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1、直流输电与FACTS技术,杨用春 电力工程系电力教研室 办公地点：教一楼307 E-mail：yongchunyangjx,2,第四章 直流输电系统的调节与控制,4.1 直流输电系统的等值电路 4.2 基本控制原理 4.3 理想控制特性 4.4 实际的伏安特性 4.5 整流和逆变控制特性的组合 4.6 带有VDCOL的实际伏安特性 4.7 控制的实施 4.8 启停和潮流反转控制,3,1. 直流系统的等值电路,4,换流器等效电路图,整流器的等效电路如右图所示： 其外特性方程如下： Vdr= Vd0rcosRcrId 功率为:Pdr=VdrId,5,换流器等效电路图,逆变器的等效电路如右图所示：
2、其外特性方程表示如下： Vdi= Vd0icos+RciId 或者 Vdi= Vd0icosRciId 功率为:Pdi=VdiId =PdrRLId2,6,HVDC等效电路图,7,HVDC系统电压分布,8,2、控制的基本原理,从整流侧流向逆变侧的稳态直流电流为： 高压直流系统通过控制整流器和逆变器的 内电势来控制线路上任一点的直流电压以及 线路电流(或功率)。从上式可以看出，改变 直流电流(或功率)可以从两个方面来进行调节:,9,控制的基本原理,调节整流器的触发延迟角a或逆变器的熄弧角/(越前角)，即调节加到换流阀控制极的触发脉冲相位。 采用这种方式调节不但调节范围大，而且非常迅速，是直流输电
3、系统主要的调节手段。其控制速度很快，大约为110ms 。,10,控制的基本原理,调节换流器的交流电势。一般靠调节发电机励磁或改变换流变压器分接头来实现，调节速度相对较慢，是直流输电系统的辅助调节方式。 其控制时间较长，（每改变一档需5 6 s）。,11,整流侧定角，逆变侧定角运行特性,12,整流侧定角，逆变侧定角运行特性,13,3. 换流器理想控制特性,在正常运行条件下，整流侧采用恒定电流 控制，使整流器运行于恒定电流(CC)状态以 保持系统的稳定，逆变侧采用定熄弧角控 制，使逆变器运行于恒熄弧角(CEA)状态以保 证有足够的换相裕度。,14,换流器理想控制特性（续）,正常状态理想伏安特性如下
4、图所示,15,换流器理想控制特性（续）,图10中以电压Vd和电流Id形成坐标，AB、 CD线上的点与整流器端测量的值对应，从 而逆变器特性包括了线路上的电压降。 整流器保持恒定电流时，其伏安特性为一垂直线，如图10中线段AB所示。 一般换相电阻略大于线路电阻，逆变器的特性具有一个小的负倾斜度，如图中CD线。,16,换流器理想控制特性（续）,为同时满足整流器和逆变器的特性，运行点定义在两特性的交点E上，即E点为理想稳态运行点。,17,4. 换流器实际稳态伏安特性,正常状态实际伏安特性如下图所示,18,实际稳态伏安特性（续）,整流器通过改变a角来保持恒定电流。但 是a角不能小于其最小值(a min
5、)。一旦到 amin，电压就不可能再升高，整流器将在恒触发延迟角(CIA)状态。 所以，整流器特性曲线实际上有两部分，如图11中AB和FA所示。 FA部分对应于定触发延迟角控制方式； AB段表示正常的定电流(CC)控制方式。,19,实际稳态伏安特性（续）,在实际的系统中，恒电流特性可能不是真正垂直的，它决定于电流调节器。 当采用比例加积分调节器时，CC特性便是非常垂直的。在正常电压下，完整的整流器特性由FAB来定义。 电压降低时，它将移动，如FAB所示。,20,实际稳态伏安特性（续）,正常运行条件下(如图11中E点)，整流器控制直流电流，逆变器控制直流电压。逆变器的CEA特性和整流器特性相交于
