ABB成套设计(三常中文)CFC

本文论述换流点火控制功能描述的基础知识。换流点火控制系统从极功率控制（PPC）接收电流指令，发出点火脉冲，进而维持设定的电流值恒定。HVDC输电系统的动态性能主要通过整定受电压影响的电流指令限制器（VDCOL）和电流控制放大器（CCA）的参数获得。在直流电压下降时，VDCOL将减小电流指令。这可以避免交流系统干扰中和干扰后功率输送的不稳定性。在交流系统故障清除后，这也提供了受控的、快速的再启动的可能。此外，这还能避免可控硅连续换相失败对设备造成的损坏。CCA主要是一个PI调节器，其比例部分执行瞬时变化，而积分部分则维持稳态时的Alpha值。CCA将具有足够的增益维持直流电流为电流指令值，它还具有合适的动态性能满足快速而平稳的变化要求。点火控制（FC）的目的是将CCA来的Alpha角转换为相应的点火脉冲。一些限制措施将执行从而保证点火发生在换流桥及可控硅阀性能所允许的时间限制范围内。控制脉冲发生器（CPG）将点火脉冲分发给相应的可控硅阀。CPG内还包括阀闭锁、闭锁并投“旁通对”、解锁及选择“旁通对”等功能。目录1说明1.1缩写2控制原理2.1整流侧和逆变侧的协调2.2闭环电流控制2.3两个闭环电流控制器之间的协调3电流控制3.1受电压影响的电流指令限制器（VDCOL）3.2电流控制放大器（CCA）4电压控制4.1线路开路试验控制（OLTC）4.2过电压限制器（OVL）4.3电压调节器（VCAREG）5点火控制5.1参考值和量化5.2运行模式解码器5.3逆变Gamma零启动（GAMMA0）5.4电流控制放大器限制（CCALIM）5.5AMIN参考值计算（AMINREF）5.6触发单元（FIREXEC）5.7点火模式解码（FMD）5.8角度测量（ANGLMEAS）5.9周期时间测量（FREQMEAS,PERTIME）5.10被控相位振荡器5.11Delta,Alpha限制（LIMCALC，FIRLIM）5.12Alfamax逆变控制（AMAX）5.13紧急点火6控制脉冲发生器6.1控制脉冲产生6.2“旁通对”解码7硬件描述7.1换流点火控制（CFC）7.2控制脉冲发生器（CPG）1说明本报告描述高压直流输电的换流点火控制（CFC）。下图1大略地说明了CFC的工作原理。图1电流指令（IO）从极功率控制来，经过受电压控制的电流指令限制器（VDCOL），再送至电流放大器（CCA）在点火控制中，CCA来的Alpha指令被限制在最大和最小值内。最小限中的一个来自于可控硅阀的电压判据（UMIN）。另一个最小限是ALPHAMIN，它在逆变运行时起作用，用于防止在整流区点火。Alpha的最大限通过预测换相完成后所剩余的电压-时间区域得到，可控硅的恢复时间是该极限的基础。控制脉冲在点火控制中产生，它们被送至控制脉冲发生器（CPG），在这里它们要么被闭锁，要么释放至阀控。一张显示各不同子功能块交互作用的较为详细的方框图见附件1。1.1缩写Io电流指令Id直流电流Ud直流电压Udi0理想空载直流电压CFC换流点火控制VARC电压及触发角参考值计算VDCOL受电压控制的电流指令限制器CCA电流控制放大器OLTC线路开路试验控制OVL过电压限制器VCAREG电压调节器AMIN换相后剩余的电压-时间区域UMIN可控硅点火最小电压REFCALC参考值和量化BSQCOM运行模式解码器GAMMA0逆变Gamma零启动CCALIM电流控制放大器限制AMINREFAMIN参考值计算FIREXEC触发单元FMD点火模式解码ANGLMEAS角度测量PERTIME周期时间测量FREQMEAS频率测量PCO受控相位振荡器PLL锁相环LIMCALCDelta,Alpha限制FIRLIM定时点火限制AMAXAlfamax逆变控制EMG紧急点火CPG控制脉冲发生器LCA逻辑单元排队BPP旁通对指令CP控制脉冲α点火角γ熄弧角μ迭弧角2控制原理本章将讨论HVDC输电的基本控制原理。