高压直流输电控制.docx
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高压直流输电控制
直流输电系统控制
1直流输电系统控制的基本原理
如图1-1中所示的直流输电联络线，它表示一个单极联络线或双极联络线中的一个极,
相应的等值电路和电压分布情况分别如图1-1（b）和1-1（c）所示。
直流线路
（a）
图1-1
从整流器流向逆变器的直流电流为：
直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势Vdorco钮和Vdoicos?
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，或者通过改变换流变压器抽头来控制其交流电压来完成的。
栅/门极的控制速度很快（1到10ms）,而变压器抽头
切换速度较慢（每级切换为5到105），这两种方式相互补充，栅/门极控制最先开始动作，随后分接头缓慢调节改变，使换流器控制角（整流器的触发角和逆变器的熄弧角）恢复到正常范围。
功率反送（又称为潮流反转）是通过两端直流电压反向来实现的。
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.
运用换流器的快速控制来防止直流电流的大波动，这是保证直流输电系统满意运行的一
个重要要求。
直流线路和换流器的电阻很小，因而Vdorcosa或Vdoicos?
的微小变化就能
引起直流电流的大变动。
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，如果触发角和熄弧角保持恒定，任一端的交流电压幅值小的变化会引起直流电流在一个很大的范围内变动，对电力系统来说，这样大的波动是不可能接受的。
此外，这种大的电流变化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控制对
系统的正确运行是至关重要的。
如果没有这种控制，直流输电系统将是不实用的。
由于
CG时■Q.5[COSa+COS（a+^）]■0.5[COSy+COS（y+〃）]
所以，要得到高功率因数，必须保持整流器触发角和逆变器的熄弧角尽可能小。
但是，为了
确保触发前阀上有足够的电压，整流器有一个最小触发角限制，一般为5°。
因为对于晶闸管整流器，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，所以触发不可能在5"之前产生。
因此，整流器正常运行在触发角为5^20。
范围之内，使它还有可能提高整流器电压以控制直流功率的潮流。
对逆变器来说，必须保持某个确定的最小熄弧角以避免换相失败。
由于换相开始以后，直流电流和交流电压仍可能变化，所以有必要保留比最小熄弧角限制值大一些的足够的换相裕度。
可以接收的典型的熄弧角值对频率50Hz的系统为15号，对频率60Hz的系统则为18\
2实际系统的基本控制方式
直流输电系统的基本控制方式是定电流和定电压控制。
其它的控制方式如定功率控制等
高层控制，都是在此基础上增设的。
为了避免两端电流控制器同时工作引起调节的不稳动，逆变侧电流控制器的定值比整流
侧一般小0.1p.u,这就是电流裕度。
根据电流裕度控制原则整流器不需要配备直流电压控制功能，但是为了防止某些异常情况，通常整流器仍配备直流电压控制功能，其主要目的是限
制过电压。
同样的逆变器也需要装设电流控制器，不过逆变器定电流控制器的整定值小，因
而在正常工况下，根据控制原则逆变器定电流控制器不参与工作。
只有当整流侧直流电压大
幅度升高时，才会发生控制模式的转换，变为由整流器最小触发角控制起作用来控制直流电压。
另外由于换流阀具有单向导电的特性，电流只能从同一方向流过换流器。
利用换流器
的这一特性，使它在直流线路的一端按整流器运行，而另一端按逆变器运行，这样就可以传
输并控制从一个交流系统（发送端）到另一个交流系统（接收端）的功率。
整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定电压控制，可以使得直流系统按一定的功率传输，这也是直流输电系统的
一般要求。
基于以上分析，本文采用的控制方式为整流侧定电流控制，逆变侧定电压控制，控制框图如下图所示
3直流输电系统控制方式
3.1定电流控制原理
定电流控制是直流输电系统最基
本的控制方式之一。
在正常运行时,
由于某种原因而引起的输电线路上的
直流电流的变化，都将由电流控制快
速地将电流调整到正常值，也就是说
这种控制系统的任务是要维持直流电
3-1所示。