6、E点。 整流器电压降低时，FA将移动，如FAB所示,运行条件如图11中E点所示。此时逆变器进入定电流控制，整流器进入定触发角控制，建立电压。,21,5. 整流器逆变器特性组合,多数HVDC系统中，要求每个换流器既可作为整流器，又可作为逆变器。所以，每个换流器都具有如下的组合特性。,22,整流器逆变器特性组合（续）,每个换流器的特性由三段组成： 与 a min 相对应的恒触发角控制特性（CIA） 恒电流控制特性（CC） 恒熄弧角控制特性（CEA）,23,6. 带VDCOL的实际稳态伏安特性,带VDCOL的实际换流器稳态伏安特性如下图所示 AB BC CD DE SR ST TU,24,6.1 整
7、流器控制特性,整流器侧方程如下： 其中 在 特性曲线中，线段AB表示a 限制控制。 为了保证触发前阀上有足够的电压保证换相，触发角有最小限制为 。一旦调到a min ，电压就不可能在升高了，整流器将运行在恒触发延迟角（CIA）上了。,25,整流器控制特性（续）,图13中线段BC表示定电流控制特性。 通过调节“电流指令”可以使整流器特性即BC线水平移动。 最大电流限制这是为避免换流阀受到过热损害，一般短时间最大电流限定在正常满负荷电流的1.2到1.3倍。,26,整流器控制特性（续）,图13中线段DE表示了最小电流极限，通常值为0.2-0.3pu。 最小电流限制当电流值较低时，一方面，电流的波动会
8、引起其不连续或间断，在中断瞬间电流变化率会很高，会在交流变压器绕组和直流电抗器上感应出高电压; 另一方面，当电流低值时，叠弧很小，可能会引起每个阀桥两断之间设置的保护间隙发生闪络。,27,整流器控制特性（续）,图14中线段CD表示低压限流特性。 VH、VL为VDCOL的电压高、低门槛值; IH 、IL为直流电流的最大值、最小值。,28,整流器控制特性（续）,依赖于电压的电流指令限制(VDCOL)作用是在直流电压下降到一定程度之时相应地降低直流电流指令。在交流故障恢复阶段，直流电流指令将会在直流电压恢复到足够水平以后再复原，这一过程将有助于直流系统的恢复。,29,整流器控制特性（续）,VDCOL
9、控制卞要有2种基本类型，即依赖直流电压的VDCOL (DC-VDCOL)和依赖交流电压的VDCOL (AC-VDCOL)。 目前，大多数直流工程均采用DC-VDCOL 控制，该类型VDCOL可将直流电压的变化 反映于直流电流指令，有效地减少直流故 障后可能发生的换相失败，但在一定程度 上不能快速地反映逆变侧交流电压的波动 情况。,30,6.2 逆变器控制特性,逆变侧方程如下 其中 图中线段SR表示恒熄弧角控制方式。通过调节逆变器的变压器抽头切换装置可以使逆变器特性即SR线上下移动。 图中线段ST表示定电流运行方式。 为了保证因为测量误差或者其他原因导致两条恒电流特性相交，设置了电流裕度为,31
10、,逆变器控制特性（续）,其值一般为0.1倍的额定电流值。 图中线段TU表示最小a限制，防止逆变器变为整流器运行，其值一般为100-110。,32,6.3 变压器分接头控制,每当 和超出了所需范围数秒之后，即用分接头控制将换流器的触发角调回到这个范围以内来。 逆变器运行在恒熄弧角，从而和分接头切换器的叠加电压控制一起来固定线路电压。 整流器运行在电流控制方式，配之以分接头切换器的叠加 = norm控制。,33,6.4 控制特性概括,(1) 要得到高功率因数，必须保持整流器的 触发延迟角a和逆变器的熄弧角尽可能的小。 但是，为了确保触发前阀上有足够的电压， 整流器有一个最小a角限制，约为5。还必
11、须留一些升高整流器电压的裕度来控制直流 功率潮流.因此，整流器正常运行时角一般为15 20 。,34,控制特性概括（续）,(2)对于逆变器，必须维持一个确定的最小熄 弧角以避免换相失败。确保换相完成且有足 够的裕度很重要，这样可以保证在a =180 或 = 0换相电压反向之前去游离。因为即 使换相己经开始，直流电流和交流电压仍有 可能改变，所以在最小角限制的基础上必 须有足够的换相裕度，一般15左右。,35,控制特性概括（续）,(3)在正常情况下，整流器运行在电流控制方式，逆变器运行在CEA控制方式如果整流端的交流电压下降，整流器触发角也会减小，直到它达到的min限制这时整流器切换为min 控
