高压直流输电与柔性交流输电课件

1、高压直流输电与柔性交流输电第三章第三章 高压直流输电系统的高压直流输电系统的 控制与保护控制与保护 动力与电气工程系动力与电气工程系王王 斌斌高压直流输电与柔性交流输电高压直流输电系统的控制与保护n高压直流输电的一个显著特点： 通过对两端换流器的快速调节，控制直流线路输送功率的大小和方向，改变直流系统的运行特性，满足整个交直流联合系统的运行要求。n直流输电系统的性能，极大地依赖于它的控制系统 。高压直流输电与柔性交流输电3.1 两端直流输电系统的基本控制原理 直流系统中的直流电流 drdidVVIR直流线路的输送功率 dddPV I整流器的Vd-Id 特性drdorcrdcosVVR I逆变器

2、的Vd-Id 特性didoicidcosVVR I高压直流输电与柔性交流输电3.1 两端直流输电系统的基本控制原理 从整流侧流向逆变侧的直流电流为 逆变器的Vd-Id 特性didoicidcosVVR IdordoidcrcicoscosVVIRRRdordoidcrcicoscosVVIRRR或高压直流输电与柔性交流输电3.1 两端直流输电系统的基本控制原理 ,( ) 整流侧和逆变侧换流变压器的阀侧空载电压，通过调节换流变压器的分接头加以调节，其响应速度与触发控制角相比要慢得多，通常换流变压器每调节一档需要510s。 直流输电系统的4个控制量 ,( ),dordoiVV 整流侧和逆变侧的触发

3、控制角，具有极快的响应速度，通常在14ms之内。 ,dordoiVV高压直流输电与柔性交流输电3.1 两端直流输电系统的基本控制原理 didoicidcosVVR I逆变器的Vd-Id 特性didoicidcosVVR I整流器的Vd-Id 特性drdorcrdcosVVR I高压直流输电与柔性交流输电3.1 两端直流输电系统的基本控制原理 直流输电系统的理想运行特性 n由于整流运行和逆变运行各自的特点不同，通常将控制直流电流恒定的任务放在整流侧，而将控制直流电压恒定的任务放在逆变侧。因此理想条件下整流器的运行特性是一条垂直线，逆变器的运行特性是一条水平线。 高压直流输电与柔性交流输电3.2

4、换流器基本控制方式及其配置换流器基本控制方式及其配置3.2.1 换流器基本控制方式换流器基本控制方式电流裕度法电流裕度法 ：整流侧由定直流电流和定最小触发角两段直线构成；逆变侧由定直流电流和定关断角或定直流电压(图中虚线)两段特性构成。为了避免两端电流调节器同时工作引起调节的不稳定，逆变侧电流调节器的定值比整流侧一般小0.1p.u.(标么值)，这就是电流裕度。 n0高压直流输电与柔性交流输电3.2.2 整流器的基本控制配置整流器的基本控制配置高压直流输电与柔性交流输电3.2.2 整流器的基本控制配置整流器的基本控制配置（1）最小控制特性AB段 ddorcrdcosVVR I（2）定电流控制特性

5、BC段 换流阀的电流上限指定为 Imax =1.2p.u（3）低压限流（VDCL）控制特性CD段或CD 避免逆变器长时间换相失败，保护换流阀。 在交流系统发生故障后，减小直流电流和换流器吸收的无功功率，有利于交流电压的恢复；在交流系统远端故障后的电压振荡期间，可以起到类似动态稳定器的作用。 在交流系统故障切除后，为直流输电系统的快速恢复创造条件。 高压直流输电与柔性交流输电3.2.2 整流器的基本控制配置整流器的基本控制配置（4）最小电流Imin限制特性DE段 Imin的典型值为0.20.3p.u. （5）直流电压控制 主要目的是限制过电压。其电压整定值通常略高于额定直流电压值(如1.1p.u