2.1整流侧和逆变侧之间的协调一个单极HVDC输电系统见下图2.1。图2.1在直流输电系统中，整流侧的功率为：从上面等式可以看出，输送功率正比于整流侧和逆变侧电压之差，任一电压变化时都会导致输送功率变化。因此，HVDC的输送功率可以通过控制整流侧或逆变侧的直流电压进行控制。因为直流线路（电缆）的电阻相当小，故任一侧的电压变化都会引起电流的大变化，从而引起输送功率的大变化。在通常的两端直流输电中，其中一侧换流站控制直流电压，另一侧换流站控制直流电流。2.2闭环电流控制一个基本的闭环电流控制见下图2.2。它包括电流控制放大器（CCA）、点火控制（FC）及控制脉冲发生器（CPG）。图2.2控制误差△I（Iorder-Iresp）输入至CCA，CCA带有很高的增益和合适的动态性能从而使得电流控制系统稳定、迅速。CCA输出的Alpha指令作为FC的输入。FC的内部受控相位振荡器将新的Alpha指令与现有点火角进行比较，从而保证点火瞬间的正确性。因而控制误差就可减到很小，在稳态情况下实际为零。这样，闭环电流控制就形成了。2.3两个闭环电流控制器之间的协调在HVDC输电中，所有的换流器都提供了一个基本的闭环电流控制器。在常规的两端直流输电系统中，整流侧通常控制电流，而逆变侧通常控制电压。这可通过将逆变侧的电流指令减去一个裕度（通常为标称电流的10%）来实现。这样逆变侧的实际电流指令就比整流侧低。因闭环电流控制器总想达到设定的电流，逆变侧的控制器为了降低直流电流将增大其点火角，它将增大Alpha直到最大允许极限。因为直流电压是Cos(α)的函数，这就意味着逆变侧将输出最大反向电压。简而言之，电流指令最大的换流站将工作在整流状态，另一端换流站则工作在逆变状态。下图2.3显示了两个控制器的协调特性。图2.3在最初出现的逆变器特性中，逆变器工作在最小熄弧角（γ-min）模式，从整流侧看逆变侧就象是负阻抗（随着电流增加，电压下降）。这将给电流控制环带来一些问题。为了提高稳定性，逆变器的特性改为具有正斜率的特性，如上图2.3所示。该功能将在后面的5.12节（逆变器最大Alpha角控制）中描述。3电流控制整流器和逆变器的电流控制功能都包括以下两个子功能块：-受电压控制的电流指令限制器-电流控制放大器3.1受电压控制的电流指令限制器（VDCOL）当直流电压下降时，受电压控制的电流指令限制器将降低电流指令。设置受电压控制的电流指令限制器的主要原因是：-在交流系统扰动中和扰动后避免输送功率的不稳定性-交流和直流系统故障清除后提供快速、可控的再启动-避免可控硅连续换相失败给设备造成的压力-抑制恢复期间连续换相失败的可能性VDCOL的静态特性见图3.1.a：图3.1.aVDCOL是作用于电流指令的最后一道功能块，其输出将作为电流控制放大器的执行电流指令。VDCOL对Ud/Id特性的影响见下图3.1.b。图3.1.bVDCOL的简化方框图见下图3.1.1。图3.1.1从图3.1.1可以看出，电流指令有一个最小限制值（IOABSMIN）。设置该限制值的原因是用于防止换流器导通期间因电流太小而导致电流关断。IOABSMIN通常设为0.1p.u.，但在某些应用情况下可能需要减小该限制值。比如当HVDC用于所联网络的频率控制时，该限制值可能需要减小至零。这使得换流器以非常低的负荷进行启动成为可能。然而当发生连续的电流关断时必须限制换流器在低负荷水平运行的时间。在这种工作模式下，将给可控硅阻尼回路带来很大的压力。VDCOL功能也包括一个电流指令的最大限制值（IOABSMAX），该限制值通常设定为等于最大过负荷限制值。如果因某个原因直流电压下降到低于UDHIGH（见图3.1.a），则电流指令的最大限制值也将开始下降。当输入超过该限制值水平时，它将降低输出的电流指令（IORDLIM）。降低电流指令是防止逆变站因交流系统故障而导致电压不稳定的手段。当逆变侧有一个很强的交流系统网络时，可能可以降低UDHIGH的电压水平。