ABB成套设计(三常中文)CFC.pdf

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本文论述换流点火控制功能描述的基础知识。

换流点火控制系统从极功率控制（PPC）接收电流指令，发出点火脉冲，进而维持设定的电流值恒定。

HVDC输电系统的动态性能主要通过整定受电压影响的电流指令限制器（VDCOL）和电流控制放大器（CCA）的参数获得。

在直流电压下降时，VDCOL将减小电流指令。

这可以避免交流系统干扰中和干扰后功率输送的不稳定性。

在交流系统故障清除后，这也提供了受控的、快速的再启动的可能。

此外，这还能避免可控硅连续换相失败对设备造成的损坏。

CCA主要是一个PI调节器，其比例部分执行瞬时变化，而积分部分则维持稳态时的Alpha值。

CCA将具有足够的增益维持直流电流为电流指令值，它还具有合适的动态性能满足快速而平稳的变化要求。

点火控制（FC）的目的是将CCA来的Alpha角转换为相应的点火脉冲。

一些限制措施将执行从而保证点火发生在换流桥及可控硅阀性能所允许的时间限制范围内。

控制脉冲发生器（CPG）将点火脉冲分发给相应的可控硅阀。

CPG内还包括阀闭锁、闭锁并投“旁通对”、解锁及选择“旁通对”等功能。

目录1说明1.1缩写2控制原理2.1整流侧和逆变侧的协调2.2闭环电流控制2.3两个闭环电流控制器之间的协调3电流控制3.1受电压影响的电流指令限制器（VDCOL）3.2电流控制放大器（CCA）4电压控制4.1线路开路试验控制（OLTC）4.2过电压限制器（OVL）4.3电压调节器（VCAREG）5点火控制5.1参考值和量化5.2运行模式解码器5.3逆变Gamma零启动（GAMMA0）5.4电流控制放大器限制（CCALIM）5.5AMIN参考值计算（AMINREF）5.6触发单元（FIREXEC）5.7点火模式解码（FMD）5.8角度测量（ANGLMEAS）5.9周期时间测量（FREQMEAS,PERTIME）5.10被控相位振荡器5.11Delta,Alpha限制（LIMCALC，FIRLIM）5.12Alfamax逆变控制（AMAX）5.13紧急点火6控制脉冲发生器6.1控制脉冲产生6.2“旁通对”解码7硬件描述7.1换流点火控制（CFC）7.2控制脉冲发生器（CPG）1说明本报告描述高压直流输电的换流点火控制（CFC）。

下图1大略地说明了CFC的工作原理。

图1电流指令（IO）从极功率控制来，经过受电压控制的电流指令限制器（VDCOL），再送至电流放大器（CCA）在点火控制中，CCA来的Alpha指令被限制在最大和最小值内。

最小限中的一个来自于可控硅阀的电压判据（UMIN）。

另一个最小限是ALPHAMIN，它在逆变运行时起作用，用于防止在整流区点火。

Alpha的最大限通过预测换相完成后所剩余的电压-时间区域得到，可控硅的恢复时间是该极限的基础。

控制脉冲在点火控制中产生，它们被送至控制脉冲发生器（CPG），在这里它们要么被闭锁，要么释放至阀控。

一张显示各不同子功能块交互作用的较为详细的方框图见附件1。

1.1缩写Io电流指令Id直流电流Ud直流电压Udi0理想空载直流电压CFC换流点火控制VARC电压及触发角参考值计算VDCOL受电压控制的电流指令限制器CCA电流控制放大器OLTC线路开路试验控制OVL过电压限制器VCAREG电压调节器AMIN换相后剩余的电压-时间区域UMIN可控硅点火最小电压REFCALC参考值和量化BSQCOM运行模式解码器GAMMA0逆变Gamma零启动CCALIM电流控制放大器限制AMINREFAMIN参考值计算FIREXEC触发单元FMD点火模式解码ANGLMEAS角度测量PERTIME周期时间测量FREQMEAS频率测量PCO受控相位振荡器PLL锁相环LIMCALCDelta,Alpha限制FIRLIM定时点火限制AMAXAlfamax逆变控制EMG紧急点火CPG控制脉冲发生器LCA逻辑单元排队BPP旁通对指令CP控制脉冲点火角熄弧角迭弧角2控制原理本章将讨论HVDC输电的基本控制原理。