6、)，当直流电压高于其定值时，它将加大角，起到了限压的作用。高压直流输电与柔性交流输电3.2.3 逆变器的基本控制配置逆变器的基本控制配置（1）定关断角控制特性 SR段 n这条直线的斜率通常比整流器的特性的斜率大，它由逆变侧交流系统的相对强度决定的。n关断角可以直接测量，却不能直接控制，只能靠改变逆变器的触发角来间接调节。关断角不仅与逆变器的触发角有关，同时还与直流系统其他变量有关。 ddoicidcosVVR IdciLcoscos( 2) / 3I RE高压直流输电与柔性交流输电3.2.3 逆变器的基本控制配置逆变器的基本控制配置（2）定电流控制特性ST段n为了保证直流系统只有一个运行点，该

7、运行点为整流器特性曲线和逆变器特性曲线的交点N，通常需要在整流侧电流指令值（Idor）和逆变侧电流指令值（Idoi）之间设置一个电流裕度 Id=0.1p.u。n在正常工况下，逆变器定电流调节器不参与工作。n当整流侧直流电压大幅度降低或逆变侧直流电压大幅度升高时，由整流器最小触发角控制起作用控制直流电压，逆变器定电流控制起作用控制直流电流。n应配备自动电流裕度补偿功能，来弥补与电流裕度定值相等的电流下降，以尽量减少直流输送功率的降低。高压直流输电与柔性交流输电3.2.3 逆变器的基本控制配置逆变器的基本控制配置（3）直流电压控制n当受端电网交流电压下降而导致直流线路电压降低时，为了保证直流电压不

8、变，电压调节器将减小逆变器角，这就使逆变器消耗的无功功率减小，从而有利于换流母线电压的恢复。此外，在轻负荷时，定电压控制可获得较大的关断角，从而更加减小了换相失败的几率； n当受端为弱交流系统时，逆变器的正常控制方式往往采用定电压控制，而定关断角控制则作为限制器使用，以防止关断角太小时发生换相失败。高压直流输电与柔性交流输电3.2.3 逆变器的基本控制配置逆变器的基本控制配置（4）低压限流控制特性TUn低压限流控制的直流电压动作值，按照工程经验，逆变站取0.750.35p.u。直流电流定值，逆变侧通常取0.10.3p.u.，个别工程取0。（5）最小触发角限制模式TUn为了防止逆变器进入整流运行

9、模式，即使在暂态情况下也不允许。此外，100O110O能保证逆变器在直流系统从零电流快速启动具有一个最小的直流电压。（6）最大触发角限制模式n为了防止逆变器触发角太大，引起换相失败，需设置最大触发角限制，此限制值通常在150160之间。高压直流输电与柔性交流输电3.3 定电流控制定电流控制n正常运行时，整流侧定电流运行，逆变侧处于定关断角运行。n如果整流侧交流电压下降，整流侧电流调节器动作，减小触发角，增大直流电流，如果触发角处于最小值（5）还不能维持设定的直流电流，此时整流侧由定电流运行转向定最小触发角运行，逆变侧转向定电流运行。 高压直流输电与柔性交流输电3.3 定电流控制定电流控制高压直

10、流输电与柔性交流输电3.4 定电压控制定电压控制n定电压控制主要是为了防止产生过高的直流电压。直流电压控制器的参考值设置的比额定直流电压值高10%，这样正常运行时，直流电压控制器不会起作用。n整流侧的直流电压闭环控制的目的是调节整流侧的直流电压在最大限制值以下，特别是在直流线路开路或者逆变器闭锁时，直流电压闭环控制快速响应防止直流过电压。n逆变侧的直流电压控制的目的是限制直流电压在直流电压设定值之下，该控制器在正常情况下不会起作用。高压直流输电与柔性交流输电3.4 定电压控制定电压控制n直流电压控制误差的计算对整流侧和逆变侧是不一样的。n整流侧直流电压的误差=Vdref-Vd。n逆变侧直流电压

11、的误差= Vd-Vdref。高压直流输电与柔性交流输电3.5 3.5 定关断角控制定关断角控制 n当换流器作为逆变器运行时，为了防止换相失败，逆变侧必须设定关断角控制 。n定关断角控制具有提高交流侧功率因数及提高逆变器的利用率的作用。n逆变器的关断角控制，采用与定电流控制相似的做法，不过，这种情况下需要测量角。 ddoicidcosVVR I高压直流输电与柔性交流输电3.5.1 角的测量方法n测量进入导通阀的触发时刻和即将退出阀的电流过零时刻来确定换相角的值， n测量进入导通阀的触发时刻到换相电压从负变正过零点时刻之间的时间段，确定触发超前角。高压直流输电与柔性交流输电3.5.1 角的测量方法

