直流输电系统控制原理与特性

2.6 直流输电控制系统构成(续) 直流输电控制系统构成(
直流系统基本控制稳态特性
(a)整流器定Id，逆变器定δ (b)逆变器减额定Id控制 (c)正常综合控制特性 (d)非正常综合控制特性
电流定值同步传输过程示意
(a)Idr1下降时的同步传输过程 (b) Idr1上升时的同步传输过程 Idr1：控制设定值(人工或自动) Idr2/I’dr2：整流/逆变站初步定值
1.3 直流输电控制系统发展简介（续） 直流输电控制系统发展简介（
（3）微机型控制系统 ） 20世纪70年代末，随着大规模集成电路和微 机技术的迅速发展而发展起来的，目前直 流输电控制系统基本上都是微机型的。 优点： 优点 ：集成度、可靠性高；控制方式灵活且 更改方便；可实现快速、精确控制；控制 功能和逻辑处理能力强，可实现复杂控制； 运行稳定性高，基本不受温度等周围环境 影响；可方便地通过多重化等措施进一步 提高控制系统的可靠性。
直流输电系统控制原理
浙江大学电气工程学院 江道灼
一、概述
1.1 直流输电系统运行控制基本要求
（1）减小因交流系统电压变化引起的直流电 流波动； （2）限制最大直流电流，防止换流器过载损 害； （3）限制最小直流电流，避免电流间断引起 振荡及过电压； （4）减小逆变器发生换相失败的概率； （5）尽量减小换流器消耗的无功功率； （6）保持直流电压在要求值水平运行。
2.2 换流器触发脉冲相位控制方式
直流系统不论采用哪种控制方式（包括正常 和异常控制），其最终都是通过调节换流 器触发脉冲相位角α来实现的。 换流器触发脉冲控制可分为 按相触发控制 和等间隔触发控制两种。 按相触发控制特点：等触发相位角α控制， 但不能保证换流器的等间隔触。 等间隔触发控制特点：保证稳态情况下换流 器的等间隔触发，但不保证各阀触发相位 角α的相等。
2.5 逆变器定关断角控制(续) 逆变器定关断角控制(
因此逆变器采用闭环定δ控制方式时，一般都要增 设一个紧急控制(EC)环节，以便当出现或预测到 δ大幅度减小时，立即输出一短暂的信号Δδe， 使误差ε=δ0+Δδe－δ突然人为地增大，使α 角快速大幅度减小，从而有效防止换相失败。 预测型关断角控制是一种开环预测控制过程，也可 预测型关断角控制 有效防止逆变器发生换相失败。预测公式如下： αY =cos-1(Kc·Id/Enm－cos δ0) 式中Kc为常数；Id受控整流器，也可认为是常数。 因此只要能够准确预测换相电压峰值Enm，从而准 确预测逆变器下一个触发脉冲的相位角。
由式（ ）可知，正常运行情况下， 由式（1）可知，正常运行情况下，两端直流输电系统可以 采取如下几种控制模式： 采取如下几种控制模式： 整流器定α 逆变器定β ①整流器定α，逆变器定β； 整流器定α 逆变器定δ ②整流器定α，逆变器定δ； 整流器定电流I 逆变器定关断角δ ③整流器定电流Id、逆变器定关断角δ； 整流器定电流I 逆变器定电压U ④整流器定电流Id、逆变器定电压Ud等。 上述四种控制模式中，模式①直流电流I 上述四种控制模式中，模式①直流电流Id易受两端交流系统 母线电压波动的影响而产生大波动，对交、 母线电压波动的影响而产生大波动，对交、直流系统稳定 运行都十分不利；模式②只有在(R (R＋ 运行都十分不利；模式②只有在(R＋dγZ)＞dγN前提下才 能保证直流系统运行稳定性，且同样存在模式①的问题。 能保证直流系统运行稳定性，且同样存在模式①的问题。 实际应用中，直流系统通常采用控制模式③ 实际应用中，直流系统通常采用控制模式③或④。当然还须 设置一些辅助控制功能，如：最大/最小触发角 设置一些辅助控制功能， 最大/ 限制、 （αmax/αmin）限制、逆变器的后备定电流控制与最小关断 限制等，才能保证直流输电系统安全可靠地运行。 角δmin限制等，才能保证直流输电系统安全可靠地运行。
2.3 直流系统微机控制基本原理和控制算法
A.换流器定值控制模型 A.换流器定值控制模型
