云广特高压工程控制系统功能分布研究

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1、云广特高压工程控制系统功能分布研究云广特高压工程控制系统功能分布研究周君文，刘涛，李少华（许继电气股份有限公司 河南 许昌 461000）Research on Control Functions in UHVDC SystemZhou Jun-Wen, Liu Tao, Li Shao-Hua(XJ Electric Co. Ltd. , Xuchang, Henan 461000, China)Abstract: UHVDC system is bipolar with two 12-pulse converters in series, it has much more intricat

2、e structural and functional arrangement. The basic control strategy and control functions for the double converters in series are discussed. In this paper, the bipole level control, pole level control, group level control as long as the coordination between them are analyzed in detail.Key words: UHV

3、DC; Bipole level control; Pole level control; Group level control; Converter摘要：特高压直流输电系统采用串联双 12 脉动换流器接线方式，结构及控制复杂。对其控制系统功能分层结构进行分析研究具有重大意义。本文详细分析了特高压直流输电系统的功能分层结构，包括双极层、极层和阀组层的控制功能以及它们之间的相互协调和配合。关键词：特高压直流输电；双极层控制；极层控制；阀组层控制；换流器0 引言云南广东800kV 直流输电工程是南方电网 “十一五”西电东送的主要输电通道，工程双极额 定功率为 5000MW，投运后对南方电网的安全

4、稳 定运行起着举足轻重的作用。相比常规直流系统， 云广特高压工程主要特点在于其采用了双 12 脉串 联阀组结构，具有更高的电压等级，更大的输送容 量和更远的传输距离，对直流控制保护设备在可靠 性和功能完善性上提出了更高的要求1。特高压直流输电系统具有更多、更复杂的运行方式，因此在 控制功能的分布上较常规直流具有很大的不同。 云广800kV 换流站直流控制保护系统采用完 全冗余、分层分布式结构配置，与500kV 常规直 流输电控制保护的总体结构设计基本相同，都采用 三层结构，即运行人员控制层、控制保护层和现场 处理层。但为了提高串联双阀组直流系统的可靠性 和可用率，云广工程将直流控制系统又分为双

5、极控 制层、极控制层和阀组控制层。双极层和极层之间 的交换信号主要是极功率指令，极层和阀组层间的 交换信号主要为电流指令和控制信号，而阀组层之 间则相互独立没有信号交换。下面就云广特高压直 流输电工程中控制保护层的功能分层分布进行详细 的分析和探讨。1 双极控制层功能特高压工程中双极层功能放在直流站控中实 现，双极层接收运行人员的指令，产生双极功率参 考值，并通过控制总线下发给极控制层。双极层控 制的主要功能有：双极功率控制、稳定控制、功率 方向控制、电流平衡控制、轻载无功优化等2。 1.1 双极功率控制 双极功率控制是指极控系统根据运行人员设置 的双极功率参考值来调节控制系统，使之保持双极

6、功率恒定。它可分为自动功率控制和手动功率控 制。自动功率控制模式是指双极功率定值及功率变 化率按预先安排好的负荷曲线自动变化，而手动功 率控制模式则是指在主控站由运行人员手动设置双 极功率定值和功率变化速率。 功率参考值的来源主要有两个方面：运行人员设定的功率定值和稳定控制产生的功率调制量。功 率控制的基本原理是用希望得到的双极功率参考值 除以整流侧测量的双极直流电压得到对应的电流指 令，然后将此指令送往阀组控制以产生相应的触发 角信号。 如果一个极降压运行，功率控制功能将增加双 极的电流参考值以维持双极功率恒定并尽量平衡双 极运行；如果一个极闭锁，双极直流电压将下降为 运行极的直流电压，为了

