《直流輸電與FACTS技術(shù)》課件第四章 HVDC控制系統(tǒng)

1、1第四章 直流輸電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制4.1 直流輸電系統(tǒng)的等值電路4.2 基本控制原理4.3 理想控制特性4.4 實(shí)際的伏安特性4.5 帶有VDCOL的實(shí)際伏安特性4.6 控制的實(shí)施4.7 啟停和潮流反轉(zhuǎn)控制24.1、直流系統(tǒng)的等值電路3換流器等值電路圖整流器的等值電路如右圖所示： 其外特性方程如下： Vdr= Vd0rcosRcrId功率為:Pdr=VdrId4換流器等值電路圖逆變器的等值電路如右圖所示： 其外特性方程表示如下：Vdi= Vd0icos+RciId 或者Vdi= Vd0icosRciId功率為:Pdi=VdiId =PdrRLId25HVDC等效電路圖6HVDC系統(tǒng)電壓分布74

2、.2、控制的基本原理 從整流側(cè)流向逆變側(cè)的穩(wěn)態(tài)直流電流為： 從上式可以看出，改變直流電流(或功率)可以從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié):8控制的基本原理調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)延遲角a或逆變器的熄弧角/(越前角)，即調(diào)節(jié)加到換流閥控制極的觸發(fā)脈沖相位。采用這種方式調(diào)節(jié)不但調(diào)節(jié)范圍大，而且非常迅速，是直流輸電系統(tǒng)主要的調(diào)節(jié)手段。其控制速度很快，大約為14ms 。 9控制的基本原理調(diào)節(jié)換流器的交流電勢(shì)。一般靠改變換流變壓器分接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)速度相對(duì)較慢，是直流輸電系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)方式。其控制時(shí)間較長(zhǎng)，（每改變一檔需5 6 s）。（1）整流側(cè)定角，逆變側(cè)定角運(yùn)行特性（2）整流側(cè)定角，逆變側(cè)定角運(yùn)行特性運(yùn)行方式分析能穩(wěn)定運(yùn)

3、行交流電壓波動(dòng)引起直流功率和直流電流的大幅波動(dòng)逆變?nèi)粝到y(tǒng)時(shí)不能穩(wěn)定運(yùn)行交流電壓波動(dòng)引起直流功率和直流電流的大幅波動(dòng)114.3、換流器理想控制特性 在正常運(yùn)行條件下，整流側(cè)采用恒定電流控制，使整流器運(yùn)行于恒定電流(CC)狀態(tài)以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，逆變側(cè)采用定熄弧角控制，使逆變器運(yùn)行于恒熄弧角(CEA)狀態(tài)以保證有足夠的換相裕度。12換流器理想控制特性（續(xù)）正常狀態(tài)理想伏安特性如下圖所示13換流器理想控制特性（續(xù)） 圖10中以電壓Vd和電流Id形成坐標(biāo)，AB、 CD線上的點(diǎn)與整流器端測(cè)量的值對(duì)應(yīng)，從而逆變器特性包括了線路上的電壓降。 整流器保持恒定電流時(shí)，其伏安特性為一垂直線，如圖10中線段AB所示。

4、 一般換相電阻略大于線路電阻，逆變器的特性具有一個(gè)小的負(fù)傾斜度，如圖中CD線。14換流器理想控制特性（續(xù)） 為同時(shí)滿足整流器和逆變器的特性，運(yùn)行點(diǎn)定義在兩特性的交點(diǎn)E上，即E點(diǎn)為理想穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。154.4、換流器實(shí)際穩(wěn)態(tài)伏安特性正常狀態(tài)實(shí)際伏安特性如下圖所示16實(shí)際穩(wěn)態(tài)伏安特性（續(xù)） 整流器通過(guò)改變a角來(lái)保持恒定電流。但 是a角不能小于其最小值(a min)。一旦到 amin，電壓就不可能再升高，整流器將在恒觸發(fā)延遲角(CIA)狀態(tài)。所以，整流器特性曲線實(shí)際上有兩部分，如圖11中AB和FA所示。FA部分對(duì)應(yīng)于定觸發(fā)延遲角控制方式；AB段表示正常的定電流(CC)控制方式。17實(shí)際穩(wěn)態(tài)伏安特性（續(xù)

