高压直流输电(第4章)

第四章高压直流输电系统的控制和特性学习目的：1、掌握HVDC输电系统的控制特性；2、了解换流器触发脉冲控制系统；3、了解阀的闭锁和旁路以及起动、停运和潮流逆转的概念。4.1控制的基本原理ciLcrdoidordRRRVVIcoscos整流器终端的功率为：ddrdrIVP逆变器终端的功率为：2dLdrddidiIRPIVP整流器三相交流系统直流线路逆变器三相交流系统高压直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势（）和（）来控制线路上任一点的直流电压以及线路电流（或功率）。这是通过控制阀的栅／门极的触发角或通过切换换流变压器抽头以控制交流电压来完成的。栅／门极控制速度很快（1到10毫秒），而变压器抽头切换速度较慢（每级切换为5到6秒），以互相补充的方式应用这两种控制。开始时应用栅／门极控制以保证迅速的作用，之后由抽头切换将换流器控制角（整流器的α角和逆变器的γ角）恢复到正常范围。变更功率输送的方向，可采取更换两端的直流电压极性的方法。cosdorVcosdoiV在选择控制特性时，应该考虑下列要求：（1）防止交流系统电压的变化引起直流电流的大波动；（2）保持直流电压在额定值附近；（3）保持送端和受端的功率因数尽可能高；（4）防止逆变器的换相失败和使用汞－弧阀的整流器的逆弧。运用换流器的快速控制来防止直流电流的大波动，这是保证HVDC线路满意运行的一个重要要求。由于线路和换流器的电阻很小，因而或的微小变化就能引起Id的大变动。例如：整流器或逆变器的电压变化25%，将引起直流电流变化达100%。这意味着，如果和保持恒定，任一端的交流电压幅值的小变化会引起直流电流在一个很大的范围内变动。考虑到保证系统的良好性能，这种变化一般是不允许的。另外，最终电流可能高到足以损害阀和其它设备。所以，防止直流电流波动的快速换流器控制对系统的正确运行是至关重要的。如果没有这种控制，HVDC系统将是不切实际的。在给定传输功率下，沿着线路的直流电压分布应接近额定值。这样会使直流电流达到最小值，从而线路损耗最小。以下是维持高功率因数的几个原因：（1）在给定变压器和阀的电流和电压额定值的条件下，使换流器的额定功率尽可能高；（2）减轻阀上的应力；（3）使换流器所连接的交流系统中设备的损耗和电流额定最小；（4）在负荷增加时，使交流终端的电压降最小；（5）使供给换流器的无功功率费用最小。要得到高功率因数，必须保持整流器的α角和逆变器的γ角尽可能小。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α角限制，大约为5°。譬如说，对于晶闸管整流器，触发前在每个晶闸管上出现的正电压是用来向晶闸管提供触发脉冲能量的供电电路充电。所以，在α=5°之前不可能产生触发。因而，整流器正常运行时的α角的范围为15°到20°。这样，留一些升高整流器电压的裕度来控制直流功率潮流。对逆变器来说，必须维持一个确定的最小熄弧角以避免换相失败。确保换相完成且带有足够的裕度是很重要的，这样可在α=180°或γ=0°换相电压反向之前允许去游离。熄弧角γ等于β-μ，叠弧角μ决定于Id和换相电压。因为即使换相已开始，仍存在直流电流和交流电压改变的可能性，所以在最小γ角限制之上必须维持足够的换相裕度。典型地说，对50Hz系统γ值的可采纳的裕度为15°，对60Hz系统则为18°。)cos(cos5.0)cos(cos5.0cos4.1.2控制特性（一）理想特性为满足以上所表明的基本要求，应将电压调节和电流调节加以区别，并将它们分置在不同的换流端。在正常运行条件下，整流器维持恒定电流（CC），逆变器运行在恒定熄弧角（CEA）以维持足够的换相裕度。用稳态电压－电流（V-I）特性可以很好地解释这种控制机理。以电压Vd和电流Id形成坐标，在直流线上的某个公共点可以测量出它们的值。当整流器保持恒定电流时，它的V-I特性是一条垂直线，如图中AB线dciLdoidIRRVV)(cosBACD整流器(CC)逆变器(CDA)E运行点上式给出了γ保持在固定值时的逆变器特性。