12、n换相电压从负变正过零点的时刻即为的计时波形与控制电压相等的时刻，因此可以将控制电压与计时波形接入比较器，获得角的终止时刻。高压直流输电与柔性交流输电3.5.1 角的预估方法n预估换相结束后剩余的换相电压与时间轴之间的面积，为了换相成功，这个面积必须大于指令最小面积。 n选择电压与时间轴之间的面积是因为阀阻断能力的恢复与剩余的电压-时间面积有关，而不只与剩余的时间有关。 高压直流输电与柔性交流输电3.5.1 角的预估方法n换相完成之后剩余的电压时间面积为 nkId为换相过程中的电压时间面积与直流电流成正比；n积分项可用一个三角形面积来近似：nt*是到下一次换相电压过零点的预估计剩余时间：m2a

13、cd2/ 2( )(sin)(/ 2)TAtet dtkITt*k2p2( )( )( )2Utt tA t*n/ 2tTt高压直流输电与柔性交流输电3.5.1 角的预估方法nUK为控制电压，与触发角大小有关 。n预估过程依据如下关系 n估计误差为 n触发状态的完整表达式被定义为： *kmpred( )( )( )2dUtt tAtkImpredmrealAAAmpredmref1()()kkAAA 高压直流输电与柔性交流输电3.6 3.6 直流输电控制系统的分层结构直流输电控制系统的分层结构 来自调度中心直流指令Id0触发角指令0高压直流输电与柔性交流输电3.6 3.6 直流输电控制系统的分

14、层结构直流输电控制系统的分层结构n直流输电控制系统的3个层次在响应时间上有较大差别，控制的层次越高，响应速度越慢。例如第1层功率阶跃变化时的响应时间一般在100ms左右，而第3层触发角指令变化的响应时间只需要14ms。 高压直流输电与柔性交流输电3.6 3.6 直流输电控制系统的分层结构直流输电控制系统的分层结构3.6.1 双极控制器 n直流功率调制可以有效提高交流系统机电振荡模态的阻尼；可以参与非同步联网的两端交流系统的调频。n快速功率变化包括功率提升和功率回降，主要用于对直流所连两端交流系统或并列输电交流线路的紧急功率支援。高压直流输电与柔性交流输电3.6 3.6 直流输电控制系统的分层结

15、构直流输电控制系统的分层结构3.6.2 极控制器 n为了阻尼交流系统振荡，直流系统常采用调制控制，调制信号可以是功率信号，也可以是电流信号，但采用电流调制，调制信号直接加在定电流控制器上。 高压直流输电与柔性交流输电3.6 3.6 直流输电控制系统的分层结构直流输电控制系统的分层结构3.6.3 阀组控制器 （1）变压器分接头（TC）控制回路动作相对较慢（2）换相失败（CF）控制器高压直流输电与柔性交流输电3.7 3.7 直流输电控制系统功能直流输电控制系统功能 n直流控制系统的主要功能有：（1）直流输电系统的起停控制；（2）两端之间的潮流控制；（3）保护设备免受故障产生的过电压和过电流；（4）

16、抑制换流器不正常运行及对所连交流系统的干扰；（5）在直流系统任何运行方式下稳定所连接的交流系统；（6）对换流站、直流线路的各种运行参数，如电压及电流等以及控制系统本身的信息进行监视；高压直流输电与柔性交流输电3.7 3.7 直流输电控制系统功能直流输电控制系统功能 n两端连接交流输电系统的典型直流输电系统 高压直流输电与柔性交流输电3.7 3.7 直流输电控制系统功能直流输电控制系统功能 n直流控制还应具有以下特性：（1）限制最大直流电流。一般限制在1.2p.u以下，并限定一段持续时间。（2）输电过程中维持最大直流电压，降低输电损耗。（3）使无功消耗最少。在额定负荷运行时，换流器消耗的无功功率