5、） 在實(shí)際的系統(tǒng)中，恒電流特性可能不是真正垂直的，它決定于電流調(diào)節(jié)器。當(dāng)采用比例加積分調(diào)節(jié)器時(shí)，CC特性便是非常垂直的。在正常電壓下，完整的整流器特性由FAB來(lái)定義。電壓降低時(shí)，它將移動(dòng)，如FAB所示。 18實(shí)際穩(wěn)態(tài)伏安特性（續(xù)） 正常運(yùn)行條件下(如圖11中E點(diǎn))，整流器控制直流電流，逆變器控制直流電壓。逆變器的CEA特性和整流器特性相交于E點(diǎn)。 整流器電壓降低時(shí)，F(xiàn)A將移動(dòng)，如FAB所示,運(yùn)行條件如圖11中E點(diǎn)所示。此時(shí)逆變器進(jìn)入定電流控制，整流器進(jìn)入定觸發(fā)角控制，建立電壓。19逆變側(cè)定直流電壓的運(yùn)行方式 將逆變側(cè)定運(yùn)行的方式改為定直流電壓的方式 適用于弱系統(tǒng)的場(chǎng)合，能提高受端系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定

6、性當(dāng)逆變側(cè)交流電壓下降時(shí)，自動(dòng)減小以維持直流電壓不變，同時(shí)也提高了功率因數(shù)，防止交流電壓進(jìn)一步下降缺點(diǎn)： 需要留有裕度，使得 0,穩(wěn)態(tài)吸收的無(wú)功較多204.5、帶VDCOL的實(shí)際穩(wěn)態(tài)伏安特性214.5.1 整流器控制特性整流器側(cè)方程如下：其中在 特性曲線中，線段AB表示a 限制控制。為了保證觸發(fā)前閥上有足夠的電壓保證換相，觸發(fā)角有最小限制為 。一旦調(diào)到a min ，電壓就不可能再升高了，整流器將運(yùn)行在恒觸發(fā)延遲角（CIA）上了。22整流器控制特性（續(xù)） 圖13中線段BC表示定電流控制特性。 通過(guò)調(diào)節(jié)“電流指令”可以使整流器特性即BC線水平移動(dòng)。最大電流限制這是為避免換流閥受到過(guò)熱損害，一般短時(shí)

7、間最大電流限定在正常滿負(fù)荷電流的1.2到1.3倍。23整流器控制特性（續(xù)）圖13中線段DE表示了最小電流極限，通常值為0.2-0.3pu。最小電流限制當(dāng)電流值較低時(shí)，一方面，電流的波動(dòng)會(huì)引起其不連續(xù)或間斷，在中斷瞬間電流變化率會(huì)很高，會(huì)在交流變壓器繞組和直流電抗器上感應(yīng)出高電壓;另一方面，當(dāng)電流低值時(shí)，疊弧很小，可能會(huì)引起每個(gè)閥橋兩端之間設(shè)置的保護(hù)間隙發(fā)生閃絡(luò)。24整流器控制特性（續(xù)）圖14中線段CD表示低壓限流特性。VH、VL為VDCOL的電壓高、低門檻值;IH 、IL為直流電流的最大值、最小值。25整流器控制特性（續(xù)）依賴于電壓的電流指令限制(VDCOL)作用是在直流電壓下降到一定程度之時(shí)