2.1整流侧和逆变侧之间的协调一个单极HVDC输电系统见下图2.1。

图2.1在直流输电系统中，整流侧的功率为：

从上面等式可以看出，输送功率正比于整流侧和逆变侧电压之差，任一电压变化时都会导致输送功率变化。

因此，HVDC的输送功率可以通过控制整流侧或逆变侧的直流电压进行控制。

因为直流线路（电缆）的电阻相当小，故任一侧的电压变化都会引起电流的大变化，从而引起输送功率的大变化。

在通常的两端直流输电中，其中一侧换流站控制直流电压，另一侧换流站控制直流电流。

2.2闭环电流控制一个基本的闭环电流控制见下图2.2。

它包括电流控制放大器（CCA）、点火控制（FC）及控制脉冲发生器（CPG）。

图2.2控制误差I（Iorder-Iresp）输入至CCA，CCA带有很高的增益和合适的动态性能从而使得电流控制系统稳定、迅速。

CCA输出的Alpha指令作为FC的输入。

FC的内部受控相位振荡器将新的Alpha指令与现有点火角进行比较，从而保证点火瞬间的正确性。

因而控制误差就可减到很小，在稳态情况下实际为零。

这样，闭环电流控制就形成了。

2.3两个闭环电流控制器之间的协调在HVDC输电中，所有的换流器都提供了一个基本的闭环电流控制器。

在常规的两端直流输电系统中，整流侧通常控制电流，而逆变侧通常控制电压。

这可通过将逆变侧的电流指令减去一个裕度（通常为标称电流的10%）来实现。

这样逆变侧的实际电流指令就比整流侧低。

因闭环电流控制器总想达到设定的电流，逆变侧的控制器为了降低直流电流将增大其点火角，它将增大Alpha直到最大允许极限。

因为直流电压是Cos（）的函数，这就意味着逆变侧将输出最大反向电压。

简而言之，电流指令最大的换流站将工作在整流状态，另一端换流站则工作在逆变状态。

下图2.3显示了两个控制器的协调特性。

图2.3在最初出现的逆变器特性中，逆变器工作在最小熄弧角（-min）模式，从整流侧看逆变侧就象是负阻抗（随着电流增加，电压下降）。

这将给电流控制环带来一些问题。

为了提高稳定性，逆变器的特性改为具有正斜率的特性，如上图2.3所示。

该功能将在后面的5.12节（逆变器最大Alpha角控制）中描述。

3电流控制整流器和逆变器的电流控制功能都包括以下两个子功能块：

-受电压控制的电流指令限制器-电流控制放大器3.1受电压控制的电流指令限制器（VDCOL）当直流电压下降时，受电压控制的电流指令限制器将降低电流指令。

设置受电压控制的电流指令限制器的主要原因是：

-在交流系统扰动中和扰动后避免输送功率的不稳定性-交流和直流系统故障清除后提供快速、可控的再启动-避免可控硅连续换相失败给设备造成的压力-抑制恢复期间连续换相失败的可能性VDCOL的静态特性见图3.1.a：

