Chap.5直流控制与保护(最终版本)2014

2023/2/6

徐永海华北电力大学电气与电子工程学院新能源电网研究所Chap.5直流控制与保护

高压直流输电2023/2/62课程安排

第五章直流控制与保护5.1直流控制系统的配置5.2直流控制原理5.3直流基本控制及其控制特性5.4工程实例介绍2023/2/63第五章直流控制与保护直流控制保护系统的重要性

直流输电运行性能、保护均极大地依赖于控制系统。直流控制保护系统的基本功能

起停控制直流功率大小及方向控制抑制HVDC不正常运行及对所连交流电网的干扰故障保护对换流站、直流线路的各种运行参数进行监视与交流变电所设备接口及与运行人员联系2023/2/645.1直流控制系统的配置直流控制保护系统的特点多重化设计为了达到直流工程所要求的可用率及可靠性指标，采用多重化设计。通常采用双通道设计，一个工作，另一个热备用。

也有个别采用三通道设计，三取二表决输出方案。分层结构2023/2/655.1直流控制系统的配置分层结构。两端直流输电控制系统一般分为6个层次等级双极方式HVDC原理图

高层

低层

慢

快双极控制级极控制级换流阀控制级系统控制级换流器控制级单独控制级可合并(当只有一回双极线路时)可合并(当每极只有一个换流单元时)2023/2/665.1直流控制系统的配置换流阀控制级为对各个阀分别设置的等级最低的控制层次，由地电位控制单元（VBE）和高电位控制单元（TE）两个部分构成。主要功能有：将处于地电位的换流器控制级送来的阀触发信号进行变换处理；晶闸管元件和组件的状态监测。2023/2/675.1直流控制系统的配置单独控制级除换流器外，其他各项设备分别设置的自动控制、操作控制和状态监测设备，与换流阀控制级同属于最低层次的控制级别。包括：换流变压器分接开关切换控制；换流阀冷却及辅助系统的控制和监测；断路器、隔离开关的操作和状态监测；滤波器组投切控制等。2023/2/685.1直流控制系统的配置换流器控制级是控制直流输电一个换流单元的控制层次，用于控制换流器的触发相位，主要控制功能有：换流器触发相位控制；定电流控制；定关断角控制；直流电压控制；换流单元闭锁和解锁顺序控制等。2023/2/695.1直流控制系统的配置极控制级是控制直流输电一个极的控制层次。双极直流输电系统要求一极故障时，另一极能够单独运行，并能完成主要的控制任务。因此，要求两极各自的极控制级完全独立并设置尽可能多的控制功能。主控制站的极控制级还担负协调从控制站同一极的极控制级工作的任务。主要功能有：根据双极控制级给定的功率整定值等，经计算向换流器控制级提供电流整定值；直流输电功率控制；极起动和停运控制；故障处理控制（包括停运和自动再起动、低压限流控制等）；各换流站同一极之间的远动和通信。2023/2/6105.1直流控制系统的配置双极控制级

为双极直流输电系统中同时控制两个极的控制层次，它用指令形式协调控制双极的运行。主要功能有：根据系统控制级给定的功率指令，决定双极的功率定值；功率传输方向的控制；两极电流平衡控制；换流站无功功率和交流母线电压控制等。2023/2/6115.1直流控制系统的配置系统控制级

为直流输电控制系统中级别最高的控制层次。主要功能有：与电力系统调度中心通信联系，接受控制指令，输送有关运行信息；根据调度中心的输电功率指令，分配各直流回路的输电功率；紧急功率支援控制；潮流反转控制；各种调制控制等。2023/2/6125.2直流控制原理HVDC等效电路-1整流器等效电路逆变器等效电路外特性方程：2023/2/6135.2直流控制原理HVDC等效电路-2整流器等效电路逆变器等效电路外特性方程：2023/2/6145.2直流控制原理直流电流其中，理想空载直流电压：或定γ等效电路，定β等效电路2023/2/6155.2直流控制原理直流功率意味着可以通过改变角度（α或β）和交流电压（U1

）数值来调节直流电流和功率。双极方式HVDC原理图,定γ等效电路，定β等效电路2023/2/6165.2直流控制原理直流控制手段触发脉冲相位控制：调节α(或β)

换流变分接头控制：调节换流变分接头两类控制手段比较项目触发脉冲相位控制换流变分接头控制调节范围宽窄调节速度快慢调节平稳性平稳不平稳结论主要控制手段辅助控制手段2023/2/6175.3直流基本控制及其控制特性基本控制