12、制，而逆变器设为电流控制。 (4)为保证良好运行和设备安全，确定电流指令时考虑了几个限制；最大电流限制、最小电流限制和低压限流。,36,7. 控制的实施,HVDC系统的控制结构分为四层：全系统控制、主控制、极控制和桥或者换流器单元控制。结构如右图。几个层次既各司其职又相互协调。,37,7.1 控制的实施（续）-各级的功能,主控制级通常接收来自调度中心的直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流电流指令给极控制级； 极控制级经过控制运算以后发送一个触发角指令给各个桥控制级； 桥或者换流器单元（阀组）控制级功能为：取触发脉冲的同步信号；产生满足要求的触发脉冲系列以触发晶闸管阀。,38,控制的实
13、施（续）-各级响应时间,3个层次在响应时间上有较大差别，控制的层次越高，响应速度越慢。 主控制层对功率作阶跃变化时的响应时间一般在100ms左右。 桥控制层触发角指令变化的响应时间只需要1 4ms。 底层阀组控制的核心是换流器触发控制系统。,39,7.2控制的实施-控制框图,40,控制的实施（续）-控制框图说明,(1)测量环节代表电压电流量测量过程，用一阶惯性环节来模拟。电流测量环节惯性时间常数为0.0012s，增益0.5;电压测量环节惯性时间常数为0.02s，增益0. 002。 (2)补偿电阻Rv与逆变侧电流、电压共同确定直流线路中点电压，供控制用。,41,控制的实施（续）-控制框图说明,（
14、3）电流偏差控制用来在逆变侧定关断角控制和定电流控制之间进行平滑过渡;其输入为整流侧电流整定值与实际电流的偏差，输出为关断角的增量;正常工况下不起作用。 （4）0.1为电流裕额，代表逆变侧定电流控制器整定值比整流侧小的数值。,42,控制的实施（续）-控制接线图,43,7.3 主控制,主控制层的任务是确定一个直流输电系统究竟运行于何点。它把从系统控制中心收到的功率指令Pord转换为电流指令Iord(通常是用Pord除以实测的直流电压)，并将其传送至极控制。 双极直流系统的主控制通常装设在整流站里，因为这一侧换流器主要运行在恒电流控制方式下。如果要求直流系统具备双向传输功率的能力，则两侧换流站均需
15、设置主控制。,44,主控制（续）,对于整流侧，应使直流电流等于指令电流值且换流器触发角。在换流器触发角在15左右。 对于逆变侧，当采用最小熄弧角控制方式时，调节该侧换流变抽头以获得预定工作点所需的直流电压; 当采用恒电压控制方式时，应调节抽头保证在获得指定直流电压的同时，熄弧角等于或略微大于其最小限制18。,45,主控制（续）,在主控制图中包含以下辅助控制单元： 系统稳定控制器:stabilization controller 频率控制器:frequency controller 紧急功率控制器:Emergency Power Controller (EPC) 斜率控制：Ramping Con
16、trol,46,7.4 极控制,极控制处于直流输电系统多层递阶控制结 构的中间层，其主要作用是协调一个极内 换流桥的控制。从电流整定值到触发角整 定值的转换、分接头控制和一定的保护序 列是由极控制来处理的。它包括起动、解 除闭锁和换流桥控制的平衡与协调。,47,极控制（续）,极控制功能框图,48,极控制（续）,直流输电的极控级具有承上启下的关键作用。 整流侧配备带定min 限制的定电流控制器; 逆变器配备定电压控制器、定电流控制器和定 角控制器。,49,7.5 桥控制,换流桥或换流器单元控制处于直流输电系统多层递阶控制结构的最低层，在整个分层中有最快的响应，其作用是确定一个换流桥内阀的触发时刻，并确定amin和min 极限。 桥控制层的最核心环节是触发脉冲相位控制装置，它接受极控制传递来的触发延迟角信号，将其转换为十二个触发脉冲(针对十二脉波换流器)，并加到可控硅控制极，从而实现整流或逆变过程。,50,桥控制级（