图3.1.aVDCOL是作用于电流指令的最后一道功能块，其输出将作为电流控制放大器的执行电流指令。

VDCOL对Ud/Id特性的影响见下图3.1.b。

图3.1.bVDCOL的简化方框图见下图3.1.1。

图3.1.1从图3.1.1可以看出，电流指令有一个最小限制值（IOABSMIN）。

设置该限制值的原因是用于防止换流器导通期间因电流太小而导致电流关断。

IOABSMIN通常设为0.1p.u.，但在某些应用情况下可能需要减小该限制值。

比如当HVDC用于所联网络的频率控制时，该限制值可能需要减小至零。

这使得换流器以非常低的负荷进行启动成为可能。

然而当发生连续的电流关断时必须限制换流器在低负荷水平运行的时间。

在这种工作模式下，将给可控硅阻尼回路带来很大的压力。

VDCOL功能也包括一个电流指令的最大限制值（IOABSMAX），该限制值通常设定为等于最大过负荷限制值。

如果因某个原因直流电压下降到低于UDHIGH（见图3.1.a），则电流指令的最大限制值也将开始下降。

当输入超过该限制值水平时，它将降低输出的电流指令（IORDLIM）。

降低电流指令是防止逆变站因交流系统故障而导致电压不稳定的手段。

当逆变侧有一个很强的交流系统网络时，可能可以降低UDHIGH的电压水平。

当整定UDHIGH的电压水平时，极降压运行及其它可能降低直流电压的工作模式，如无功控制等，都应纳入统筹考虑。

当实际的电流指令低于最大电流指令时，则只有在低于UDHIGH的某个电压值时才会减小电流指令，这取决于什么时候电流指令最大限到达实际的电流指令值。

当逆变侧交流网络很弱时可能导致电压失稳。

为了避免这种情况，VDCOL配有一种功能使得对IOLIM和IOABSMAX之间的任意电流指令UDHIGH都保持一致。

于是，当实际电流指令低于IOABSMAX时，IOLIM和IOABSMAX之间的最大电流指令斜率将下降。

如果直流电压连续下降至低于UDLOW时，电流指令最大限制值的下降将停止，并维持在IOLIM水平。

IOLIM通常为0.3p.u.从而防止阀因连续换相失败（阀导通360度而不是120度）给阀造成的压力。

如果需要的话，IOLIM当然可以设置为低于0.3p.u.的值。

然而，如果设置IOLIM很低的话，当交流系统故障被清除后，因输入给电流控制放大器的电流指令也很低，这将使得再启动时间延长。

VDCOL在UD的输入回路配有一个LP滤波器，其UD上升或下降的时间常数是不同的。

作为整流站和逆变站运行时，其UD上升的时间常数通常也不同。

通常为了保证不失去电流裕度，整流站的时间常数要低一点。

参数的整定应保证故障清除后的可控再启动。

故障时为了强迫快速减小电流指令，UD下降的时间常数通常很低（10ms或更低）。

这是为了防止逆变侧故障时连续换相失败。

逆变侧故障时，如果有某种因素能降低整流侧的交流电压，则UD下降的可整定得高一些。

另一个抬高其时间常数的理由是交流系统足够强从而允许快速启动。

整流站和逆变站时间常数之间的差别也对再启动时间有影响。

通常，整流站的时间常数应小于或等于逆变站的时间常数。

逆变站过短的时间常数将使得逆变站的电流指令暂时高于整流站，这将使故障后不能再启动。

3.2电流控制放大器（CCA）电流控制放大器的主要目的是给出电流控制环的正确的动态响应。

电流控制环必须达到：

-足够快的响应速度-稳态时的零电流误差-稳定的电流控制-故障时快速降低过电流-允许两个电流控制器（整流和逆变）工作电流控制放大器的输出形成了送到换流点火控制的Alpha指令。

