直流输电控制保护-基本控制功能

实测式定熄弧角控制
闭环控制——事后控制 与定电流控制相似，是应用负反馈控制来实 现的，将实测γ角与整定值γ0进行比较，把误 差经放大处理后送到相位控制电路，使触发 角改变以减小或者消除偏差。
γ γ0 减法器
ε
控制放大器
Vc
相位控制器
Δγ
实测式定熄弧角控制
在6脉波的逆变器中，实际测定6个阀的熄弧 角与整定值相比较，若其中最小的一个熄弧角 也大于整定值时，则通过减小越前角β将熄弧 角γ调整到γo，从而提高了运行的经济性，这 种调节称为“经济调节”。 若某个阀的γi小于整定值γo ，为了确保安全起 见，通过处理元件将下一定阀的触发相位提 前，即增大β角来满足要求，这种调节称为“安 全调节”。
定电压控制
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。 控制特性是以维持直流电压等于整定值为目 标。 控制步骤与定电流控制大致一样。
Vd
R1 Vd0 Vd A R2 C P.C Ld Id Vd D.C.P.T
Id
定电压控制
整流侧
E1 ↓ E1 ↑ Vdr ↓ Vdr ↑ ε↑ ε↑ a↓ a↑ Vdr0cosα ↑ Vdr0cosα ↓ Vdr ↑ Vdr ↓
定熄弧角控制
减少换相失败的发生机率，要求逆变器的熄弧 角γ必须不小于关断余裕角γmin，以保证可控硅 正向阻断能力恢复并具有一定安全裕度； 为了尽量提高逆变器运行的功率因数，则要求 熄弧角尽量小一些。 对可控硅元件构成的高压阀，熄弧角最小临界 值约为6º~10º，故定熄弧角控制的整定值γ0一 般取18º左右。
定电流控制
电流调节器是一种简单的带反馈的高增益放大 器。 整流状态 逆变状态
I<Iset I>Iset I<Iset I>Iset
α↓ α↑
cosα↑ Udo ↑ I ↑ cosα ↓ Udo ↓ I ↓ cosβ ↑ cosβ ↑ Udo ↓ I ↑ Udo ↑ I ↓
β↓ β↑
定电流控制
触发相位所移动的方向和整流状态是一致的。 同一个调节器，对整流和逆变两种状态都适 用，不必改变接线。 用于逆变状态时，电流的整定值必须要减小一 个电流裕度ΔI，以避免两侧换流器的定电流特 性重叠而引起运行点漂移不定。 一般取ΔI=(0.1~0.15)Id0。
控制方式基本原理
利用换流变压器分接头的带负荷切换调节换流器 的交流电势，进行慢速的控制。换流变压器分接 头的改变通常每档需要5s~6s。 用改变换流变分接头来进行调节其度较慢。
基本控制策略的关键
确定点火角 点火脉冲发生
确定点火角
控制对象
直流电流 直流电压 逆变侧换流器的电流安全关断时刻 点火角的限制因素
电流裕度法
为了避免两端电流调节器同时工作引起的调节不 稳定，逆变侧电流调节器的定值比整流侧小 0.1p.u，这就是电流裕度。 稳态和暂态都必须保持电流裕度，否则直流系统 就会崩溃。
低压限流措施
低 压 限 流 (Voltage Dependent Current Limit)环节的任务是在直流电压降低时对 直流电流指令进行限制，它的主要作用在 于：
基本控制策略的关键
确定点火角
控制对象
直流电流 直流电压 逆变侧换流器的电流安全关断时刻 点火角的限制因素
控制策略
电流调节器 电压调节器 熄弧角调节器
实际控制效果
由于控制保护的整体软硬件体系，包括相关的测 量和信号传输技术及性能的不同、设计的理念不 同或由于研究深度不同，使得实际工程中 点火角的不平衡度可存在±0.01°~0.25°的差别 直流电流的控制精度可有±0.2%～±1%的差别 直流功率的控制精度可有±0.4%~±2%的差别
交流网扰动后，提高交流系统电压稳定性 帮助直流系统在交直流故障后快速可控的恢复 避免连续的换相失败引起的阀应力。
低压限流措施
在VDCOL运行时，测得的直流电压经过一个一阶 延时元件。
当电压降低时，要求VDCOL迅速动作。 当电压恢复时，采用较大的延时，振荡和不稳定。 逆变器的特性与整流器的VDCOL匹配以保持电流裕度。
定触发角控制
逆变侧
一组斜率为Rci的平行线族
β越大，相应的伏安特性越低。