DDC模块： DDC模块：根据采样得到的被控量与整定值之间的 模块 偏差进行直接数字控制 偏差进行直接数字控制 算法处理，获得控制信 号Vcn 。 DPC模块：由Vcn经过数字相位控制算法得出用于 模块： V 模块 调节触发脉冲相位的相位控制信号Φn。 该模块 还包含一个产生、分配等间隔触发脉冲的脉冲 脉冲 相位比较与分配环节。 相位比较与分配环节。
1.2 直流输电系统应具备的基本控制
（1）直流电流控制，保持电流等于给定值； （2）直流电压控制，保持直流线路送端或受 端电压在给定的范围内或等于给定值； （3）整流器触发延迟角(α)控制，使正常运 行时α角较小，一般保持在10°～20°(或 12°～18°)范围内，以减小无功消耗，并 留有调节的余地。 （ 4 ） 逆 变 器 关 断 角 (δ) 控 制 ， 控 制 δ≥δmin(最小关断裕度角)，避免发生换 相失败，在此前提条件下，尽量减小δ， 以兼顾安全和减小换流单元无功功率消耗， 提高功率因数。
1.3 直流输电控制系统发展简介（续） 直流输电控制系统发展简介（
（2）数字型控制系统 ） 由中小规模数字集成电路构成，20世纪五、 六十年代开始发展，但未得到推广应用。 优点： 优点 ：集成度较高、控制方式较灵活、逻辑 处理能力较强。 缺点： 缺点 ：控制功能实现较复杂、某些控制性能 及可靠性还不如模拟型的，故未能得到推 广应用。 同时期还研发了一种数模混合型 数模混合型控制系统， 数模混合型 吸收了模拟型和数字型的优点，得到一定 的推广应用。
或
(β=180o－α)
2.5 逆变器定关断角控制(续) 逆变器定关断角控制(
定关断角控制分闭环控制 预测控制 闭环控制 预测控制两种。闭环定 闭环控制和预测控制 关断角控制方式与定电流控制类似，也是一种负 反馈控制，其控制放大器CAδ的输出为： UC= U0 – Kε， 式中： U0为常数；K为放大系数；ε=δ0–δ。 闭环控制是当检测到δ与δ0的偏差后才进行控制， 闭环控制 因此对于δ＜δ0情况下的控制是不利的。例如 当逆变侧交流系统发生故障，换相电压大幅度跃 降、直流电流迅速上升，δ突然大幅度减小的情 况下，在检测到δ＜δ0时，逆变器可能就已发 生换相失败。
2.3 微机型等间隔触发脉冲控制算法（续） 微机型等间隔触发脉冲控制算法（ B. 等间隔控制算法，主要分两大类： 等间隔控制算法，主要分两大类： 1. 脉冲频率控制（PFC）算法 脉冲频率控制（PFC） 特点：存在积分效应，即所有历史采样或控 制偏差对当前控制结果都产生影响，Φn 与Vcn之间没有确定的对应关系，故其动 态性能不太好。 2. 脉冲相位控制（PPC）算法 脉冲相位控制（PPC） 特点：稳态情况下，Φn与Vcn及第n次实测α 角平均值之间均保持确定的线性比例关系， 彻底消除了控制过程中的积分作用，从而 具有较好的动态响应特性。
2.10 直流输电系统的启停控制
直流输电系统的启停控制包括正常启停控制 和紧急停机控制。 正常启停是一种慢速控制过程，时间延续几 正常启停 分钟至数十分钟不等，应根据两端交流系 统承受功率变化的能力来具体确定。 紧急停机通常用来处理直流系统的故障，因 紧急停机 此是一种快速过程，包括移相急停机和投 旁通对急停机两种，前者主要用于处理处 理直流线路的故障，后者主要用于处理换 流器阀故障。
Hale Waihona Puke Baidu
二、直流系统基本控制原理与特性
2.1 直流输电系统基本结构及其控制模式
直流输电一次系统结构示意
2.1 直流输电系统基本结构及其控制模式(续) 直流输电系统基本结构及其控制模式(
直流输电一次系统等值电路
由图知，正常稳态情况下系统直流电流为： 由图知，正常稳态情况下系统直流电流为：
(1) 或
2.1 直流输电系统基本结构及其控制模式(续) 直流输电系统基本结构及其控制模式(
2.8 直流系统控制特性的改进