一个慢速的反馈环必须使电流控制器和交流网络同步。

通过这种与电网电压的弱联系，谐波不稳定性的问题减轻了。

电流控制放大器的传递函数如图3.2所示。

图3.2从上述传递函数可看出，对低频信号其增益很高。

这意味着在稳态时电流误差为零。

为了对低频信号获得很高的增益，电流控制放大器中包含有积分部分，积分器的增益为KI=1/TI（el.deg./p.u.currentsec）。

HVDC输电系统电流控制稳定性通常有一个5-20Hz的临界频率，这取决于直流输电线路、所联的交流系统网络等。

为了对该临界频率得到足够的相位裕度，CCA增加了低通滤波器。

积分器和低通滤波器的结合构成了上面所示的CCA的传递图。

传递函数可写为：

CCA的最小相位滞后发生在：

如果点火控制（FC）和电流控制环的临界频率同时发生时就会获得最佳的相位裕度。

电流控制放大器的简要图如下图3.2.1所示。

图3.2.1必须选择总的增益（K和TI相结合）从而获得正确的动态响应。

为了达到两个电流控制器（整流和逆变）一体化的目的，作为逆变运行时，将在电流指令和电流响应之间的差异上增加一个电流裕度。

这将强迫逆变侧的CCA工作在最大延时角（INTMAX），即逆变侧输出最高直流电压。

CCA的积分部分和最终输出都包括有最大及最小限制。

这些限制用于在特定环境下整定CCA的作用范围。

在暂态控制时，它们也可用于强迫点火角变化至预先确定的水平（详见5.4节）。

4电压控制电压控制包括以下三个子功能：

-线路开路试验控制-过电压限制器（仅在整流运行时）-电压调节器4.1线路开路试验控制（OLTC）线路开路试验是一种试验功能，用于运行人员手动给直流侧充电。

当经过一段较长时间的停电后，使用该试验功能测试直流侧的绝缘情况。

线路开路试验由手动启动。

直流电压可由运行人员设置到一个期望值。

整流端产生正极性直流电压，而逆变端产生反极性直流电压。

12脉冲桥的最高整流直流电压可写为：

上面等式显示在Alpha为150度时直流电压开始上升，在Alpha等于60度时直流电压达到最大值。

上述等式仅当电流为零时才有效，而且仅当试验直流场时才近似正确。

当试验包括直流线路时，电晕损失及其它一些损失将降低直流电压，但因为采用了闭环控制，其电压损失将通过减小Alpha角进行补偿。

OLTC的方框图如图4.1.1所示。

图4.1.1OLTC的输入是运行人员设定的参考电压UDREFOLT。

其输入应经过变化率限制器，每个工程的变化率限制器的定值都要通过试验得到。

电压参考值和实际直流电压UDPOL之间的差值作为PI控制器的输入。

对实际工程，积分器的时间常数TI和比例因子的增益K应整定为合适的值。

积分器的输出被限制在0度到95度之间。

在稳态时，OLTC的输出可写为：

上面OLTALPHAORD表示电气角。

因控制器被限制到95度角，故产生最高可能电压的最小点火角是60度。

4.2过电压限制器（OVL）从上面提到的无电流运行时Alpha和UD的关系可知，当线路开路时如果因某种原因启动了整流器可能发生过电压。

开路线路末端的反射还将加重过电压。

解锁时，为了建立最小电流，控制放大器将降低Alpha，当达到UMIN（5el.deg）时停止。

从4.1节的等式可看出，Alpha低于60度时将到达最大电压。

这意味着线路开路时启动换流器，其点火角应增至大约80-90度以防止过电压。

线路开路时启动换流器可能发生在：

-在没有通信系统时，整流站被启动而逆变站没有启动（人为错误）。

-在没有通信系统运行或采用的是慢速通信系统（延时大于50-100ms）时，逆变站被闭锁但没有投入“旁通对”。

因为电流指令高因而会快速增加直流电压，这是最坏的情况。

当检测到直流电压高而直流电流低时可判断为线路开路时启动换流器。

然而正常的直流充电电流也可能相当高，特别是采用直流电缆时。