当交流电压E2或变压器变比k2变化时，特性直线将 平行地上下移动。
Vdi＝Vd 0i cos β + I d Rci
定触发角控制
由于伏安特性的斜率一般很小，因此交流 电网的微小电压波动，都会引起直流电流 和直流功率的大幅变化。
控制系统的实际应用
在高压直流输电系统中，实际应用的控制方式并 不是某一种，而是几种基本方式的组合，它们各 自担负着不同的控制调节任务而又相互配合，即 使在整流器或逆变器中也不是仅仅单一地采用某 一种控制方式。
理想/实际控制特性
理想情况下定功率控制
一侧控制直流电压恒定(一条垂直线)——逆变侧定熄弧 角（CEA) 另一侧控制直流电流恒定(一条水平线)——整流侧定电 流（CC）
联合控制特性
联合控制特性
整流侧
定触发角（CIA）控制（amin 限制） 定电流（CC）控制
逆变侧
定熄弧角（CEA）控制 定电流（CC）控制
整流器和逆变器电流整定值之差Im称为电流裕度
额定电流的10%~15%
联合控制特性
三个基本控制器的协调配合
三个控制器有自己的独立的PI调节器 三个控制器之间依次限幅的配合方式使得在有效控制器 的转换过程中输出值alpha order的变化是平滑的
定触发角控制
定触发角控制又分为两种情况：
整流器——延迟角控制（定α角控制） 逆变器——定越前角控制（定β角控制）
Vd
Vd
Id
定a角控制 定β角控制
Id
定触发角控制
整流侧
一组斜率为-Rcr的平行线族
a越大，相应的伏安特性越低。
当交流电压E1或变压器变比k1变化时，特性直线将 平行地上下移动。
Vdr＝Vd 0 r cos α－I d Rcr
定熄弧角控制 一组斜率为-Rci的平行线族
γ越大，相应的伏安特性越低。
Vd
当交流电压E2或变压器变比k2变化时，特性 直线将平行地上下移动。
Vdi = Vd 0i cos γ − I d Rci
Id
定熄弧角控制
逆变器熄弧角γ和触发超前角β的关系：
Rci Rci cos γ − cos β = cos γ + cos α = 2 I d × = 2I d × Vd 0i 1.35k 2 E2
直流功率的大幅变化将导致两端交流系统运行 变得困难。 直流电流大幅变化会使直流系统的运行产生安 全问题。 Id过大会导致换流器过载 Id过小则可能发生直流电流间断而引发过电压
定熄弧角控制
在直流输电系统中，当换流器作为逆变器运行 时，必须设定熄弧角控制系统，才能保证直流 输电系统的安全、经济运行。 在实用中，逆变器的控制方式并不以β，而是 以熄弧角γ作为控制对象。 定γ角控制实质上与定β角控制一样。 ∵β=γ+μ，所以对γ进行控制，实质上就是对β 进行了控制。
电压控制输出将作为电流控制的上限值或下限值。
联合控制特性
Vd
α0
A B
I
γmin
F D H 0
L G J K I
E
C
Id
1
逆变器特性的改进
电流偏差控制 定β控制 定电压控制
控制特性的不稳定
控制特性的改进示意图
电流裕度法
整流侧和逆变侧配置完全一致的闭环电流调节器。 闭环电流调节器的主要目标是保证电流控制环的 性能： 快速阶跃响应 稳态时零电流误差 平稳电流控制 快速抑制故障时的过电流
Vdr − Vdi Vd 0 r cos α − Vd 0i cos γ Id = ＝ RL Rcr + RL − Rci
；
Pdr = Vdr I d
Pdi = Vdi I d = Pdr − R I
2 L d
控制方式基本原理
通过调节整流器的触发延迟角a或逆变器的触发 超前角β（或熄弧角γ），即调节加到换流阀控 制极或栅极的触发脉冲相位，快速而大范围地 控制直流线路的电流、电压和功率，所需时间 1ms~10ms。也称为栅/门极控制或控制极调节。 控制极调节，不但调节范围大，而且非常迅 速，是直流输电系统的主要调节手段，也是直 流系统区别于交流系统的最大优点。
2 Rβ dI d cosα = × (Id + Kd ) − cos γ 0 1.35k2 E2 dt
2 Rβ
12脉波
2 Rβ Id × cosα + cos γ 0 = 2.7k2 E2
混合式定熄弧角控制
