直流输电控制系统3-3

HVDC控制系统二0一0年三月四日一直流输电基本原理目录二三直流输电基本控制策略直流输电辅助频率控制一、直流输电基本原理HVDC输电系统的分类•两端HVDC输电系统：由两个换流站组成的直流输电系统。类型：两端直流输电系统，多端直流输电系统类型：i.单极类ii.双极类iii.同极类iv.背靠背•单极类：一线一地制、两线制一线一地制两线制－－＋＋Id－－＋＋IdHVDC输电系统的分类•双极类：两线一地制、两线制、三线制两线一地制两线制三线制Id－＋－＋－＋－＋IdHVDC输电系统的分类•同极类：两线一地制三线一地制Id－＋－＋－＋－＋IdHVDC输电系统的分类•背靠背(Back-to-Back)：单极类、双极类、同极类特点：没有直流线路的HVDC系统。适用性两个不同额定频率交流系统的互联HVDC输电系统的分类交流母线交流系统I无功补偿设备交流滤波器直流线路VdI换流站I平波电抗器直流滤波器桥I交流母线换流变压器断路器桥II图1.1HVDC原理图换流站II交流系统II无功补偿设备交流滤波器换流变压器VdII一、主要元件HVDC的主要元件2.换流器功能：将交流电转换成直流电,或者将直流电转换成交流电的设备。其中：整流器（Rectifier）------将交流电转换成直流电的换流器。逆变器（Inverter）------将直流电转换成交流电的换流器。1.换流变压器：功能：电压配合、隔离、抽头调节改善运行性能。HVDC的主要元件3.平波电抗器：功能：滤波、限流、防止电流断续、降低过电压、防止换相失败等。4.直流滤波器：功能：滤波。5.交流滤波器：功能：滤波、无功补偿。HVDC的主要元件图1.2三相全波桥式换流电路原理图MNV1V3V5V4V6V2ABC上半桥/共阴极半桥下半桥/共阳极半桥正极共阴极桥臂/阀臂/阀桥交流端负极共阳极HVDC的基本原理几个概念（1）控制角（也叫移相角）：从晶闸管开始承受正向电压，到其加上触发脉冲的这一段时间所对应的电角度（0～ωt1）。（2）导通角晶闸管在一个周期内导通的电角度（ωt1～π）。（3）移相改变控制角的过程，即改变触发脉冲出现的时刻的过程。这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。HVDC的基本原理一.电阻性负载ωt1～ωt2：在ωt1时刻，给VT1加触发脉冲，满足其导通的两个条件，假设此时共阳极组阴极电位最低的晶闸管VT6已导通。uvvuduuuuωt2～ωt3：u相相电压uu仍是最高，w相相电压uw为最负，在2点，给晶闸管VT2加触发脉冲，使其导通。uwwuduuuu任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态ωt3～ωt4：VT3和VT2导通，ud=uvwωt4～ωt5：VT4和VT3导通，ud=uvuωt5～ωt6：VT5和VT4导通,ud=uwuωt6～ωt7：VT6和VT5导通,ud=uwv不同α角时的输出波形导通时间比α=0°时推迟了30°正负各120°的对称的波形。ud波形出现了零点,是一临界情况VT1导通电阻性负载，只要α≤60°，ud和id的波形就是连续的。VT4导通α角的移相范围是0°～120°当α＞60°时ud的波形就出现断续了,每个线电压输出小于60°VT1导通VT4导通iv、iw的波形与iu波形形状一致，只是相位依次相差。HVDC的基本原理小结当a≤60时，ud波形连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当a60时，ud波形中有一段为零，ud波形不能出现负值带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是0～120HVDC的基本原理二.阻感性负载1.电路2.原理与电阻负载不同与电阻负载相同临界情况，即ud正好没有负电压的输出。