特高压直流输电控制与保护技术的探讨

特高压直流输电控制与保护技术的探讨

摘要：随着特高压大电网、交直流并网等领域的不断发展，直流输电技术在实际工程中得到了越来越多的应用。本文主要基于对直流输电技术和换流技术的深入研究，并结合±800 kV特高压直流输电工程，对其分层冗余结构、控制和保护技术进行了较为系统的阐述，以期更好地确保特高压大电网及交直流并网安全稳定运行提供良好技术支撑。

关键词：特高压；直流输电工程；换流技术；控制和保护技术

引言

在我国电网发展中，特高压直流输电起着举足轻重的作用。其中，控制与保护是其中的关键，其能保证传输电源的正常运行，并能有效地保证传输电源的安全。±800 kV特高压直流每极均采用串联、母线区连接方式，各电极工作方式灵活、完整，这对保证其工作性能将能够发挥良好的辅助作用。

1 直流输电简介

1.1 直流输电系统

当前直流输电系统通常采用两端直流传输的方式，包括整流站、直流线路和逆变站。

1.2 换流技术

换流站的关键部件为换流器，它包括一个或几个换流器，其电路都是三相换流桥，主要材料为晶闸阀。其基本工作原理是：通过对桥式阀门的触发时间进行控制，从而实现对直流电压瞬时值、电阻上直流电流、直流传输功率的调整。同时，对各个桥式阀门的晶闸管单元进行同一触发脉冲控制。

2 特高压直流输电的特点

特高压直流输电的特点具体包括：

①增加传送能力，增加传送距离。

②节约了线路走廊和变电所的空间。

③有利于联网，简化网络结构，降低故障率。

3 直流输电控制系统分层冗余结构

UHVDC是指超过600 kV的直流输电系统，它的控制和保护系统是分层、分布式、全冗余的。本文以±800 kV特高压直流工程为例，将其按控制等级划分为三

个层次：运行人员控制层、过程控制层和现场控制层。

4 为满足特高压交直流系统动态性能要求的控制技术

4.1 降低和避免直流对交流系统的不良影响

由于换流技术的机制存在着两个主要的问题：谐波和无功。传统的方法是，

安装合适的容量和数量的直流滤波器/电容，并采用多脉动式变流器。

三常工程的无功控制分为以下几个阶段：

①优先级应保证任意一次直流输电时所产生的谐波不会超过设计输入的最小

滤波器组（操作所必须的条件）能力；

②在监控交流电压超出设计限制的情况下，将其截断；

③监控输入 AC系统的无功功率超出容许极限时，为了防止出现过电压，将

AC滤波器切掉；

④最少的滤波器组数目达到了谐波滤波器的指标；

⑤满足与 AC系统进行无功功率交换或以 AC电压作为控制目标的设计需求。

根据以上原理，当滤波器/电容的数量或类型没有达到所需的数量时，控制

器就会降低直流电源直到许可的范围。

此外，无功控制也有 QPc函数、r-kick函数等辅助策略在防止或减小交流

系统的影响的同时，直流控制也起到了保护装置的重要作用。

4.2 降低和避免交流对直流系统造成的扰动

交流系统的电压对于换流器、换流器和直流系统的性能设计具有重要意义。

它的起伏不但会对着火角度的控制产生直接的影响，还会导致直流系统的换相电

压下降，从而危及变压器和换流器的绝缘安全。换流变压器的分接控制是解决上

述问题的一个关键问题，其主要功能是通过对换流变压器进行充电前后和直流增

压/升流后的分接位置来决定。一般而言，为了防止由于交流系统的电压波动而

使换流变压器阀端电压不发生变化，使其阀端电压不稳定。在三常项目中，考虑

到一次装置的设计余量，对开关控制的最高优先权应是保证变压器阀端无负载电

压不超过所设定的上下限。同时，所设计的控制器还涉及到交流、直流系统的动

态运行过程中的稳定性。

若交流系统发生故障，使其电压过低，尤其是在逆变端，会使换流器的换相

失效，从而使直流系统出现短路，直流系统停止运行。一般而言，在 DC控制中，换相失败的故障电流电压在大约10毫秒后由稳压器降低到标称或低于标称，以

便保持过交流系统的干扰期间。容许持续时间的长度与逆变端交流电压下降的幅

度及整流侧点火角的大小有关。在三常项目中增加了一种换相失效预测控制功能，该功能是根据交流电压的零序成分和表示其向量的改变程度的α/β成分，对单

/三相 AC电压的失效进行预测，从而增加逆变器一侧的熄弧角，从而避免掉相失效。当整流侧 AC电压下降，导致其着火角度达到下限，不能调整保持 DC电流

不变，再将电流调整到逆变侧，则 DC控制电流余量补偿函数将会增加整流/逆变

两端的电流调节器命令值，以确保 DC不会受到 AC电压干扰，并在干扰过程中

避免 DC传输功率的下降。

直流电流除了要避免过大电流造成的设备过载、防止过小电流间断造成的过

电压外，还应受到稳定工作电流的制约。在AC系统的电压干扰引起DC电压不稳

定的情况下，电流调节器会将DC电流调节到恒定的工作状态，在这种情况下，

为了降低DC的调整量，提高系统的稳定性。一般在直流控制中都有一个低电压

的电流限制来实现这一功能。

4.3 通信故障时提高系统动态性能的控制技术

为了传递整定值、保护、顺控等装置的状态信息，在远距离直流输电项目中，各终端之间的通讯信道必须迅速、可靠。为了改善直流输电系统的可靠性，三常

电工程在断开通讯信道后，仍然允许整流侧根据直流或直流电流指令，逆变侧根

据实测电流作为基准指令，实现电力和电流的自动控制，只有改变率是预定的，

以确保两个终端的安全匹配。在逆变侧系统需要紧急关机的情况下，采用 DC序

列控制实现了逆变器侧的旁路对闭锁和整流侧的直流欠电压保护。

4.4 直流附加控制

一般情况下，在直流工程的控制和保护系统中都有额外的控制。三常工程采

用四种不同的传输函数形式，对其进行了典型的调制控制，如：

①根据交流系统的电压下降和额定频率高低，对直流电源进行调制，从而实

现对交流系统的故障恢复。

②根据远程控制中心或 DC控制系统对外界信号的反应，以合适/迅速的速度

提高或减少 DC传输功率，停机，甚至实现潮流倒置。

③通过远程控制中心或 DC控制系统对外界信号的反应，使 DC电流工作的

数值以合适的速率上升或下降。

④可以将一调制量加到直流电压上。

5 满足交直流系统暂态性能要求的保护技术

为了满足交、直流系统的暂态特性，在设计时应充分考虑各种短路、过流、

开路、各种异常情况和干扰，并设置相应的保护与监控功能。该装置的主要功能

是对换流站内的所有直流设备进行保护，使其在故障和异常情况下能迅速地对系

统中的短路和不能正常工作的设备进行及时的切断，以保证直流系统的安全。该

装置包括：换流阀，直流场装置，直流线路，接地导线，换流变压器等。

三常直流输电线路的二次冗余保护，各层由换流阀保护、极保护、双极保护、换流变保护四部分组成，其中第一组和第二组保护结构在控制保护主机1和2中。