广分接头动作次数对比

极I（定α） 极II（定电压）2002-8-3 67 352002-8-4 27 72002-8-5 67 252002-8-6 57 222002-8-7 60 192002-8-8 59 21第26页/共48页第二十六页，共49页。27五、定功率控制原理电力系统运行通常按输送功率规划，定Pd仍然是以定Id为基础计算测量测量要求：设置最大电流值，1.0pu~1.2pu，防过载设置最小电流值，0.1pu~0.2pu，防电流间断稳定电流控制定Pd定δ工作点B不稳定，低压大电流工作点A稳定第27页/共48页第二十七页，共49页。28六、起停控制

起停控制主要包括直流输电系统从停运状态变到运行状态以及输送功率从零增加给定值或从运行状态转变到停运状态的控制功能。直流输电系统的起停包括正常起动、正常停运、故障紧急停运和自动再起动等。直流电流给定值指数（线性）变化第28页/共48页第二十八页，共49页。29

直流输电系统的起动，采用逐渐升压的方式，以避免产生过电压。通常用逐渐增大整流器电流调节器的电流整定值，使整流器的直流电流随着增大的方法起动。

起动的过程主要步骤如下：两侧换流站换流变压器网侧断路器分别合闸，使换流变压器和换流阀带电；两侧换流站分别进行直流侧开关设备操作，以实现直流回路连接；两侧换流站分别投入适量的交流滤波器支路；起动逆变器，并使β角等于最大上限值（上限值小于或等于90°），然后按α=90°触发整流器，同时便调节器的电流整定值按指数上升。通过电流调节器的作用，整流器的直流电流跟随上升。在逆变侧，当直流电流大于不连续电流值后，起动装置便自动地逐步减小β角。当直流电压电流都抵达额定值，δ调节器将δ角调到δ0后，起动过程便告结束。这种起动方式称为软起动。起动时间一般为100ms～200ms左右。当起动开始阶段，直流电流很小时，由于电流不连续，会引起过电压，因此应设法尽快越过电流间断区（一般在额定电流10％以下）。（－）正常起动第29页/共48页第二十九页，共49页。30

可以采用与软起动相类的方法，使调节器电流整定值按指数规律下降。其主要步骤如下：通过整流侧电流调节器，使直流电流跟随整定值逐步下降，直至允许运行的最小值；在此过程中，逐步切除交流滤波器组，以满足无功平衡的要求，逆变侧的电流调节器也跟着使β角加大，直到达到上限值。停送整流器的触发脉冲，或者采用快速停止的方法，它是将整流器的触发相位快速地增加到α=120~150°，使其转入逆变运行状态，于是平波电抗器和线路电感、电容中储存的能量就迅速回送到交流系统。在逆变侧，电流调节器也迅速地的把β角增加到上限值，以加速直流侧能量的施放，这样直流侧的电压和电流便很快地下降到零；当直流电流等于零时，闭锁逆变器触发脉冲，并切除逆变侧余下的交流滤波器组；两侧换流站分别进行直流侧开关设备操作，使直流线路与换流器断开；两侧换流站分别进行交流开关设备操作，跳开换流变压器网侧断路器。

上述起停操作，均由起停程序控制设备自动地进行。（二）正常停运第30页/共48页第三十页，共49页。31

直流输电系统在运行中发生故障，保护装置动作后的停运称为故障紧急停运。其操作的主要目的是：①迅速消除故障点的直流电弧；②跳开交流断路器以与交流电源隔离。故障紧急停运过程是：

迅速将整流器触发相位快速地增加到α=120~150°，使其转入逆变运行状态，称之为快速移相。快速移相后，直流线路两侧都处于逆变状态，将直流系统所储存的能量迅速送回两侧交流系统。当直流电流下降到0后，分别闭锁两侧换流器的触发脉冲，继而跳开两侧换流变压器网侧断路器，达到紧急停运的目的。当多桥换流器中只有一个或部分换流桥发生故障必须退出运行时，为使其它部分仍继续运行，可同国旁路阀和旁通开关，将故障部分隔离而退出工作。

除由保护启动的紧急停运外，还可以手动起动紧急停运。通常，在换流站主控制室内设有手动紧急停运按钮，当发生危及人身或设备安全的事件时，可通过手动操作紧急停运按钮，实现紧急停运。（三）故障紧急停运第31页/共48页第三十一页，共49页。32