3.数量关系（1）直流输出电压的平均值Udcos35.1cos34.2cos63)(sin632222323dlUUUttdUU（2）直流输出电流的平均值IddddRUI（3）有效移相范围（电感）是90～0HVDC的基本原理三相全波桥式整流电路小结：1.电路需有两只晶闸管同时导通，各120°换相一次。2.六只晶闸管依次导通，顺序与下标同。3.脉冲间隔为60°。4.输出电压波形每周期脉动6次，基波频率为300Hz。HVDC的基本原理变压器漏感对整流电路的影响变压器绕组上总是存在有一定的漏感的，交流回路也会有一定的自感，电流的换相是不可能在瞬时完成的，而要有一个过程，即经过一段时间，这个过程就称为换相过程。换相过程对应的时间常用相应的电角度来表示，称为换相重叠角，用μ来表示。HVDC的基本原理一.换流期间的整流输出电压uduvkuuu电流换相的过程中，两相的晶闸管都导通，相当于两相短路，两相之间的电位差（瞬时值）即为短路电压用uk表示如变压器漏感对整流电路的影响HVDC的基本原理换相期间换流回路的电压方程式为uvkT2uudtdiL换相期间的整流输出电压的瞬时值ud就变为2vukTukTvduudtdiLudtdiLuu二.换相压降的计算)()(23dvdtduuU)()2(23vuvtduuu)(23kTtddtdiLdTk0T2323dIXdiLIXT是变压器每相折算到二次侧的漏抗，且XT=ωLTHVDC的基本原理三相全波桥式逆变电路波形HVDC的基本原理逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。逆变失败与最小逆变角的限制当换流器作逆变运行时，从被换相的阀电流过零算起，到该阀重新被加上正向电压为止这段时间所对应的角度称之为熄弧角，又叫关断角。如果熄弧角太小，以致于晶闸管来不及完全恢复其正向阻断能力，又重新被加上正向电压，它就会重新不触发而导通，于是将发生倒换相的过程，其结果将使应该导通的阀关断，而应该关断的阀却继续导通，这称之为换相失败。换相失败的原因1.触发电路的原因脉冲丢失、脉冲分布不均匀2.晶闸管本身的原因3.交流电源方面的原因缺相、电源突然断电、电网电压波动使同步电压波动,造成脉冲丢失。4.逆变角β太小β＞γ(换相重叠角),正常。若β＜γ:如β=0时换流还没有结束，前一相继续导通，换相失败。双极12脉冲换流器两端直流输电系统如图所示：~~DC滤波器ACSiACSjAC滤波器AC滤波器平波电抗器图1.3双极12脉冲两端直流输电系统HVDC的基本原理ViVjPiIiQiIjPjQjVoiVdiVojVajRdcIdni:11:njVoicosVojcosRciRcjRdcIdVdiVdj+__+(a)稳态运行示意图(b)直流稳态运行等值电路XciXcjHVDC的基本原理cjcciojoiRRRVVIddcoscos直流线路电流dI3ciciciRXL3cjcjcjRXLciXcjXdcRoiV,其中：为换向电抗，在建模时用换流变压器漏抗代替，为直流线路阻抗，为理想空载直流电压，分别为整流站触发延迟角和逆变站的触发超前角。HVDC的基本原理iVdjVd直流电压由图1.3可得：ddcosIRVVcioiicosdjojcjdVVRIdPdQ直流输送有功功率和无功功率dddiiPVIdjddjPVIsincos(2)sinsin(2)didiQPHVDC的基本原理sincos(2)sinsin(2)djdjQP在整流侧，Pi、Qi方向指向直流换流变压器；在逆变侧，Pj方向指向交流系统，Qj方向指向换流变压器。这表明，无论有功功率方向如何，交流系统总是向直流系统提供无功功率。idiciQQQjdjcjQQQ考虑整流侧和逆变侧交流母线处无功补偿容量，实际注入到交流电网的无功功率为HVDC的基本原理二、直流输电基本控制策略高压直流控制系统的目的，是在保持每个极的最大独立性和不危及设备安全的条件下，对功率方向、功率的大小和变化速度提供有效并具有最大灵活性的控制。