如果换相电阻Rci略大于线路电阻RL，逆变器的特性直线斜率为负且较小，如图所示的CD线。由于在一种运行条件下必须同时满足整流器和逆变器特性，因此它由两条特性的交点（E）确定。dciLdoidIRRVV)(cos通过调节“电流指令”或“电流整定值”可以使整流器特性水平移动。如果测量电流小于电流指令，调节器就会减小α而提前触发。通过逆变器的变压器抽头切换装置的作用，它的特性会升高或降低。当抽头切换装置动作时，CEA调节器迅速将γ恢复到期望值。其结果是直流电流改变，但很快会被整流器的电流调节器恢复到期望值。整流器抽头切换装置动作，将α控制在10°到20°的期望范围内以确保高功率因数和控制的适当裕度。为了使逆变器运行在恒定的γ角，根据电压和电流瞬时值的变化用计算机来控制阀的触发。计算机控制触发时刻，使得熄弧角γ大于阀的去游离角。（二）实际特性整流器通过改变α角来维持恒定电流。但是，α角不能小于它的最小值（αmin）。一旦达到αmin，就不可能再升高电压，整流器将运行在恒定触发角（CIA）。所以，整流器特性曲线实际上有两部分（AB和FA），如图所示。FA部分对应于最小触发角并且表示CIA控制方式；AB段表示正常的恒定电流（CC）控制方式。实际上，恒定电流特性不会绝对垂直，这取决于电流调节器。采用比例控制器时，由于电流调节器的增益有限，恒定电流特性直线的斜率为负且较大，如图所示。用扰动值表示为:dcrddorddoIRVIIKV)(cosdcrorddIRKKIV)(dcrdIRKV)(或)(/crddRKIVF'逆变器(CC)降低电压CFEBDGA整流器(CIA)正常电压E'整流器(CC)逆变器(CEA)HImKIordIdVd0COSα采用比例和积分调节器时，恒定电流（CC）特性是非常垂直的。在正常电压下的整流器特性由FAB确定。当电压降低，特性曲线亦移动，如F’A’B所示。在正常电压下，逆变器的恒熄弧角（CEA）特性曲线和整流器特性曲线相交于E。可是，逆变器的CEA特性（CD）不会和由F’A’B表示的在降低电压下的整流器特性曲线相交。所以，整流器电压的大幅度降低会引起电流和功率在短时间内下降到零，这个时间取决于直流电抗器。从而系统将会停运。为了避免上述问题，逆变器也要配置一个电流控制器，其整定的电流值比整流器的电流整定值小。完整的逆变器特性曲线由DGH给出。它包括两部分：一部分为怛定熄弧角（CEA）特性曲线，一部分为恒定电流特性曲线。整流器的电流指令和逆变器的电流指令的差值称为“电流裕度”，在图表示为Im。通常它整定在额定电流的10%到25%，以确保在由测量或其它原因引起误差的情况下两条恒定电流特性曲线彼此不会相交。在正常运行条件下，（由交点E表示），整流器控制直流电流，逆变器控制直流电压。整流器电压降低时（可能由附近的故障引起），运行条件用交点E’表示。逆变器转而进行电流控制而整流器建立电压。在这种运行方式下，整流器和逆变器的作用互换。从一种方式变化到另一种方式称为“方式切换”。（三）整流器和逆变器的组合特性在大多数HVDC系统中，要求每一个换流器既可作整流器，也可作为逆变器使用。因而，每一个换流器都有一个组合特性曲线，如图所示。0E1E2ImIdVd换流器1CIACCCCCIA换流器2换流器1CEACEA换流器2每个换流器的特性曲线包括三部分：相应于αmin的恒定触发角（CIA）特性曲线，恒定电流（CC）特性曲线和恒定熄弧角（CEA）特性曲线。当换流器特性如图中实线所示时，功率由换流器1输送到换流器2。在这种运行方式下的运行条件用点E1表示。当换流器特性如图4.5中虚线所示时，功率输送方向逆转。这可以通过反置“裕度整定”来达到。也就是说，使换流器2的电流整定值大于换流器1的电流整定值。这种运行条件用图中E2表示；电流不变，但电压极性改变。（四）可选择的逆变器控制方式（1）直流电压控制方式用闭环电压控制取代调节γ到固定值（CEA），可以保证在直流线路上的一个期望点维持恒定电压，通常该点为送端（整流器）。