17、可达额定输送功率的4060。换流站需投入大量的无功补偿容量，可以占到换流站成本的15%。（4）其他特性。如控制孤立系统的频率以及加强电力系统的稳定性等。（5）满足直流系统的稳态和动态要求。 高压直流输电与柔性交流输电3.7.1 3.7.1 直流输电起停控制直流输电起停控制 （1 1）正常起停）正常起停n 直流输电系统正常工作时的起动和停运，包括换流变压器网侧断路器操作、直流侧开关设备操作、换流器解锁或闭锁、直流功率按给定速度上升到整定值或下降到最小值的全过程。 起动时，为了缩短在起动过程中直流电流发生间断的持续时间，电流调节器的整定值不是从零开始上升，通常取开始起动时的整定值等于或略大于稳态直

18、流电流的最小允许值，在工程中通常取为额定直流电流的10%。 起停过程中，交流滤波器组随直流功率的增加或减小而逐组投入或切除，以满足无功补偿和谐波滤波的要求。高压直流输电与柔性交流输电高压直流输电与柔性交流输电3.7.1 3.7.1 直流输电起停控制直流输电起停控制 （2 2）故障紧急停运）故障紧急停运n故障紧急停运要达到的目的：q（1）迅速消除故障点的直流电弧；q（2）跳开交流断路器以与交流电源隔离。n故障紧急停运过程：q迅速将整流器触发角移相到120至150，也称快速移相。快速移相后，直流线路两端换流器都处于逆变状态，将直流系统内所储存的能量迅速送回两端交流系统。q当直流电流下降到零时，分别

19、闭锁两侧换流器的触发脉冲，继而跳开两侧换流变压器的网侧断路器，达到紧急停运的目的。高压直流输电与柔性交流输电3.7.1 3.7.1 直流输电起停控制直流输电起停控制 （3 3）自动再起动）自动再起动n直流输电架空线路瞬时故障后，迅速恢复送电的措施。n为了提高再起动的成功率，在第二次再起动时，可适当加长整定的去游离时间，或减慢电压上升速度，或降低要升到的直流电压水平，然后再起动。n经过预定的再起动次数，均未成功，则认为故障是持续性的，此时就发出停运信号，使直流系统停运。n由于控制系统的快速作用，直流输电的自动再起动时间比交流系统的自动重合闸时间短，对两端交流系统的冲击也较小。n对于直流电缆线路，

20、由于其故障多半是持续性的，故不宜采用自动再起动。 高压直流输电与柔性交流输电高压直流输电与柔性交流输电3.7.2 3.7.2 直流输电控制模式直流输电控制模式 （1）定功率模式）定功率模式 n作用：作用：将指定的功率测控点的直流功率，保持在主控站运行人员整定的功率定值上。直流功率测控点，一般设定在整流站直流线路出口。n在暂态期间或检测到功率控制器发生故障时，应能自动地从定功率控制方式切换到定电流控制方式 ，切换前后电流值之差应小于额定电流的1%，扰动过后切换回功率控制时，也应该是平稳的。高压直流输电与柔性交流输电3.7.2 3.7.2 直流输电控制模式直流输电控制模式 （2）定电流模式）定电流

21、模式n作用：保持直流极线电流为整定值。由于定电流控制环路的响应比定功率控制环路快，因而直流系统在遭受剧烈扰动时，可以把控制方式从定功率控制切换到定电流控制，以提高系统稳定性。n在定功率控制模式情况下，若两换流站间通信回路发生故障时，控制系统则从定功率控制自动转换到定电流控制，此时逆变站应自动保持电流裕度。n当两换流站间通信故障时间较长，但站间还可通过电话联系的情况下，控制系统应仍能允许直流系统继续运行，这种控制方式叫做应急电流控制方式。由于站间通信是以极为基础设置的，因而应急电流控制也应各极分别设置。高压直流输电与柔性交流输电3.7.2 3.7.2 直流输电控制模式直流输电控制模式 （3）降压