1）用于直流电流控制的直流电流控制误差的计算用于直流电流控制的直流电流控制误差计算方法如下直流电流的误差=直流电流的参考值-直流电流的实际值。
这种误差的计算对整流侧和逆变侧都是一样的，计算的直流电流误差值输入到PI控制器，由控制误差选择功能进行选择，对直流电流进行调节，维持直流电流恒定。
2）用于直流电流控制的直流电流
用于直流电流控制器的直流电流有两个：
实际的直流电流经过数字滤波环节之后，用于
直流电流控制器；此外换流变压器阀侧Y桥和D桥的阀侧交流电流的最大值为等效的直流电
流，作为测量的实际直流电流的后备。
等效的直流电流减去5%之后和实际的直流电流之间
的最大值用于直流电流控制器进行控制误差的计算O
3）整流侧直流电流控制
额定运行时，整流侧定电流运行，所以直流电流控制器为整流侧的主要控制器，直流电
流闭环控制器作用时，如果实际的直流电流偏小，PI控制器的输出将调整触发角向5。
方向
移动;如果实际的直流电流偏大，Pl控制器的输出将调整触发角向160。
方向移动。
4）逆变侧直流电流控制
额定运行时，逆变侧处于定熄弧角运行。
如果整流侧交流电压下降，整流侧电流调节器
动作，减小触发角，增大直流电流，如果触发角处于最小值（5号），还不能维持设定的直流电
流，此时整流侧由定电流运行转向定最小触发角运行，逆变侧转向定电流运行。
正常运行时，逆变侧的电流参考值要在整流侧的电流参考值的基础
上减去一个电流裕度值，如果逆变侧过渡到定直流电流运行，整流侧的电流裕度补偿功能起
作用，将逆变侧的电流参考值增加一个电流裕度值，从而保证系统传输的功率恒定。
直流电流闭环控制器作用时，如果实际的直流电流偏小，PI控制器
的输出将调节触发角向5,方向移动；如果实际的直流电流偏大，PI控制器的输出将调节触发角向160。
方向移动。
3.2定电压控制原理
Vd
定电压控制的基本原理与定电流控制相似，只是反馈信号改变为直流电压。
图3-2所示为定电压控制特性。
Id
当整流侧的直流电压大于设定的直流电压参考值，整流侧的直流电压控制器将增大触发角，减小直流电压，维持直流电压恒定；当逆变侧的直流电压大于设定的直流电压参考值，逆变侧的直流电压控制器将减小触发角，减小直流电压，维持直流电压恒
定。
所以电压控制器在整流侧和逆变侧的控制方向不一样，这一点和直流电流控制器不一样。
定电压控制功能主要是为了防止产生过高的直流电压。
直流电压控制器的参考值设置的
比额定直流电压值高10%,这样正常运行时，直流电压控制器不会起作用。
1）用于直流电压控制的直流电压控制误差的计算
整流侧用于直流电压控制功能的直流电压控制误差计算为整流侧直流电压的误差=直流电压参考值-直流电压实际值。
逆变侧用于直流电压控制功能的直流电压控制误差计算为：
逆变侧直流电压的误差=直流电压实际值-直流电压参考值。
直流电压控制误差的计算对整流侧和逆变侧是不一样的，计算的直流电压误差值输入到
PI控制器，由控制误差选择功能进行选择，对直流电压进行调节，维持直流电压恒定。
电压进行调节，维持直流电压恒定。
2）整流侧的直流电压控制
整流侧的直流电压闭环控制的目的是调节整流侧的直流电压在最大限制值以下，特别是
在直流线路开路或者逆变器闭锁时，直流电压闭环控制快速响应防止直流过电压。
直流电压控制器在整流侧起作用时，如果实际的直流电压过高，PI
控制器的输出将调节触发角向160*方向移动。
3）逆变侧的直流电压控制
逆变侧的直流电压控制的目的是限制直流电压在直流电压设定值之下，该控制器在正常
情况下不会起作用。
直流电压控制器在逆变侧起作用时，如果实际的直流电压过高，PI控制器的输出将调
节触发角向5°方向移动。
3.3定触发角控制原理
定触发角控制又分为两种情况：
对于整流器而言。
为定延退角控制（定a角控制）;而对逆
变器而言，为定E角控制。
对定a角控制，根据公式可以写出：
Vd
由上式即可作出其控制持性曲线为一束向下倾斜的平行线族，如图3-3（a）所示，随着触发角
的增加，斜线往下移动，斜线的斜率为-Rcr。
对定E控制，根据公式可以写出：
匕=&+
同样根据上式可作出图3-3（b）所示的定日角控制特性曲线，为一束往上倾斜的平行线族。
随
着E的增加，斜线向下移动，斜率为+RCi。
图3-3定触发角控制特性
如果整流侧的交流电压降低，整流侧的直流电压下降，整流侧的定电流控制器将减小触发角，增大整流侧的直流电压，如果整流侧的交流电压下降的太多，整流侧的触发角调节到最小值时，仍然不能满足设定的直流电流，此时整流侧便处于最小触发角控制。
在直流输电的实际实用中，逆变器的控制方式并不以P,而是以熄弧角作为控制对象。
所
以定熄弧角控制是逆变器最常用的控制方式，由于?