改进直流输电基本控制特性的目的，是为了进一 步提高其控制性能和运行指标。 常见的改进措施有： 1. 定关断角控制特性改进 定关断角控制特性改进：比如当检测到Id小于 运行设定值时，使逆变器从定δ控制改为定β 控制，从而可有效防止整流器进入定αmin控制 时Id大波动情况的发生。 2. 增加VDCL VDCL(直流电流控制定值增加低电压减电 流定值)功能：当控制系统检测到直流电压低于 某一设定值(如50%～70%)时，自动按某种规律 降低整流、逆变站的控制电流定值，以防逆变 器发生连续换相失败。
2.9 直流系统的功率控制
现代直流系统一般都设置有功率控制功能，且通常是通过改 变电流设定值，达到间接控制功率的目的。 功率控制主要由如下几个模块组成： 功率控制 1. 功率定值设置模块(PRS)，根据运行人员或远方调度中 心输入的功率定值(Pdr0)及其变化速度限值(RSL)，初步 确定功率控制定值(Pdr1)； 2. 附加功率控制模块(APC)，根据交流系统频差确定功率 控制修正量(ΔP0)； 3. 控制电流形成模块，根据修正后的功率控制定值Pdr(= Pdr1+ΔP0) 和实测电压Ud，获得电流控制定值Idr0； 4. 过载限流模块， Idr0必须≤过载计算单元(OLC)根据当 前阀冷却介质温度和实测Id计算出的最大允许过载电流 (I’max); 5. 还有低压减流限值和定值同步传输模块等。
2.6 直流输电控制系统构成
右图为直流输电控制系统 基本构成，图中， 整流站主要包括： 整流站主要包括： TCC：换流变分接头控制器 VTC：阀触发控制单元 CTC：触发相位控制单元 MIN.DET：最小值检出单元 MAX.DET：最大值检出单元 CAI：电流控制放大器 LIM：限幅环节 SYN：同步控制单元 COM：通信接口设备 逆变站除上述外还需有： 逆变站除上述外还需有： CAδ：关断角控制放大器 MU：关断角检测单元
2.7 换流变压器分接头切换控制
分接头控制是触发角控制的辅控措施，二者配合可保 持直流系统运行在最佳状态； 要求控制速度比触发角控制慢，一般每隔数秒钟执行 一次即可； 对于定Id控制的整流器，一般通过切换换流变分街头， 将触发角α控制在15o(如12.5o～17.5o之间)左右，以 使其既有足够的调节裕度，又不致消耗太多无功； 对于定δ控制的逆变器，以控制直流电压在额定值的 ±(1.5%～2%)范围内波动为准，且每档分接头的切换 量控制在±(1%～1.5%)之间； 对于定Vd控制的逆变器，则以控制其越前关断角δ在 18o(如15o～21o之间)左右，以使其既有足够的调节裕 度，又不致消耗太多无功； 当直流系统切换到由逆变器控制Id的非正常模式时， 逆变器的换流变压器分接头控制必须暂停工作，以防 止因分接头的调节干扰控制、造成Id的异常波动。
2.5 逆变器定关断角控制
定关断角控制是逆变器的主要控制方式，其任 定关断角控制 务是是通过控制触发相位角，使逆变器的越 前关断角δ等于给定的关断裕度角δ0 ，以减 小换相失败的概率，提高运行可靠性，同时 兼顾降低无功功率的消耗量。 定关断角控制中,关断角的最小临界值约为6o～ 10o，一般取δmin=18o。 逆变器关断角δ和触发超前角β的关系如下：
2.4 换流器定电流控制
定电流控制是换流器的基本控制之一，它通过 定电流控制 控制换流器触发相位角，使直流电流等于设 定值并保持不变。 定电流控制才用最基本的安偏差比例控制时， 电流调节器CAI的输出为： UC= U0 - Kε 式中： U0为常数；K为放大系数；ε=Idr-Id。 定电流控制静态伏-安特性曲线中α= αµιν的说明： AB线段：Ud1=Udo1cosαmin－Iddγ1 AB’线段：Ud2=Ud1-IdRL=Udo1cosαmin-Id(dγ1+RL)
1.3 直流输电控制系统发展简介
从控制系统本身结构特点看，大致可分为三 阶段： （1）模拟型控制系统 ） 由分立模拟电子电路构成。早期控制系统。 优点：响应快速、实时性好、控制方式简单 优点： 可靠。 缺点： 缺点：灵活性差、控制功能受限、结构涣散、 易受温度等周围环境影响、控制精度低、 控制系统自身的稳定性可靠性低等。