22、运行模式）降压运行模式n作用：在直流线路绝缘降低，不能经受全压的情况下，进行降压运行。n降压运行有手动和自动两种方式。n全压运行和降压运行之间的转换速度及降压幅度都应是可调的，以适应系统变化的需要。n要求：q全压到降压的转换速度快，以利于运行操作。q直流降压运行的电压定值一般取0.70.8p.u。高压直流输电与柔性交流输电3.7.3 3.7.3 换流站无功功率控制换流站无功功率控制 n换流站无功功率控制：通过调整无功补偿设备的投入容量或改变换流器吸收的无功功率，将换流站与交流系统交换的无功功率控制在规定的范围内(无功功率控制方式)，或将换流站交流母线电压控制在规定的范围内(交流电压控制方式)。

23、n无功功率控制方式有利于所连的交流系统无功功率的平衡；n交流电压控制方式有利于弱受端交流系统的电压稳定性。 高压直流输电与柔性交流输电3.7.3 3.7.3 换流站无功功率控制换流站无功功率控制 n直流输电系统运行时，无论是整流器还是逆变器都要消耗一定的无功功率，其数值与输送直流功率的大小、运行方式及控制方式有关。 n无功功率补偿设备通常有交流滤波器、并联电容器、并联电抗器，与弱交流系统相连的换流站，还可能需要装设同步调相机或静止无功补偿装置。n换流站无功功率控制应能控制换流站全部发出无功的设备和吸收无功的设备，如控制交流滤波器、并联电容器的投切；换流器吸收的无功功率可以通过改变其触发角来平滑

24、的进行控制。 高压直流输电与柔性交流输电3.7.3 3.7.3 换流站无功功率控制换流站无功功率控制 n无功功率的控制方式：无功功率的控制方式：q分组投切无功设备无功功率台阶式变化；q改变换流器触发角无功功率连续变化的。q以上两种方式的配合实现换流站无功功率的平滑调节 高压直流输电与柔性交流输电3.7.4 3.7.4 换流变压器分接头控制换流变压器分接头控制 n用于自动调整换流变压器有载调压分接头的位置。n目的：目的：q维持整流器的触发角(或逆变器的关断角)在指定的范围内；q维持直流电压在指定的范围内；q维持换流变压器阀侧绕组空载电压在指定的范围内。 n控制策略：角度控制和电压控制控制策略：角

25、度控制和电压控制q角度控制：正常运行时要求触发角在1020之间 。当交流系统电压发生较大变化，由于定电流调节的结果，可能使触发角长时间超出上述范围，应自动改变换流变压器分接头的位置，使触发角回到要求的范围内。高压直流输电与柔性交流输电3.7.4 3.7.4 换流变压器分接头控制换流变压器分接头控制 q角度控制：n整流器使用定电流控制，触发角维持在：152.5；n逆变器使用定电压控制，关断角的范围：182.5；n当触发角瞬时超过限定范围时，不应使分接头调节器动作，以免分接头调节机构来回频繁动作。q电压控制 n当逆变器使用关断角控制时，通过调整换流变压器分接头位置，把直流线路电压维持在指定范围内，

26、如0.981.02额定直流电压。 同时，为避免分接头调节机构频繁动作，只有当直流电压偏离其整定值达到一定值，且持续一定时间后，才起动分接头调节。高压直流输电与柔性交流输电3.7.4 3.7.4 换流变压器分接头控制换流变压器分接头控制 q角度控制的优点是：换流器在各种运行工况下都能保持较高的功率因数，即输送同样的直流功率，换流器吸收的无功功率较少。q角度控制的缺点是：分接头动作次数较频繁，检修周期短。分接头调压范围要求宽。 由于换流变压器分接头开关是机械式的，转换一档通常需要3.5s的时间,对控制相应很慢。所以，它只能是调整直流输电系统输送功率的辅助手段。高压直流输电与柔性交流输电3.7.5

27、直流输电潮流反转控制直流输电潮流反转控制 n潮流反转是将直流功率传输方向在运行中自动反转的一种控制功能。（1）反转过程：p整流站将直流电流降至最小容许值逆变站把直流线路电压降至零功率方向控制将两换流站的功率传送方向标志反转，使两换流站的调节器配置切换逆变站把直流电压升至反向后的预定值，整流站将直流电流升至反转后的预定值。 （2）反转速度q慢速潮流反转正常运行：几秒几十秒q快速潮流反转交流系统故障紧急功率支援：几毫秒 高压直流输电与柔性交流输电3.7.6 直流输电系统调制功能直流输电系统调制功能 n调制功能是利用所连交流系统中的某些运行参数的变化，对直流功率或直流电流、直流电压、换流器吸收的无功