维持期望的直流电压所必需的逆变器电压可以通过计算线路的R1电压降来估计。与恒定γ角控制（有下降的电压特性曲线）相比较，这种电压控制方式的优点在于，它的逆变器V-I特性曲线是一条水平线，如图所示。另外，这种电压控制方式的γ值略高，因而换相失败的可能性较小。一般来说，和抽头切换装置相配合，该电压控制方式维持γ角在大约18°。VdIdCCCCIdVdCCCCCIACEAIdVdVdCIACEACCIdCCA''方式混淆A'CEACCCCCIACCCCCIACEAVdIdVdId正斜率（恒β）恒电压（2）恒定β角控制用触发超前角β表示的逆变器等值电路如图所示。β保持恒定时，逆变器的V-I特性曲线斜率为正，如图所示。在低负荷时，恒定的β还能保证不会产生换相失败。可是，在较高的电流（较大的叠弧）下，会遇到最小γ值问题。恒定β控制方式并不用于正常运行状态。它被认为是一种备用的控制方式，在暂态条件下直接作用于触发角是有益的。（五）控制方式的稳定性如图所示，在接近于逆变器的CEA特性曲线和CC特性曲线的过渡部分的某些电压水平下，整流器的αmin特性曲线和逆变器的CEA特性曲线的交点不能很好地确定。在这个区域内，交流电压的微小变动将引起直流电流的大改（100%），而且会在控制方式与抽头切换之间产生来回摆动的趋势。为避免这个问题，经常在逆变器的CEA和CC控制特性曲线的过渡部分引入一个斜率为正的特性（恒定β）。另一种变化如图所示，它是通过一个电压反馈回路来控制直流电压。（六）变压器抽头的控制变压器抽头切换装置的控制是用来将换流器的控制角保持在期望范围内，只要α（整流器）或γ（逆变器）超过这个范围的时间达几秒钟就动作。一般地，逆变器运行在恒定熄弧角，因此利用抽头切换装置对线路电压进行附加电压控制。整流器运行在电流控制方式时，也附加由抽头切换装置进行的使α回到额定值的控制。常常由允许的稳态电压的最小和最大变化来确定抽头切换的级数，同时它也要适合最坏稳态电压条件下的最小和最大功率潮流。采用时间延迟可以防止暂态条件下抽头的不必要的切换。用一个大于抽头每级间隔值的死区可以避免抽头切换装置运行时发生来回切换。（七）电流限制确定电流指令时必须考虑如下限制。（1）最大电流限制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。（2）最小电流限制当电流值较低时，电流的波动会引起它的不连续或间断。因此，在12脉波的运行情况下，电流在一个周期内会被中断12次。这种情况是不允许的，因为在中断瞬间电流变化率很高，会在变压器绕组和直流电抗器上感应出高电压（Ldi/dt）。当直流电流处于低值时，叠弧很小。如果叠弧太小，即使电流连续也不允许发生这种情况。当叠弧很小时，在换相开始和结束时的直流电压出现两次跳变，形成一个两倍大的跳变，如果会导致阀上应力的增加。它也可能引起每个阀桥两端之间设置的保护间隙发生闪络。（3）依赖于电压的电流指令限制（VDCOL）在低电压条件下，要想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或不可能的，其原因如下：（i）当一个换流器的电压降超过30%时，和它相隔很远的换流器的无功需求将增加，这对交流系统可能有不利的影响。远端换流器的α或β必须更高以控制电流，因而引起无功功率的增加。系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器所提供的无功功率明显减少，而通常换流器吸收的无功功率大部分由它们提供。（ii）当电压降低时，也会面临换相失败和电压不稳定的风险。这些和低电压条件下的运行状况有关的问题可通过引入“依赖于电压的电流指令限制”（VDCOL）来防止。当电压降低到预定值以下时，这个限制降低了最大容许直流电流。VDCOL特性曲线可能是交流换相电压或直流电压的函数。图中表示出了这两种类型的VDCOL。VacId理想IdmaxVacV1V2依赖于电压的电流指令