在很多情况下，过电压限制器根据直流电压变化率高不足以防止直流过电压。

应附加第5.10节论述的Alpha指令变化率限制器来防止直流电压的快速变化。

这种情况发生在架空线路时。

因为仅有整流站能产生直流过电压，上述功能在逆变站不起作用。

过电压限制器的简化方框图如下图4.2.1所示。

图4.2.1过电压参考值（OVLREF）和直流电压（UDABS）之间的差值组成了PI控制器的输入。

快速反应功能来自于比例因子，其增益K可调；时间常数可调的积分器则施加慢速反应信号于Alpha输出指令（OVLALPHAORD）。

作为整流器运行时，OVLALPHAORD信号形成了电流控制放大器（比例部分和积分部分的总和）的最小限。

为了防止初始过电压，比例因子K的整定应保证能提供快速而合适的输出。

积分器时间常数TI的整定应保证稳态时直流电压的平稳性能。

其值应与线路开路试验控制中的积分器时间常数值处于同一时间范围。

4.3电压调节器（VCAREG）无论整流还是逆变运行都应配备电压控制器。

该控制器的主要功能是用于极降压运行，但对正常电压运行也有一定的好处。

电压控制器是一个PI调节器，作用于电流控制器的最小及最大限。

作为逆变运行时，它将减小CCA的最大Alpha限；而作为整流运行时，它将增加CCA的最小Alpha限。

电压控制器的输出是由外部因素限制其最小及最大限的（见5.4节CCALIM及5.12节AMAX）。

下图4.3.a显示了电压控制器的控制作用。

图4.3.a在正常电压运行时，送给电压控制器的参考电压被整定为比运行电压稍高一点从而不会干扰正常的换流变分接头控制，通常大约为分接头的一个级差以上（大约1-1.25%以上）。

通过维持参考电压接近于运行电压，当交流电压快速变化时就有一定的优点，即控制器会动作并维持直流电压在参考值。

在极降压运行时，参考电压被降至期望值，控制器因而会降低直流电压。

为了维持逆变侧控制直流电压，整流侧的电压参考值通常比逆变侧高。

如果希望逆变侧控制电流，则整流侧的电压参考值应低于逆变侧（这里为简化起见不考虑直流线路的电压降）。

当选择整流控制器的参考电压时，与线路开路试验控制进行协调是必要的。

如果电压控制器采用了一个较低参考值，它将限制线路开路试验的电压。

电压控制器对Ud/Id特性的影响如下图4.3.b：

图4.3.b逆变侧电压控制器的工作点如上图4.3.b中所示。

因为其新工作点移至远离min处，故它证明是一种非常稳定的运行模式（降低了AMIN点火的机会）。

电压控制器的功能方框图如下图4.3.1所示。

图4.3.1电压参考值UDREFVARC从电压及触发角参考值控制（VARC）处理器得来，为了得到正确的控制功能，将根据整流/逆变的工作模式对其极性进行相应的切换。

当直流电流为零时，对应期望的电压值计算出所要求的点火角将被设置为积分器的极限。

通过使用ID为零时的公式Ud=Udio*cos得到。

因为积分器仅当测量到的直流电压超过参考值时才被迫对极限起作用，故如果没有该功能，启动时直流电压会过调。

IDLOW的信号将用于激活该功能。

然而，正常的最小及最大限（CCANORMMIN/ALPHAMAX）仍比计算出的角度有更高的优先权。

5点火控制点火控制是换流点火控制中最复杂的部分，包括以下功能：

-参考值和量化（REFCALC）-运行模式解码器（BSQCOM）-逆变Gamma零启动（GAMMA0）-电流控制放大器限制（CCALIM）-周期时间测量（PERTIME）-AMIN参考值计算（AMINREF）-触发单元（FIREXEC）-点火模式解码（FMD）-被控相位振荡器（PCO）-Delta,Alpha限制（LIMCALC，FIRLIM）-Alfamax逆变控制（AMAX）-紧急点火（EMG）5.1参考值和量化（REFCALC）不只一个功能使用的参考值将在参考值和量化模块中设置。