28、功率进行自动调整，充分发挥直流系统的快速可控性，用以改善交流系统运行性能的控制功能。n调制功能：功率提升（或回降）、频率控制、无功功率调制、阻尼控制、功率调制等。高压直流输电与柔性交流输电3.7.7 直流输电运行人员控制直流输电运行人员控制n 直流输电运行人员控制是为运行人员进行直流输电运行而设的控制、操作及监视功能。n 主要有：正常起动停运控制；状态控制；运行过程中的运行人员控制；直流系统故障状态下的操作控制；换流站内设备及其辅助系统的操作控制；直流系统的试验操作控制；交流系统的操作控制；运行工况监视。n运行人员控制应能在远方调度中心与换流站控制室之间进行遥控或现场控制的选择，在整流和逆变两

29、换流站间进行主从控制的选择，以保证控制的单一性。高压直流输电与柔性交流输电3.7.8 直流输电顺序控制直流输电顺序控制n 直流输电顺序控制是直流输电控制系统中能依次完成一系列操作步骤的自动控制功能。n 顺序控制包括：阀组交流侧充电断电；换流站的连接隔离；阀组的起动停运；金属回线大地回线在线转换；双极导线的并联解并联；直流滤波器的投切；直流极线开路测试。n当正在进行的自动顺序控制受阻时，顺序控制应自动终止，并向运行人员提示故障所在。n在顺序操作的任何阶段，都应允许运行人员干预，中止此自动操作，代之以手动控制操作或返回原起始状态。正在进行的顺序操作应向运行人员提供正在进行的操作步骤和下一步要进行的

30、操作步骤。高压直流输电与柔性交流输电3.8 故障与保护故障与保护3.8.1 直流输电系统故障及其危害（1）换流器故障）换流器故障 n 换流器发生故障后将使换流阀过电流，同时使换相电压波形畸变。n 换流器常见的故障：q桥臂短路（换流阀短路）q误开通和不开通q换相失败q换流桥直流母线短路高压直流输电与柔性交流输电3.8.1 直流输电系统故障及其危害 桥臂短路q桥臂短路是指换流阀正反向都丧失阻断能力或换流阀两端之间的外绝缘遭破坏的故障，是换流器最为严重的一种故障。 q换流阀发生桥臂短路时，双向电流均可自由流通，失去控制能力。q故障电流的大小与发生故障的时刻、换流变压器的阻抗和系统容量有关。 高压直流

31、输电与柔性交流输电3.8.1 直流输电系统故障及其危害 误开通和不开通q误开通：换流阀在应处于正向阻断状态时间内出现了非正常导通现象。n触发、控制回路中受干扰而产生的非正常触发脉冲或换流器阀受到过大的电压上升率作用，都可能导致发生误开通故障。q不开通：由于触发脉冲丢失或控制极回路故障，使本应处于触发状态的换流阀实际没有导通，称为不开通。高压直流输电与柔性交流输电3.8.1 直流输电系统故障及其危害 换相失败n导致关断角减小的原因有：q逆变器的换相电压下降。在触发角不变的情况下，换相电压的降低增大了换相时间和换相角，从而使关断角减小。q逆变器侧交流系统不对称故障。将会引起作为换相电压的交流线电压的过零点移动；当过零点前移时，关断角减小。q暂态过程或谐波引起换相电压波形畸变。也使换相电压的过零点移动和幅值变化。q直流电流增大。使换相所需时间增加，也就是相应的换相角增大，关断越前角减小。min高压直流输电与柔性交流输电3.8.1 直流输电系统故障及其危害 换相失败n换相失败的后果：p两次连续换相失败，换相失败故障是由逆变器交流侧电压下降所致，将导致直流电压下降。 p两次不连续换相失败，由于一次换相失败故障所引起的通过逆变器的电流增大而造成其它阀的换相失败。高压直流输电与柔性交流输电3.8.1 直流输电系统故障及其危害（2） 直流线路故障n 直流线路的故障：