7、维持直流功率，由 P/U 单 元计算得到的电流参考值将变为双极运行时的两 倍，此时如果运行极的过负荷能力允许，则运行极 的直流电流将增加为双极运行时的两倍。当被闭锁 的极恢复运行时，极控系统将自动地将功率平衡分 配到两极，再次回到双极运行状态。1.2 稳定控制稳定控制是直流系统的附加控制功能。当交流 系统受到干扰时，稳定控制功能通过调节直流系统 的传输功率使之尽快恢复稳定运行。云广工程的稳 定控制功能包括功率提升、功率回降、频率限制、 双频调制和阻尼次同步振荡等。 由于逆变侧的功率控制器不起作用，极控系统 通过站间通讯将逆变侧生成的稳定调制量送到整流 侧，并与整流侧产生的调制量相加形成最终的稳

8、定 控制参考值 PrefAC。功率斜率发生器的输出值 PrefDC 和稳定控制参考值 PrefAC 相加作为最终的 功率参考值输出去控制直流系统的功率传输。当站 间通讯失败时，逆变侧的稳定控制功能闭锁。 当换流站的双极都选择了电流控制模式时，电 流斜率发生器的输出值直接和稳定控制的调制电流 参考值相加作为最终的电流参考值；当一极为功率 控制模式，另一极为电流控制模式时，稳定控制产 生的电流参考值会由电流控制模式的极送到功率控 制模式的极执行，这通过极间功率转移（PPT）完 成。 1.3 功率方向控制 高压直流输电系统都具备正向和反向直流功率 输送能力，有时候还需在运行过程中进行功率反送， 所以

9、极控系统中提供了功率反转功能。功率反转分 为在线反转和离线功率反转。在线功率反转指在直 流系统运行时，先降低直流功率到最小值，再降低 直流电压到零，然后反方向提升直流电压和直流功率，在线改变功率方向期间，并不闭锁触发脉冲。 云广工程中只配置了离线功率反转功能，它只 能在闭锁状态下执行，因此对交流系统和直流系统 没有冲击。只要没有解锁或空载升压，运行人员就 可下发功率反转的命令，当运行人员选择新的功率 方向后，原来的整流站变为逆变站运行，原逆变站 则切换为整流站运行。1.4 电流平衡控制（CBC）电流平衡控制功能（CBC）用来平衡双极实际 的直流电流，它是一个闭环积分控制器，最大输出 为额定电流

10、值的 2%。CBC 只有在两极都运行于双极 功率控制模式、双极均解锁且没有空载升压的情况 下在整流站有效。当极间功率转移激活时，CBC 自 动禁止。 电流平衡控制的输出乘上不同的符号位后分别 与两极极控系统中的电流参考值 Iref 相加，从而 使得两极的电流尽可能相等，使接地极电流趋近于 零。此外，一些接地极保护功能会请求双极电流平 衡，这时控制系统会启动另一个平衡控制器快速调 节两极的电流参考值，直至达到允许电流的上下限， 而并不管当前的运行方式如何，如图 1 所示。STILU LLXSVYx (-1)1T = 0,1 sx (-1) STILU LLXSVY10%5 sec保护的双极电流平

11、衡请求 极1电流模式 极2电流模式逆变侧极1未解锁极2未解锁2% 0% 极间功率转移激活1从保护来的 电流平衡请求100 % 0%TDTULU LLXSVY110 %0%0%40 msS10 s 00%700 ms0接接地地极极电电流流IdEE1 + IdEE2ICBC 极极1ICBC 极极 2图 1 电流平衡控制1.5 轻载无功优化轻载无功优化功能是指在低负荷时增大换流 阀的触发角，以增加换流器吸收的无功功率，减少 直流系统注入到交流系统的无功，从而减轻交流系 统轻载时的调压难度。这种模式下，换流变分接头 调节到最高档以减小阀侧电压，进而降低直流电压 值。32 极控制层功能极控制层功能完成与

12、极相关的控制功能，从双 极控制层接收极电流/功率参考值，进一步产生换 流器层闭环控制所需要的直流电流、直流电压、熄 弧角参考值。其主要功能有：极解锁/闭锁过程、 直流线路故障重启顺序（DFRS） 、极电流限制 （PCL） 、极电流协调（PCOC） 、低压限流环节 （VDCL）等。2.1 极解锁/闭锁顺序特高压直流输电系统每极由 2 个 12 脉动换流 器串联而成，所以极解锁/闭锁逻辑比常规直流输 电系统多了两种特殊的方式：解锁第二个阀组和闭 锁第一个阀组。这两种情况都需要高速旁路开关和阀触发脉冲信号做密切配合，并且整流站和逆变站 动作时刻也有严格要求。 串联双阀组同时解闭锁的情形与常规直流系统