模拟量输入的量化和数据转换也在这完成。

REFCALC的一个重要部分是在检测到换相失败时调整参考值。

当某个阀完成电流换相所要求的电压时间域太小时则导致换相失败。

如果换相失败已经发生了，好的解决办法是增加下一次点火的电压时间域，从而避免进一步的换相失败，使再启动成为可能。

这通过对参考值AMIN增加一个附加信号来完成。

REFCALC的方框图如下图5.1.1所示。

图5.1.1当检测到换相失败（INCRGAMMA）时，施加于AMIN的附加信号形成采用了低通滤波器，低通滤波器的上升和下降的时间常数不同。

低通滤波器的增益及两个时间常数可分别独立整定。

激活上述功能的时间常数应较短，而解除其附加信号应相当慢以避免新的换相失败的风险。

5.2运行模式解码器（BSQCOM）通过设定CCA为预先确定的值，运行模式解码器具有一种能无条件地控制点火角的功能。

BSQCOM的输出通过CCALIM（详见5.4节CCALIM）功能直接控制CCA的极限。

当主回路故障并导致保护动作时，合理的策略是强迫Alpha点火角采用大于150度的值。

在该点火角，换流器不能整流运行产生任何电压。

通过设置CCA的输出为AMIN对应的值，“RETARD”指令将强迫Alpha点火角尽可能快地进入完全逆变运行状态。

直流线路故障时，“RETARD”指令将送至整流器并保持一段预先确定的时间以强迫直流电流为零。

在“RETARD”指令期间，CCA被强迫至AMIN值。

当“RETARD”指令时间过去后，HVDC输电应尽可能快地启动，但直到Alpha到达90度时直流电压才开始启动上升。

为了加速再启动，“RESTART”指令将通过设置CCA为整流区内的某个值而快速降低Alpha。

因为其主要目的是强迫积分器进入整流区，故该时间被把握得很短（小于5ms）。

因CCA的维持时间极短，假设故障未被清除，可能的过电流也会避免。

在再启动时选择Alpha指令的另一个考虑是在上述减速（RETARD）期间直流线路可能被断开了。

在这种情况下，再启动时可能出现过电压，过电压限制器将限制过电压。

运行模式解码器的方框图见图5.2.1。

图5.2.15.3逆变Gamma零启动（GAMMA0）如果因某些原因整流器被闭锁了而逆变器仍然在运行，电流控制功能将强迫逆变器的熄弧角至ALPHAMININV，这种情况可能发生在通信系统没有投入运行而整流器被保护闭锁时。

故直流电压将因峰值整流而升至反极性的高水平。

为了防止这种情况，将采用一种特别的功能称为逆变Gamma零启动。

当检测到在一定的时间内直流电压低于参考值时，该功能将强迫点火角至ALPHAMAX。

逆变Gamma零启动仅在逆变侧起作用。

然而，如果交流和直流系统故障较这些故障的正常持续时间短，该功能将为故障清除后的再启动性能作贡献。

在重建直流电压期间如果整流侧能维持电流控制，则故障后的恢复时间将下降。

如果逆变侧接管了电流控制，直流电压将仅基于电流裕度进行重建。

这将很慢，特别是采用直流电缆时。

逆变Gamma零启动的方框图如下图5.3.1所示。

图5.3.1输入信号UDPOL在正常运行时总是正极性的。

UDLOWINV信号将一直保持到电压重新回到复位参考值以上，复位参考值比激活参考值高。

当电压恢复太慢时，另增加有安全措施以继续开放该功能（电压回到参考值以上后延时复位）。

5.4电流控制放大器限制（CCALIM）有多种限制施加于电流控制放大器。

其中一些是由正常运行情况决定，如ALPHAMAX（见5.12节）、过电压限制器及电压调节器等。

另一些则是在某些特殊的事件中依次施加的，如RETARD、ORDDOWN等。

为了保证在任何时候都能施加正确的极限，它们都是按一定的优先权安排的。

下图5.4a说明了正常运行工况施加于电流控制放大器极限的原理。

图5.4a从上图可以看出，施加于电压调节器的极限再依次用于设置CCA的极限。

有多种施加于电流控制放大器的极限，它们按一定的优先权进行安排，这简化了限制的选取。

优先权次序如下：

1用工作系统的CCA积分器更新热备用系统（UPDATESTBY）具有最高优先权，这仅适用于采用了冗余控制系统的情况。

为了避免控制系统切换时输送功率的跳跃，热备用系统跟踪工作系统的点火角是非常重要的。

2“RETARD”指令具有第二优先权，对工作系统来说则具有第一优先权。

“RETARD”指令由保护动作闭锁/解锁换流器之前发出。

5.2节叙述该功能。

3下一优先权是设置Alpha为90度（ORDALPHA90），该命令在下文述及的关停逆变器时起作用。

关停HVDC输电的正常程序是：

首先降低直流电流至最小限，延迟给整流器点火，然后闭锁整流器但不投“旁通对”。

如果最小限电流低于或等于电流裕度时，逆变器的熄弧角将由电流控制器保持在ALPHAMAX对应的角度。

因ALPHAMAX对应的直流电压超过该水平，并且不能给直流线路放电，直流电压将因直流回路中的漏电流开始缓慢下降。

为了加速放电，逆变器的熄弧角可增加至