自动再起动用于在直流架空线路瞬时故障时，迅速恢复送电的措施。直流输电的自动再起动过程为：当直流保护系统检测到直流线路接地故障时，迅速将整流器的触发角快速移相到120~150°，使整流器转换为逆变器运行；在两侧换流站均为逆变状态运行时，直流系统储存的电磁能量迅速返送到两端交流系统，直流电流在20ms~40ms内降到0。经过预先整定的100～150ms的弧道去游离时间后，按照一定的速度自动减小整流器的触发角，使其恢复到整流运行，并迅速将直流电压和电流升至故障前运行值（或预定值）。如果故障点绝缘未能及时恢复，在直流电压升到故障前运行值时仍可再次发生故障，这时还可以进行第二次自动再起动。为了保证再起动成功率，在第二次再起动时，可适当加长整定的去游离时间，或减慢电压上升速度；如果第二次再起动仍不成功，可以进行第三次，甚至第四次再起动。若已达到预定的再起动次数，均未成功，可认为故障是连续性的，此时就发出停运信号，使直流系统停运。由于控制系统的快速作用，直流输电系统的自动再起动一般比交流系统的自动重合闸时间要短，因而对两端交流系统的冲击也比较小。对于直流电缆线路，由于其故障多半是连续性的，因而不宜采用自动再起动。（四）自动再起动第32页/共48页第三十二页，共49页。33

由汞弧阀构成的换流器，除了六个主阀之外，大都装有第七阀――旁通阀。正常运行时，旁通阀处于闭锁（不加触发）状态，因此不通电流，不影响换流器的工作。当换流器发生故障时，旁通阀才被触发导通，起保护主阀的作用。逆弧（即阀发生反向导通）是汞弧阀经常发生的瞬时性故障，需依靠旁通阀加以保护。旁通阀也可用于直流系统的起停操作。（五）旁通对在正常起停中的应用

由可控硅构成的换流器，不存在逆弧故障，可以用接在交流端同一相的上下两阀同时触发导通来代替旁通阀，称为旁通对。其中阀1和4，3和6以及2和5三对均可选作旁通对。这样就要省去价格昂贵的旁通阀。第33页/共48页第三十三页，共49页。本来是SCR3导通，但没给SCR3发触发脉冲，故不能导通，SCR1继续导通尽管给SCR4发了触发脉冲，但这段时间uc-ua<0，故导通不了uc-ua>0，SCR4开始导通，旁通对形成整流侧：初始状态：SCR1&SCR2导通投入SCR1&SCR4旁通对有延时，主要等阀承受正向电压135264投入旁通对第34页/共48页第三十四页，共49页。投入旁通对SCR1&SCR2导通时投入SCR3&SCR6：ub-ua>0，SCR3立即导通；等uc-ub>0，SCR6导通135264逆变侧：由于阀大部分时间承受正向电压，投入旁通对转移速度较快旁通对解锁过程：旁通对→正常解锁后，令α=90°-γ/2或β=90°-γ/2，平均电压为0但解锁后的第一个脉冲发出要注意，否则会引起相当大的冲击电流第35页/共48页第三十五页，共49页。36

正常起动时旁通对的应用利用旁通对起动直流系统的程序如下：当发出起动指令时，首先将两侧换流器的旁通对投入，直流线路便经两侧旁通对短路。接着整流器解锁，进行软起动。这时逆变器旁通对仍将直流线路短路，有利于电流尽快越过间断区。待电流越过间断区后解锁逆变侧，以后的过程和一般软起动方式相同。换流器为双桥串联接线时，起动时整流器的一个桥先解锁，通过另一桥的旁通对送出直流电流，然后第二个桥解锁。这样可以避免起动时第四个触发的阀臂发生过电压，这种过电压在最恶劣的情况下可能达到4倍的额定值。正常停运时旁通对的应用单桥六脉动直流系统的正常停止操作，开始时仍用上述的方法进行，当电流减小到接近间断区时，始投入旁通对，使换流器越过间断区而停止运行。由多个桥串联组成的换流器，当其中一个桥需退出运行时，可将其旁通对投入，其它仍可通过这个通对继续运行。若这个桥需要长期可合上它的旁通开关代替旁通对，再用隔离开关将桥隔开。当这个桥再投入运行时，按相反的次序操作。第36页/共48页第三十六页，共49页。37七、潮流反转控制