当整定UDHIGH的电压水平时，极降压运行及其它可能降低直流电压的工作模式，如无功控制等，都应纳入统筹考虑。当实际的电流指令低于最大电流指令时，则只有在低于UDHIGH的某个电压值时才会减小电流指令，这取决于什么时候电流指令最大限到达实际的电流指令值。当逆变侧交流网络很弱时可能导致电压失稳。为了避免这种情况，VDCOL配有一种功能使得对IOLIM和IOABSMAX之间的任意电流指令UDHIGH都保持一致。于是，当实际电流指令低于IOABSMAX时，IOLIM和IOABSMAX之间的最大电流指令斜率将下降。如果直流电压连续下降至低于UDLOW时，电流指令最大限制值的下降将停止，并维持在IOLIM水平。IOLIM通常为0.3p.u.从而防止阀因连续换相失败（阀导通360度而不是120度）给阀造成的压力。如果需要的话，IOLIM当然可以设置为低于0.3p.u.的值。然而，如果设置IOLIM很低的话，当交流系统故障被清除后，因输入给电流控制放大器的电流指令也很低，这将使得再启动时间延长。VDCOL在UD的输入回路配有一个LP滤波器，其UD上升或下降的时间常数是不同的。作为整流站和逆变站运行时，其UD上升的时间常数通常也不同。通常为了保证不失去电流裕度，整流站的时间常数要低一点。参数的整定应保证故障清除后的可控再启动。故障时为了强迫快速减小电流指令，UD下降的时间常数通常很低（10ms或更低）。这是为了防止逆变侧故障时连续换相失败。逆变侧故障时，如果有某种因素能降低整流侧的交流电压，则UD下降的可整定得高一些。另一个抬高其时间常数的理由是交流系统足够强从而允许快速启动。整流站和逆变站时间常数之间的差别也对再启动时间有影响。通常，整流站的时间常数应小于或等于逆变站的时间常数。逆变站过短的时间常数将使得逆变站的电流指令暂时高于整流站，这将使故障后不能再启动。3.2电流控制放大器（CCA）电流控制放大器的主要目的是给出电流控制环的正确的动态响应。电流控制环必须达到：-足够快的响应速度-稳态时的零电流误差-稳定的电流控制-故障时快速降低过电流-允许两个电流控制器（整流和逆变）工作电流控制放大器的输出形成了送到换流点火控制的Alpha指令。一个慢速的反馈环必须使电流控制器和交流网络同步。通过这种与电网电压的弱联系，谐波不稳定性的问题减轻了。电流控制放大器的传递函数如图3.2所示。图3.2从上述传递函数可看出，对低频信号其增益很高。这意味着在稳态时电流误差为零。为了对低频信号获得很高的增益，电流控制放大器中包含有积分部分，积分器的增益为KI=1/TI（el.deg./p.u.currentsec）。HVDC输电系统电流控制稳定性通常有一个5-20Hz的临界频率，这取决于直流输电线路、所联的交流系统网络等。为了对该临界频率得到足够的相位裕度，CCA增加了低通滤波器。积分器和低通滤波器的结合构成了上面所示的CCA的传递图。传递函数可写为：CCA的最小相位滞后发生在：如果点火控制（FC）和电流控制环的临界频率同时发生时就会获得最佳的相位裕度。电流控制放大器的简要图如下图3.2.1所示。图3.2.1必须选择总的增益（K和TI相结合）从而获得正确的动态响应。为了达到两个电流控制器（整流和逆变）一体化的目的，作为逆变运行时，将在电流指令和电流响应之间的差异上增加一个电流裕度。这将强迫逆变侧的CCA工作在最大延时角（INTMAX），即逆变侧输出最高直流电压。CCA的积分部分和最终输出都包括有最大及最小限制。这些限制用于在特定环境下整定CCA的作用范围。在暂态控制时，它们也可用于强迫点火角变化至预先确定的水平（详见5.4节）。4电压控制电压控制包括以下三个子功能：-线路开路试验控制-过电压限制器（仅在整流运行时）-电压调节器4.1线路开路试验控制（OLTC）线路开路试验是一种试验功能，用于运行人员手动给直流侧充电。当经过一段较长时间的停电后，使用该试验功能测试直流侧的绝缘情况。线路开路试验由手动启动。直流电压可由运行人员设置到一个期望值。整流端产生正极性直流电压，而逆变