在闭环控制的基础上，增加预测控制单元，但 后者只在换相电压下降或直流电流上升，并且 预计到将γ小于预测控制的整定值时起作用， 这个预测控制的整定值略小于闭环控制的整定 值γ0。显然，混合方式保留了闭环控制的等间 隔触发及高控制精度等优点，也具有预测控制 能实时“预防”减小γ的优点。
实测式定熄弧角控制
定熄弧角控制的非线性电路特性
预测式定熄弧角控制
开环控制——事前控制 如果逆变侧交流电势和直流电流已知，即可求 得使γ=γ0的超前角β。
要调节熄弧角γ，就只能靠改变超前角β来实现。
2π E2 cos γ0－E2 cos β − I d Rβ = 0 3
预测式定熄弧角控制
6脉波
Id × cos α + cos γ 0 = 1.35k2 E2
基本控制方式原理
定电流控制
功率控制 交流系统频率控制 潮流翻转控制
定电压控制 定越前角β控制/定延迟角α控制 定熄弧角γ控制
定电流控制
直流输电系统最基本的控制方式之一 控制特性为一垂直线，维持直流电流为 恒定值
定电流控制
通过直流互感器DCCT测量实际的直流电流 Id； 将Id与整定值Id0（也称电流指令）在加法环 节中进行比较得到电流偏差量（误差）ε=Id －Id0； 将差值ε输入控制放大器A中进行放大； 将放大的信号输入相位控制单元PC，然后 进行所需的相位控制。
如果β角（或α）不变，Id减小或E2增大时，γ角都将增 大；反之都要使γ角减小。尤其是交流系统发生故障导 致E2大幅度下降、Id瞬时上升时，γ将急剧减小。逆变 器运行时，如果某阀的γ角小于最小临界值，就不可避 免地要发生换相失败。为了使逆变器能够承受一定程 度的E2和Id的扰动，要求它在正常运行时实际的γ角大 于其临界值，且有足够的裕度。
高压直流输电系统 控制与保护原理
华南理工大学电力学院 李晓华 2008.2.25~3. 5
直流系统控制技术
概述 基本控制功能 辅助控制功能
控制方式基本原理
；
控制方式基本原理
Vdr − Vdi Vd 0 r cos α − Vd 0i cos β Id = ＝ RL Rcr + RL + Rci
控制策略
电流调节器 电压调节器 熄弧角调节器
确定点火角
根据交流系统的强弱程度及自己对直流系统控制 保护要求的认识和研究结果，针对不同换流器和 其他直流主设备应力设计以及控制保护设备本身 的性能等因素来设计、确定两端调节器类型的配 合和参数的匹配。各供货商的设计都不外乎是在 这基本的控制策略中选择。 对稳态下整流/逆变两端的基本控制模式，ABB公 司选择的是定电流/定熄弧角调节器，西门子公司 选择的是定电流/定电压调节器。
逆变侧
E2 ↓ E2 ↑ Vdi ↓ Vdi ↑ ε↑ ε↑ β↓ β↑ Vdi0cosβ ↑ Vdi0cosβ ↓ Vdi ↑ Vdi ↓
定电压控制
适用于受端交流系统等值阻抗较大的弱系统场 合，以提高换流站交流电压的稳定性。 在直流线路轻载运行时，由于逆变器的γ角比 满载时大，采用定电压控制对防止换相失败有 利。 在额定条件下运行时，为保证直流电压有一定 的调节范围，其γ角要略大于关断余裕角γmin， 从而使逆变器的额定功率因数和直流电压有所 下降，消耗无功功率较多，降低了换流器的利 用率。
点火脉冲发生
确定点火角度的起始点
与交流换相电压取得同步，锁相同步 硬件——倍频发生器 软件——数字信号处理器
触发方式
按相触发：换流器点火角的计时（计数）的起始点按 照各自交流电压的相位为基准 等间距触发：控制系统以某相交流电相位为基准，按 照点火角的控制指令发出触发脉冲，此后的触发脉冲 均依次等距发出。
GAMMA CONTROLLER MAX LIM INVERTER
VOLTAGE CONTROLLER
ALPHA VCA
MAX LIM
CURRENT MIN LIM CONTROLLER
ALPHA ORDER
MIN LIM
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联合控制特性
当处于逆变运行时，它将作为电流控制器的上限值， 以限制CCA的最大触发角输出； 当处于整流运行时，它将作为电流控制器的下限值， 以限制CCA的最小触发角输出。