=，所以控制熄弧角y也就控制
了Po
3.4定熄弧角控制原理
在直流输电系统中，当换流器作为逆变器运行时，为了防止逆变侧换相失败，逆变侧必
须设定熄弧角控制，保证直流输电系统的安全、经济运行。
此外，逆变侧的定熄弧角控制还
具有提高交流侧功率因数及提高逆变器的利用率等经济因素。
根据公式：
匕-E2cosy+/rfJRd
可以得出如图3-4所示的控制待性曲线，特性曲线为一族向下倾斜的平行线，丫角越大，曲
线越低。
图3-4定熄弧角控制特性
定熄弧角控制要比定电流控制系统复杂，目前，有两种不同原理构成的定熄弧角控制方
式:
一种称为预测型熄弧角控制，另一种称为实测型熄弧角控制。
1）预测型定熄弧角控制原理由逆变器换相原理分析中可以得到，换相公式：
AF-（cosy-cos月）—Ij
2
用Y■九，匕□■玉旧耳，代入可得，
r。
亍。
3^2，。
瓦cos^3-耳cosx（jtj
JT
或者*
E.cos（180一刃+耳cosr0-土■八死-0
由于Ei、Id己知，可以计算出P，根据计算出来的P角去触发逆变
器，就能保证逆变器运行在y=yQ状态。
2）实测型定熄孤角控制原理
在逆变器中，实际测定换流阀每个阀的熄弧角Y与整定值*相比较，若其中最小的一
个熄弧角y也大于％时，则通过减小臼，增大触发角将熄弧角调整到匕，从而提高运行的经济性，这种调节称为“经济调节”。
若某个阀的丫小于整定值丫0,为了确保安全起见。
控制系统将下一阀的触发相位提前，即减小触发角，增大0角来防止逆变侧换相失败，这种调节称为"安全调节
3.5电流限制控制
为了避免系统发生故障或受到扰动时，导致直流电流迅速下降至零引起系统输送功率中
断，控制系统设置最小电流限制控制。
并且需要考虑系统的过负荷能力、降压运行等特殊运
行工况，控制系统设置最大电流限制控制以保证系统安全。
3.6裕度控制
高压直流输电系统正常运行时，整流侧和逆变侧分别通过定电流控制和定电压控制实现对直流电流和直流电压的控制。
为了避免整流侧和逆变侧的定电流控制同时作用引起控制系
统不稳定，设置整流侧定电流控制的电流整定值比逆变侧电流整定值大一个电流裕额，根据
实际高压直流输电系统运行经验，电流裕额为额定电流值的10%。
同理，为了避免整流侧
和逆变侧的定电压控制同时作用，逆变侧定电压控制的电压整定值比整流侧电压整定值小一
个电压裕额，电压裕额为直流输电线路的电压降。
高压直流输电系统换流器触发控制的控制特性如图3-5所示，整流侧由定电流控制和最
小触发角控制构成，逆变侧由定电流控制和定电压控制构成。
高压直流输电系统正常运行时
采用整流侧定电流、逆变侧定电压的控制方式。
当整流侧和逆变侧的交流系统发生故障引起直流电压变化时，控制系统通过转换整流侧和逆变侧控制方式，保持直流电压和直流电流稳
定，实现对高压直流输电系统的快速控制。
AH
Q.2Q.40.60.81.0L2（piIL）
图3-5高压直流输电系统换流器触发控制的控制特性
4各种控制方式的转换
如果整流侧的交流电压降低，整流侧处于最小触发角状态运行，逆变侧将进入定电流运
行，此时直流电压由整流侧的交流电压和最小的触发角（5与决定，由于额定运行时逆变侧的
电流参考值比整流侧少一个电流裕度，所以此时直流电流会减小，但是整流侧的电流裕度补
偿功能会增加直流电流参考值，维持电流参考值不变，这时系统传输的功率随着整流侧交流电压的减小而减小。
此时逆变侧带正斜率的预测型熄弧角控制提供了逆变侧熄弧角控制和直流电流控制之间平滑的过渡过程，在这个过渡过程中，根据直流电压减少的程度，将损失一
部分电流裕度。
由于某种原因，整流侧的交流电压升高，直流电压大于直流电压参考值，直流电压控制器起
作用，防止直流电压增大。
但是正常情况下，交流电压的增加将引起直流电流的增加，直流
电流控制器也将快速动作，增大触发角减小直流电压。
如果逆变侧的交流电压降低，当测量的熄弧角小于最小熄弧角时，最小熄弧角限制防止熄弧角小于最小熄弧角。
如果逆变侧发生换相失败，熄弧角换相失败保护动作，快速减小触发角，增大熄弧角，防止再次发生换相失败。
逆变侧交流电压的增加将引起逆变侧直流电压控制器动作，减小触发角，增大熄弧角，保持
整流侧直流电压在直流电压参考值以下。
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