13、 完全一致。但当串联双阀组不同时解闭锁时，基于 安全性和对交直流系统的冲击考虑，程序逻辑中需 要确保第二个阀组解锁时整流侧先于逆变侧一个很 短的时间；闭锁第一个阀组时，逆变侧先于整流侧 一个很短时间。并且当站间通信故障时，不建议解 锁第二个阀组。2.2 直流线路故障重启顺序（DFRS）由于直流架空线路的短路故障大多数是瞬时性 的，所以设置了直流线路故障重启功能。当直流保 护检测到线路故障以后，将信号传到极控，极控系 统立即强制移相并且经过一定的放电时间后直流系 统试图重启，以尽快地恢复直流系统的运行。 每一极的重启次数以及放电时间可以由运行人 员设定。正常情况下如果本站的直流保护已经检测 到直

14、流线路故障时，则本站的极控系统不使用对站 送过来的直流线路故障信号，只有本站没有检测到 故障时才会使用对站的直流线路故障信号启动本站 的直流线路故障恢复逻辑。这可防止两站重启次数 计数器的计数值不一致。 在整流侧，当检测到直流线路故障后，设置输 入到 VDCL 的直流电压为零，启动交直流系统故障 恢复的暂态电流控制，极控系统将触发角移相到 120 度，当直流电流降低到零时将角度设定到限制值。这个过程虽然类似于移相闭锁，但控制系统触 发脉冲一直使能，所以极解锁信号一直存在。经过 一定的放电时间后，直流系统自动重启。如果重起 以后直流线路故障消失，则系统继续运行；如果重 启后直流线路故障依然存在，

15、控制系统再次重复先 前的移相动作，同时计算重启次数，当重启次数达 到运行人员设定值时，控制系统将启动闭锁顺序； 在逆变侧，当检测到直流线路故障后设置熄弧角实 际值为零使触发角向 120 度的方向移动使直流电压 降低，当电流重新建立后，再释放触发角限制重新 控制电压。 如果通讯故障，在整流侧检测到直流线路故 障，整流侧将直流电流降为最小并经过放电时间后 重启，如果重启次数达到了，则整流侧按闭锁顺序 闭锁，逆变侧由直流低电压保护动作闭锁；而在逆 变侧检测到直流线路故障时则不会启动直流线路故 障重启，最后整流侧和逆变侧均由直流低电压保护 闭锁。2.3 极电流限制（PCL）极层需要考虑各种电流限制条件

16、，并根据允许 的最大电流值计算极的功率传输能力。电流限制主 要是根据主设备的过负荷能力计算最大允许电流 值，并与对站最大电流进行协调计算。极电流限制 就是从系统主设备的过负荷能力、可用交流滤波器 数计算的电流限制、功率极限计算的电流限制、直 流保护请求的电流限制、FASOF 顺序电流限制、 降压运行的电流限制、功率反转的电流限制、站间 通讯失败后的电流限制、解锁/闭锁过程中的电流 限制、运行人员设定的电流限制、对站的电流限制 中选取一个最小的电流参考值。2.4 极电流指令协调（PCOC）极电流指令协调根据各种不同情况选择用于换 流器控制的电流命令，如图 2 所示。PCOC 保持逆 变站电流控制器的电流裕度，以防止逆变站投入电 流控制。电流控制参考值在两站之间通过站间通信 进行交换。MAXPT 1电流模式1,6实际电流值从对站接 收的电流 参考值1,6MIN逆变站-+电流参考值 到 VDCL送至对 站的 电流参 考值& 站间通讯故障电流裕度逆变站逆变站逆变站电流跟 随功能站间通讯故障站间通讯故障本站的电流 指令计算值电流指令 计算值图 2 极电流指令协调就地主