直流输电的特点之一是能够方便、快速地实现功率潮流的反转输送。因此，它不但在正常运行时可以按照经济原则调节输送功率的大小和方向，而且当某侧交流系统发生事故时，还要以通过它从另一侧交流系统得到紧急的支援。由于换流器只能单向导电，所以直流电流的方向是不能反转的，只有使直流电压极性反转，才能实现功率倒送。这就要把整流器触发相位延迟，变为逆变状态运行，把原来逆变器的触发相位提前，变为整流状态运行。反转过程是自动进行的。

潮流反转+-0Id0PQPQ-+0Id0PQPQ第37页/共48页第三十七页，共49页。38

两侧换流器都装有电流调节器和定δ调节器，它们的调节特性都由定α0、定Id0和定δ0三段组成。设功换流器1运行于整流状态，换流器2运行于逆变状态，运行点为A点，功率由1侧送向2侧。当需要潮流反转时，可将电流裕度指令从2侧转送到1侧，因此1侧的电流整定值减小到Id0

-ΔId0

，2侧的电流整定值变为Id0，这时换流器1检测出的电流大于新的整定值，电流调节器便不断地增大α角，企图降低电流。同时，换流器2检测出的电流小于新整定值，选择环节自动地将定δ调节转换到定电流调节，后者不断地增大β角，企图把电流维持在新的整定值，致使β>90o，遂由逆变转入整流状态。同时1侧也调到α>90o

，由整流转入逆变状态。这个过程一直进行到换流器1的δ=δ

0，选择环节把定电流调节改为定δ0调节，最后稳定在新的运行点B，完成了潮流反转。正送反送第38页/共48页第三十八页，共49页。39

潮流反转过程一般很快就能完成（约几百毫秒）。双方系统均难以承受，且对于直流电缆线路，过快的电压极性反转会损害它的绝缘性能，必要时可增加延时环节，减慢反转过程。正常潮流反转：先将Pdc到系统能承受的功率或0，再快速反转。有些换流站需要停止后才能反转。正送反送第39页/共48页第三十九页，共49页。40八、控制系统的分层控制双极控制和站控制极控制换流器控制阀控最高层最底层第40页/共48页第四十页，共49页。41阀控电光转换光纤驱动板触发脉冲监测信号电源换流器控制定Id；定α；定δ；αmin&αmax；分接头控制；无功功率；SCR触发闭锁和解锁控制等换流器保护；AC、DC滤波器保护；换流变保护；母线保护；交直流电压电流测量及报警等极控制控制和协调该极的运行功率给定值设置；电流给定值计算，站间通信；过负荷监测；功率调制；本极起停；故障恢复；本极直流线路保护；直流开关场设备保护及报警等有时换流器控制和极控制合并→换流器/极控制第41页/共48页第四十一页，共49页。42双极和站控制协调两个换流站和两个极运行双极功率给定值设置；极电流平衡；紧急功率控制；功率反转；双极故障后恢复等原则：双极功能尽可能→极控制，使极故障不影响两极运行直流中性线；接地极保护；交流线路保护等控制台；模拟屏；量测显示；信号报警；事故记录；顺序事件记录等通信控制用：电流给定值，功率给定值等操作命令：起停；反转；金属大地回流；开关遥控；保护及连锁动作等直流输电设置一个主控站，可以是整流侧也可以是逆变侧主控站负责HVDC的运行与操作第42页/共48页第四十二页，共49页。43阀控极控和换流器控制双极和站控通信通信ConfigurationofControl&ProtectionSystemfortheKii-ChannelHVDC第43页/共48页第四十三页，共49页。44思考题HVDC有哪些控制方式画出HVDC基本控制特性曲线，并进行说明HVDC为何要进行低压电流限制控制HVDC起停过程、潮流反转过程HVDC分接头调节原理简述HVDC分层控制思路HVDC站间为何需要通信HVDC的无功补偿组数该如何投入和切除HVDC正常运行时为何要限定α和δ的变化范围对HVDC正常运行威胁较大的有哪些因素在HVDC等效电路中多了等效电阻drz和drn，是否消耗有功，能量守恒如何保证第44页/共48页第四十四页，共4