该控制系统应具有相当高速的控制性能，它能够对交流系统和直流系统的扰动作出很好的响应。控制系统应使高压直流系统消耗的无功功率最少。它还应能适应以下情况：•1)增加并控制无功功率消耗，必要时还可控制交流电压；•2)频率控制；•3)有功功率调制；•4)有功功率和无功功率联合调制；•5)次同步谐振（SSR）的阻尼；•6)远方控制。直流输电基本控制策略保持直流功率、电压、电流和控制角在稳态值范围内；限制暂态过电压和过电流；交直流系统故障后，在规定的响应时间内平稳地恢复送电。直流控制系统的主要作用:直流输电基本控制策略控制策略：1、当两侧交流系统中的电压波动不大时，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。直流输电基本控制策略直流输电系统的控制的本质：控制其传输的功率。2、为了快速、精确地调节功率，整流侧采用定电流控制(或定功率控制)，逆变侧采用定直流电压控制。目的：实现对直流电流和直流电压的直接控制。目标：控制直流系统传输的有功功率和两侧换流器消耗的无功功率。直流输电基本控制模块：低压限流控制(VDCOL)定电流控制(CCA)定熄弧角控制(AMAX)定电压控制(VCAREG)辅助控制模块：分接头控制(TCC)无功功率控制(RPC)直流输电基本控制策略图2.1逆变侧控制器结构图定熄弧角控制器直流线分接头控制定电压控制器直流电流直流电压直流电流测量值直流电压测量值电流指令主站功率指令到整流侧+换流站变压器触发角选择定电流控制器低压限流控制器无功控制直流输电基本控制策略CERectifierAlphaMinAlphaMinGInverterHH’G’DAWithVDCOLThecurrentmarginIdUdB1123Io图2.2华中高压直流控制系统特性曲线直流输电基本控制策略低压限流控制低压限流环节的任务是在直流电压或交流电压跌落到某个指令值时对直流电流指令进行限制。它的作用主要表现在如下几个方面：防止在直流系统发生换相失败等故障时某一换流阀长时间流过太大的电流而损坏；通过降低直流电流减少换流器吸收的无功，帮助交流母线电压的恢复；实现平稳快速的故障后恢复静态特性见图IolimMaxAbsIodlowUdhighUdNU直流输电基本控制策略定电流控制在极控制功能中定电流控制应用最为广泛。定电流控制的控制框图如图所示.在整流侧，定电流控制器的输入量是电流整定值TM3与实际电流TM4的偏差，由于这个偏差驱动PI调节器得到的输出即作为触发角的相关信号，通常PI调节器的输出就是直接作为触发延迟角的指令值ord直流输电基本控制策略定电流控制在逆变侧，定电流控制器的整定值比整流侧小一个电流裕额，因此在正常情况下，实际电流大于逆变侧的电流整定值，使得逆变侧的定电流控制总是按照减小直流电流的方向调节，因此角总被调节到其最大限制值，从而在逆变侧三个控制器输出选择中定电流控制器的输出总被排除在外。只有当实际直流电流小于逆变侧电流整定值时，逆变侧的定电流控制器的输出才可能在三个控制器输出中被选中。直流输电基本控制策略定电压控制在整流和逆变方式下都设置了定电压控制功能模块，这个控制器的功能是用于降压运行，但它也有利于正常方式运行，其控制也采用的是PI调节方式。直流输电基本控制策略定熄弧角控制绝大多数直流工程的熄弧角定值都在15°～18°的范围内，熄弧角这一变量可以直接测量，却不能直接控制，只能靠改变换流器的触发角来间接调节。熄弧角不仅与逆变侧触发角有关，还取决于换相电压和直流电流的大小。直流输电基本控制策略定熄弧角控制工程上实际应用的定熄弧角控制有两种类型，一种是闭环控制，也称为实测型控制，另一种是开环控制，也称为预测型控制。实测型控制根据换流阀的电流过零点信号和换相电压的过零点信号来确定实测的熄弧角，并与触发角的参考值进行比较，根据其偏差进行PI调节；预测型控制