直流输电的控制与调节

1高压直流输电华南理工大学电力学院黄敏控制与调节2控制系统概况基本控制方式控制系统的实际应用控制系统的稳态响应直流系统的调制方式直流系统的启停控制阀控系统的控制调试试验过程及其分析HVDC的调节与控制特性3一HVDC控制系统概况桥控制桥控制桥控制桥控制阀单元控制极控制极控制整流站控制设备站控制桥控制桥控制桥控制桥控制阀单元控制极控制极控制逆变站控制设备站控制总控制总控制通讯系统4HVDC控制系统分层结构按结构划分：System；按功能function划分：层Level站控系统系统控制层SystemLevelStationControlSystem站控制层StationLevel部分双极层BipoleLevel极控系统双极层BipoleLevel（核心）极层PoleLevelPoleControlSystem换流器层ValveGroupLevel56控制的基本方式（a）接线图；（b）等值电路7ciLcridrdLdidrdRRRVVRVVIcoscos00＝ciLcridrdLdidrdRRRVVRVVIcoscos00＝ddrdrIVP2dLdrddidiIRPIVP6脉波换流器：Vd0r=1.35k1E1Vd0i=1.35k2E212脉波换流器：Vd0r=2.7k1E1Vd0i=2.7k2E2版权所有者：张勇军未经书面允许，他人不得使用8基本的调节手段（α、β、Vdor、Vdoi，）调节换流器的触发脉冲相位（α或β），响应时间1ms～5ms调节换流变压器分接头，响应时间5s～10sciLcridrdLdidrdRRRVVRVVIcoscos00＝9HVDCBasicControl基本的控制方式定电流控制(CC：ConstantCurrent)定电压控制(VC：ConstantVoltageControl)定延迟角控制(Rectifierwithα=Constant)定超前角控制(Inverterwithβ=Constant)定熄弧角控制(Inverterwithγ=Constant)CEA:ConstantExtinctionAngle)10定电流控制(CC：ConstantCurrent)VdId控制特性：控制换流器的触发角，维持直流电流Id为恒定值，其控制特性为一垂直线。ciLcridrdLdidrdRRRVVRVVIcoscos00＝111()0cosdiDCActdEVIIcrdrddRVVIcos0ciiddidRVVIcos0电流裕度原则：正常运行只保证一侧的定电流控制起作用。通常逆变状态时，电流的整定值必须要减小一个电流裕度ΔI（约为0.1pu）00()coscosDCActdidIVI整流侧:逆变侧:ciLcridrdLdidrdRRRVVRVVIcoscos00＝12定电压控制(VC：ConstantVoltageControl)控制特性：定电压控制的主要任务是维持直流电压Vd为整定值，其控制特性为一水平线。IdVd13整流侧：逆变侧：crdrddrRIVVcos0cididdiRIVVcos0100()cosdrdrdrEVVV0()()cosdidiVV14电流裕度原则：15电压裕度原则：16定触发角控制Rectifierwithα=Constant整流侧:定延迟角控制控制特性为一组斜率为-Rcr的平行线族时，曲线平行下降IdVdIdVd定α角控制crdrddrRIVVcos017IdVdIdVd定β角控制定触发角控制(Inverterwithβ=Constant)逆变侧:定超前角控制控制特性为一组斜率为Rci的平行线族时，曲线平行下降cididdiRIVVcos018定熄弧角控制(CEA：ConstantExtinctionAngle)Inverterwithγ=Constant为尽量避免换相失败，要求逆变器的熄弧角γ必须大于γmin；而为了尽量提高逆变器功率因数，则要求γ尽量小。这就要求逆变侧设置定熄弧角控制。19熄弧角γ减小的后果：如果β不变，交流系统故障导致：22035.122coscosEkRIVRIcididcidcididcididdiRIγVRIβVVcoscos002mindEI换相失败20VdId定熄弧角控制特性定γ角控制cidididRIVVcos0＝γmin=6o--10oγorder=16o--18o21控制熄弧角的方式实测控制（闭环控制）预测控制（开环控制）混合式控制22实测式定熄弧角控制（闭环控制）当γγ0时，误差ε0，Vc减小，相位控制器将减小输出脉冲的相位角a，因而使γ增大。加法器控制放大器εγγ0相位控制器Vcε=γ0-γαγEkRIβγicoscos35.12coscos22cd23安全调节若任一γγ0，则快速增大γ，一次调节即达到γγ0经济调节若min(γ)γ0，则缓慢减小γ，将最小的γ调整到γ0，其他各阀必然满足γ≥γ0控制特性常为不对称：闭环控制定熄弧角控制特性γ0γ00γ（输入）γ‘（输出）Δγ（死区）24闭环控制的特点检测到γ与γ0的偏差后才进行控制，在异常情况下，如果γ突然大幅度减小，在控制单元响应之前，逆变器可能已经发生换相失败。增设紧急控制单元，在紧急状态下人为地增大误差ε以较大幅度地减小α（增大β），防止换相失败。αγEkRIβγicoscos35.12coscos22cd加法器控制放大器εγγ0相位控制器Vcε=γ0-γ+Δγ25预测式定熄弧角控制（开环控制）根据测量得到的实际Id和逆变侧交流电压，求解出满足γ=γ0的α=π-β值cididcididdiRIγVRIβVVcoscos00加法器比较器输出VCVAVBo0coscos2/dcidiβγIRV0diV26能考虑系统运行情况的变化实时确定正确的a角，而不是在γ出现偏差后才进行调节。