8、相應(yīng)地降低直流電流指令。在低電壓條件下，要想保持額定電流或額定功率不可能實(shí)現(xiàn)，原因：（1）一個(gè)換流器交流電壓下降很多時(shí)，其無(wú)功功率下降很多，另一個(gè)換流器無(wú)功需求將增加，對(duì)交流系統(tǒng)不利（2）當(dāng)逆變器交流下降時(shí)，可能會(huì)發(fā)生換相失敗264.5.2 逆變器控制特性逆變側(cè)方程如下其中圖中線段SR表示恒熄弧角控制方式。通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的變壓器抽頭切換裝置可以使逆變器特性即SR線上下移動(dòng)。圖中線段ST表示定電流運(yùn)行方式。為了保證因?yàn)闇y(cè)量誤差或者其他原因?qū)е聝蓷l恒電流特性相交，設(shè)置了電流裕度27逆變器控制特性（續(xù)） 其值一般為0.1倍的額定電流值。圖中線段TU表示最小a限制，防止逆變器變?yōu)檎髌鬟\(yùn)行，其值一般為

9、100-110。284.5.3 變壓器分接頭控制每當(dāng) 和超出了所需范圍數(shù)秒之后，即用分接頭控制將換流器的觸發(fā)角調(diào)回到正常范圍。逆變器運(yùn)行在恒熄弧角，從而和分接頭切換器的疊加電壓控制一起來(lái)固定線路電壓。整流器運(yùn)行在電流控制方式，配之以分接頭切換器的疊加 = norm控制。294.6、控制的實(shí)施HVDC系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)分為三層：主控制、極控制和橋或者換流器單元控制。幾個(gè)層次既各司其職又相互協(xié)調(diào)。304.6.1 各級(jí)的功能主控制級(jí)通常接收來(lái)自調(diào)度中心的直流輸送功率指令，經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算以后發(fā)送一個(gè)直流電流指令給極控制級(jí)； 極控制級(jí)經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算以后發(fā)送一個(gè)觸發(fā)角指令給各個(gè)橋控制級(jí)； 橋或者換流器單元（閥組）

10、控制級(jí)功能為：取觸發(fā)脈沖的同步信號(hào)；產(chǎn)生滿足要求的觸發(fā)脈沖系列以觸發(fā)晶閘管閥。31控制的實(shí)施-各級(jí)響應(yīng)時(shí)間3個(gè)層次在響應(yīng)時(shí)間上有較大差別，控制的層次越高，響應(yīng)速度越慢。主控制層對(duì)功率作階躍變化時(shí)的響應(yīng)時(shí)間一般在100ms左右。橋控制層觸發(fā)角指令變化的響應(yīng)時(shí)間只需要1 4ms。底層閥組控制的核心是換流器觸發(fā)控制系統(tǒng)。324.6.2 主控制主控制層的任務(wù)是確定一個(gè)直流輸電系統(tǒng)究竟運(yùn)行于何點(diǎn)。它把從系統(tǒng)控制中心收到的功率指令Pord轉(zhuǎn)換為電流指令I(lǐng)ord(通常是用Pord除以實(shí)測(cè)的直流電壓)，并將其傳送至極控制。雙極直流系統(tǒng)的主控制通常裝設(shè)在整流站里，因?yàn)檫@一側(cè)換流器主要運(yùn)行在恒電流控制方式下。如果

11、要求直流系統(tǒng)具備雙向傳輸功率的能力，則兩側(cè)換流站均需設(shè)置主控制。33主控制（續(xù)） 對(duì)于整流側(cè)，應(yīng)使直流電流跟蹤指令電流值。正常運(yùn)行時(shí)換流器觸發(fā)角在15左右。對(duì)于逆變側(cè)，當(dāng)采用最小熄弧角控制方式時(shí)，調(diào)節(jié)該側(cè)換流變抽頭以獲得預(yù)定工作點(diǎn)所需的直流電壓;當(dāng)采用恒電壓控制方式時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)抽頭保證在獲得指定直流電壓的同時(shí)，熄弧角等于或略微大于其最小限制18。34主控制（續(xù)）在主控制圖中包含以下輔助控制單元：系統(tǒng)穩(wěn)定控制器頻率控制器緊急功率控制器354.6.3極控制極控制處于直流輸電系統(tǒng)多層遞階控制結(jié)構(gòu)的中間層，其主要作用是協(xié)調(diào)一個(gè)極內(nèi)換流橋的控制。從電流整定值到觸發(fā)角整定值的轉(zhuǎn)換、分接頭控制和一定的保護(hù)序列