保证HVDC正常运行所必需的最低限度的控制。包含定触发角控制定电流控制启停控制换流变分接头控制定关断角控制定电压控制潮流反转控制控制配置2023/2/6185.3.1定触发角控制控制特性方程:特点关于α

的下倾的直线簇

α增加，直线向下平移通常o控制特性曲线定αmin控制2023/2/6195.3.2定关断角控制关断角可直接测量，但不可直接控制（通过改变逆变器触发角实现）。控制特性方程:特点关于

γ的下倾的直线簇

γ增加，直线向下平移通常o控制特性曲线2023/2/6205.3.3定电流控制定电流控制(CurrentControl)控制特性方程:选Id

为控制对象的原因Pd

的变化主要由Id决定有效限制故障电流的上升 两侧换流站均装设定电流控制，因此需要协调配合。2023/2/6215.3.3定电流控制配合原则整流站定电流控制为主逆变站定电流控制为辅逆变站定电流控制目的 当Id下降过多时，协助整流站定电流控制，使Id迅速恢复正常值。ΔId2023/2/6225.3.3定电流控制基本控制原则----电流裕度法自1954年果特兰岛HVDC工程至今一直沿用，被证明是十分有效的控制方法；稳态、暂态运行下都必须保持足够的电流裕度ΔId

；一般情况下：直流基本控制特性ΔId稳态运行工作点2023/2/6235.3.4定电压控制定电压控制(VoltageControl)控制特性方程:选Ud为控制对象的原因：减少逆变站发生电压不稳定的几率配合整流站的定电流控制，实现对直流功率的控制2023/2/6245.3.5两站控制协调配合方式两站控制协调配合方式1整流站：定电流、定αmin控制逆变站：定电流、定关断角（或定直流电压（虚线））控制直流基本控制特性ΔId稳态运行工作点正常运行时，通常以整流侧定直流电流，逆变侧定关断角（或定直流电压）运行，运行点为N；当整流侧交流电压降低(可能由附近的故障引起)或逆变侧交流电压升高很多时，使整流器进入定αmin控制，逆变侧自动转为控制直流电流，运行点为M。M●2023/2/625极弱受端系统时可能出现电压不稳定—“三交点不稳定”其中，N、B--稳定运行点A—不稳定运行点（直流电流将在两个定值之间来回振荡）原因弱受端系统短路容量小，逆变器换相电抗大，定关断角特性斜率将大于整流器定α角特性的斜率，就可能出现B、A、N三个交点情况。5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/626解决上述问题的有效方法是在逆变器曲线与整流器定电流段交点附近调整为一段正斜率，如图所示。稳态运行工作点5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/627三---常直流工程控制特性2023/2/628低压限流（VDCOL---Voltage-dependentCurrent-orderLimit）

指在某些故障情况下，当发现直流电压低于某一值时，自动降低直流电流调节器的整定值，待直流电压恢复后，又自动恢复整定值的控制功能。

最初是作为换流阀换相失败故障的一种保护措施，后来被许多现代高压直流工程，尤其是具有弱交流系统的直流工程所采用，用来改善故障后直流系统的恢复特性。VDCOL静态特性5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/629避免逆变器长时间换相失败，保护换流阀连续换相失败时直流电压降低，直流电流上升，一些换流阀会长时间流过大电流，影响寿命或损坏。通过降低电流整定值来减少发生后续换相失败的几率，从而可以保护晶闸管元件。5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/630避免交流系统故障时直流系统的不稳定性交流系统故障后，如果直流电流增加，则换流器吸收的无功功率也增加，这将进一步降低交流电压，可能产生电压不稳定；而当直流电流减少时，换流器吸收的无功功率也减少，这将有利于交流电压的恢复，避免交流电压不稳定。

系统故障后快速恢复功率传输

在交流电压恢复期间，平稳增大直流电流来恢复直流系统。若恢复太快，换流器需要吸收较大的无功功率，将影响交流电压的恢复。5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/631直流工程控制特性5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/632两站控制协调配合方式2整流站：定电流、定αmin控制逆变站：定电压、定电流控制、定关断角稳态运行工作点适用性：弱受端系统5.3.5两站控制协调配合方式2023/2/6335.3.6启停控制分类正常启动正常停运故障紧急停运（故障后的）自动再启动 为减小启停过程产生的过电压和过电流，以及对两侧系统的冲击，正常启停按照一定步骤顺序进行。2023/2/6345.3.6.1正常启动控制顺序主要步骤合两侧交流断路器，使换流变压器和换流器带电；合两侧直流线路开关，使直流线路与换流器相连；两端换流站分别投入适量的交流滤波器支路；在α=900