响应要早于闭环控制，响应速度较快。各阀分别进行定γ控制，不能保证各相触发脉冲间的等间隔性。开环控制的特点27系统受扰动时开环控制的修正通常，当dId/dt0时，Kd取适当的正值；当dId/dt0时，取Kd=0。逆变器各阀的α角的预测计算要根据各自的换相电压，可以选择其中一个阀的γ=γ0，而其他的阀的γ≥γ0002cos()cosciddddiRdIIKVdt0ocos2/cosdcidiIRVγ28比较：实测型和预测型γ调节实测熄弧角与设定值比较，用差值进行调节。其特点是精确、有时滞、需阀电流过零信号。（西门子）预测型是根据换相电抗、实测直流电流、换相电压，预算熄弧角进行调节。其特点是快、精确度差、无须阀电流过零信号。（ABB)29混合式定熄弧角控制混合方式：在闭环控制的基础上，增加预测控制单元。既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快速地“预防”减小γ的优点。30定熄弧角控制举例：基本控制策略的应用及讨论：定电流控制(CC：)定电压控制(VC：)定α控制(Rectifier)定β控制(Inverter)定γ控制(Inverter)VdIdVdIdIdVdIdVdIdVdIdVdIdVd32整流器(CC）逆变器(CEA）E(运行点）BCVdADId理想控制特性基本控制策略的应用及讨论：理想基本控制特性整流器保持定电流（CC）逆变器则运行于定熄弧角（CEA）dciLiddIRRVV)(cos033实际特性CBF'整流器(CC）IdA'ED整流器(CIA）AVdF逆变器(CEA）F'逆变器(CC）HBImE'A'EId整流器(CC）DFC逆变器(CEA）整流器(CIA）VdGA整流器特性由两段组成：定触发角控制（CIA）定电流控制（CC）逆变器特性由两段组成：定熄弧角控制（CEA）定电流控制（CC）基本控制策略的应用及讨论：34注意：逆变器的电流整定值比整流器的要低一个电流裕度Im，通常设定为额定电流的10％～15％，以保证不会由于测量误差或其他原因而导致两条定电流特性相交。正常运行时:整流器控制着直流电流而逆变器控制着直流电压。基本控制策略的应用及讨论：35当整流器定αmin特性与逆变器定γ0特性相交，造成控制方式的不稳定逆变器特性的改进基于控制方式的不稳定基本控制策略的应用及讨论：因此，有必要对逆变器的特性曲线进行修正，使其具有0或者正的斜率。36逆变器特性的改进正斜率：•采用恒β控制•带正斜率的γ特性│Id–Idmargin│=Δ0.05时，基本控制策略的应用及讨论：o0coscos2/dcidiβγIRVo0coscos2/KdcidiβγIRV37逆变器特性的改进•0斜率：采用恒电压控制•正斜率：电流偏差/差错控制CEC(CurrentErrorCharacteristic)当Idref–Id=Δ0.05时，基本控制策略的应用及讨论：RefUK38低压限流VDC(O)LVoltageDependentCurrent(Order)Limitation采用低压限流的原因：当电压下降比较多时，逆变器将发生换相失败，如果过电流持续时间比较长，逆变器的换相失败将无法自行恢复；在低压下保持电流控制将大量增加无功需求，对交流系统造成不利影响。基本控制策略的应用及讨论：39γminJD0HGKI1VdF0BLEICAαId当电压降低到一个预定值以下时，限流装置经过一定的延时后，减小最大允许直流电流值。逆变器的特性与整流器的VDCOL匹配以保持电流裕度。基本控制策略的应用及讨论：低压限流VDC(O)L40低压限流VDC(O)L特性UdIoIordermaximumlimitationIoAbsMinIoLimIoAbsMaxUdhighUdlowUdNIorderminimumlimitation常规VDCL改进后的VDCL最小电流限制小电流可能造成直流电流的不连续或断续，而直流电流的间断会在变压器绕组和直流电抗器中感应出高电压；触发角限制通信失效或者直流线路故障的暂态期间，逆变器还应装设相应的相角限制器，以保证控制角不进入整流状态；一般情况，整流器却可以运行于逆变区，以便在某些故障条件下支持系统。因此，逆变器的βmax=(70º~85º)整流器的αmax=(90º~140º)基本控制策略的应用及讨论：基本控制策略的应用及讨论：InverterVDCL0.20.40.60.81.0Id(pu)1.00.80.60.40.2Ud(pu)OperatingPointatId=0.7puDCLineDropMax.Tapwithα=5ºRectifierVDCL1.0puIdrefImarg(0.1pu)Inv.UdControlγ=γMINOperatingPointatId=1.0puCEC0Rect.UdControl43慢速的分接头切换控制与快速的触发角控制相配合，能保持直流系统处于良好的运行状态。角度控制整流侧分接头控制α角在（13.0～17.0）内；逆变侧分接头控制γ角在（17.5～20.5）内；Udi0控制换流变阀侧电压在（99.1%～100.9%）内；换流变压器分接头切换控制基本控制策略的应用及讨论：44α过大，消耗的无功和Vd中的谐波分量将显著增大；α过小又将缩小可控范围。因此，通常利用换流变分接头的调节使α接近于正常值15º±2.5º。定电流控制:ααmin时，分接头调高一档，K1增大；ααmax时，分接头调低一档，K1减小；要求调节一档分接头后，α应回到给定的范围内。11221.35KEcos1.35KEcosdrdidLcrL