12、是由極控制來(lái)處理的。包括起動(dòng)、解除閉鎖等。 36極控制（續(xù)）37極控制（續(xù)）直流輸電的極控級(jí)具有承上啟下的關(guān)鍵作用。整流側(cè)配備帶定min 限制的定電流控制器;逆變器配備定電壓控制器、定電流控制器和定 角控制器。38定電流控制每個(gè)換流站的極控制都裝備有恒電流控制回路，依照由主控制傳遞來(lái)的電流指令I(lǐng)ord實(shí)現(xiàn)控制。在交流系統(tǒng)故障環(huán)境下，電流指令經(jīng)VDCOL環(huán)節(jié)重置。恒電流控制回路的輸出作用于觸發(fā)裝置，即橋控制。在逆變側(cè)，這一級(jí)控制中還包含恒電壓或最小熄弧角控制，作為其控制方式。39定電流控制（續(xù)） 定電流控制是HVDC最基本的控制方式之一，這種控制特性可使得HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行十分穩(wěn)定。定電流控制具

13、有下述兩個(gè)主要特點(diǎn): 因?yàn)殡娏鳛槎ㄖ刀浑S電壓的降低而加大，所以動(dòng)態(tài)性能較好，不但可以改善直流輸電的運(yùn)行性能，同時(shí)也可以限制過(guò)電流和防止換流器過(guò)載，并使因故障引起的損害最小;40定電流控制（續(xù)）防止系統(tǒng)因交流電壓的波動(dòng)而停運(yùn)。因此，在正常運(yùn)行過(guò)程中，HVDC系統(tǒng)整流側(cè)基本上采用恒定電流控制。直流電流調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能是決定直流輸電控制系統(tǒng)性能好壞的重要因素。41定電流控制（續(xù)）定電流控制的基本原理是把實(shí)際的電流和電流的給定值進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)差別時(shí)，通過(guò)一個(gè)閉環(huán)控制器控制換流器觸發(fā)角，從而控制直流電壓以使電流差值減小或 消失，來(lái)保證實(shí)際電流值等于或接近給定值。42定電流控制（續(xù)）定電流控制原

14、理框圖如下:43定關(guān)斷角控制閉環(huán)實(shí)測(cè)型角控制器，通過(guò)將上一周期測(cè)得的逆變側(cè)角最小值，作為關(guān)斷角的測(cè)量值。定關(guān)斷角控制器原理及典型參數(shù)示意見下圖: 4445定直流電壓控制 定電壓調(diào)節(jié)的原理與定電流調(diào)節(jié)相似，僅反饋量或被調(diào)量改為直流電壓，它保持直流線路送端或受端的電壓等于給定值。也是逆變器經(jīng)常采用的一種控制方式。46定直流電壓控制（續(xù)）定直流電壓控制原理框圖如下：474.6.4 橋控制換流橋或換流器單元控制處于直流輸電系統(tǒng)多層遞階控制結(jié)構(gòu)的最低層，在整個(gè)分層中有最快的響應(yīng)，其作用是確定一個(gè)換流橋內(nèi)閥的觸發(fā)時(shí)刻。 橋控制層的最核心環(huán)節(jié)是觸發(fā)脈沖相位控制裝置，它接受極控制傳遞來(lái)的觸發(fā)延遲角信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為十二個(gè)觸發(fā)脈沖(針對(duì)十二脈波換流器)，并加到可控硅控制極，從而實(shí)現(xiàn)整流或逆變過(guò)程。 換流器的觸發(fā)脈沖必須與交流系統(tǒng)電壓同步。有兩種基本的觸發(fā)脈沖控制方式：分相控制和等間隔控