（或大于900）的条件下，先解锁逆变器，后解锁整流器；逆变侧的直流电压（或关断角）调节器按起动过程中对直流电压变化规律的要求，逐渐升高直流电压直至运行的整定值（或关断角整定值）；2023/2/6355.3.6.1正常启动控制顺序主要步骤与此同时，整流侧的电流调节器按起动过程中对直流电流变化规律的要求，逐渐升高直流电流直至运行的整定值；在直流电压和直流电流均升到整定值时，起动过程结束。

在此过程中，交流滤波器组随直流功率的增加而逐组投入，以满足无功平衡要求。2023/2/6365.3.6.1正常启动控制顺序正常启动时间一般为几秒几十分钟受端系统越弱，正常启动时间越长双极方式HVDC原理图2023/2/6375.3.6.2正常停运控制顺序主要步骤整流侧的电流调节器按停运过程中对直流电流变化规律的要求，逐渐减小直流电流到运行的最小值，在此过程中交流滤波器组随直流功率减小而逐组切除，以满足无功平衡要求；闭锁整流器触发脉冲，或使α=12001500，工作于逆变状态，延时20-40ms后，再闭锁触发脉冲，并切除整流侧余下的交流滤波器组；直流电流为零后，闭锁逆变器触发脉冲，并切除逆变侧余下的交流滤波器组；断开两侧直流线路开关；断开两侧交流断路器正常停运时间：一般为几百ms2023/2/6385.3.6.3故障紧急停运控制顺序故障紧急停运：交直流系统故障中的停运过程。目的：抑制直流电流，迅速消除故障点电弧控制顺序快速移相：α=12001500（整流器），使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。直流电流为零后，闭锁整流器，闭锁逆变器断开两侧直流线路开关断开两侧交流断路器故障紧急停运时间:一般为几十ms2023/2/6395.3.6.4自动再起动控制顺序目的：直流线路瞬时故障后，迅速恢复送电主要步骤检测到直流线路接地故障后，立即将整流器紧急移相到α=12001500，使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，直流电流在20~40ms内降到零。2023/2/6405.3.6.4自动再起动控制顺序主要步骤经过预先整定的100-500ms的弧道去游离时间，按一定速度自动减小整流器的触发角，使其恢复为整流运行，并快速将直流电压和电流升到故障前的运行值（或某预定值）。如果故障点的绝缘未能及时恢复，在直流电压升到故障前的运行值之前可能再次发生故障。这是可进行第二次自动再起动。2023/2/6415.3.6.4自动再起动控制顺序主要步骤如果第二次自动再起动仍未成功，还可进行第三次、甚至第四次再起动。若达到预定的再起动次数，但均未成功，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。2023/2/6425.3.6.4自动再起动控制顺序特点由于控制系统的快速作用，直流输电的自动再起动一般比交流系统的自动重合闸时间要短，因而对两端交流系统的冲击也较小。2023/2/6435.3.7潮流反转控制主要步骤（靠改变直流电压极性实现）整流侧的电流调节器将直流电流按预先整定的速率降至最小容许值（通常为额定电流的10%，在此过程中，应保持电流裕度，即逆变侧电流也应减小）；逆变站的直流电压调节器将直流线路电压按预先整定的速率降至零；与此同时，为保持直流电流恒定，整流侧的直流电压也相应降低（略高于逆变侧）；双极方式HVDC原理图2023/2/6445.3.7潮流反转控制主要步骤（靠改变直流电压极性实现）由功率方向控制回路将两站控制回路中的功率传送方向标志反转，从而使两换流站控制系统中的调节器配置相应切换。现在的逆变站的直流电压调节器将直流线路电压按预先整定的速率升至反向后的预定值；现在的整流站的电流调节器将直流电流按预先整定的速率升至反转后的预定值，从而完成整个潮流反转过程。

潮流反转过程所需时间通常为200~500ms。2023/2/6455.3.8换流变分接头控制目的保持触发角在合适的角度保持关断角在合适的角度保证直流电压在期望值保证换流变阀侧空载电压恒定控制原则：考虑数秒延时

图

高压直流控制系统特性曲线5.4工程实例介绍

图中直线段1、HD为整流侧的控制特性。其中HD为恒电流控制的结果，是恒电流段；1表示触发角不变情况下与的关系，为线性关系，是恒触发角段。1段的方程式为：

5.4工程实例介绍

图中直线段HH’、H’C为逆变侧的控制特性。其中H’C为恒电流段；HH’为定熄弧角段5.4工程实例介绍

在正常运行状态下，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制，即直流系统运行于A点，通过调节分接头维持整流侧触发角和逆变侧在正常范围内。如果整流侧电压下降，整流侧定电流控