08-应用PSCAD进行直流输电系统仿真研究课件

应用PSCAD进行高压直流输电系统仿真研究武汉大学电气工程学院乐健2012.06

主要内容

一、高压直流输电系统的主要元件二、相关元件的PSCAD模型

三、高压直流输电系统运行与控制

四、高压直流输电系统的PSCAD仿真2交流母线交流系统I无功补偿设备交流滤波器直流线路Vd

I

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Vd

II

一、高压直流输电系统的主要元件3

1.

晶闸管（

Thyristor

）

特点：

单向导电

可控导通KAG

导通的充要条件：

正向电压>0

控制电流脉冲

可靠关断的充要条件：

正向电流<0

正向电压<0，且持续一段时间4

-8kV(-9kV)

-2kA

-5inchwafer

晶闸管5桥臂晶闸管串联，需要均压

晶闸管（串）并联，需要均压均流晶闸管MA电压：5.5~9kV电流：1.2~3.5kATAM2.阀单元6均压示意图C1R2R1R2R1C1避雷器L1C2R3R47均流示意图MA电抗器均流示意图电阻均流示意图MRAR8

阀单元93.换流器（converter）：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。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。单桥Graetz桥V3三相全波桥式换流电路原理图MNV1V5V4V6V2ABC正极共阴极负极共阳极桥臂/阀臂/阀桥交流端上半桥/共阴极半桥下半桥/共阳极半桥10作用:使HVDC系统建立自己的对地参考点；减小注入系统的谐波。

4.

换流变压器(ConverterTransformer)

向换流器提供适当等级的不接地三相电压源设备特点:接线方式：Y0/Y,Y0/△，Y0/Y/△短路电抗大：15~20%噪声大11换流变压器12作用:

减小注入直流系统的谐波；减小换相失败的几率限制直流短路电流峰值防止轻载时直流电流间断5.平波电抗器（SmoothingReactor）参数:0.27~1.5H(架空线)12~200mH(电缆线)13平波电抗器14种类:交流滤波器，直流滤波器有源滤波器；6.滤波器（Filter）

减小注入交、直流系统谐波的设备无源滤波器：单调谐滤波器双调谐滤波器高通滤波器15直流滤波器16种类:无源类：电容器有源类：（同步）调相机，SVC7.无功补偿设备（ReactivePowerCampensitor）作用:

提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。换流器吸收无功功率：30~50%Pd(整流器)40~60%Pd(逆变器)17种类:架空线路电缆线路8.直流线路（DCLine）

9.交流断路器（Breaker）作用：使HVDC完全退出运行18二、相关元件的PSCAD模型2.1电力电子器件模型2.2阀模型2.3换流桥模型2.4换流变模型2.5线路模型2.6交流系统2.7其它元件模型192.1电力电子器件模型类型选择缓冲电路插值脉冲2021无插值时的二极管电流

PSCAD软件中的EMTDC采用了固定时长近些暂态一旦选定就保持不变。由于时间步长固定，若器件动作处于时间步长间隔中，只有等到下一时间步长时程序才能体现出此事件。此时将造成仿真错误。EMTDC的插值算法22解决方法：缩短仿真步长—仿真时间延长、内存需求增大，不能根本性解决问题。变步长仿真—检测到开关动作事件时，划分仿真步长为更小的时间间隔。不能避免虚假电压和电流尖峰。插值方法—具有更快的速度和更高的精度。能在采用较大时间步长的情况下更精确地对任何开关事件进行仿真。有插值时的二极管电流23具有大量快速切换设备的电路；带有浪涌避雷器的电路与电力电子设备连接；HVDC系统与易发生次同步谐振的同步机相联；使用小信号波动法分析AC/DC系统，这时精细的触发角控制是必须的；使用GTO与反向晶闸管构成的强制换相换流器；PWM电路和STATCOM系统；分析具有电力电子设备的开环传递函数；插值的应用场合242.2阀模型阀模型为晶闸管模型的串并联

。并配合以相应的均压均流电路。静态均压：是指晶闸管处于阻断状态下承受工频电压或直流电压时的各晶闸管元件之间的均压，在这种情况下，电压波形前沿时间较长，采用电阻均压。动态均压：动态均压是指同一桥臂中的晶闸管开通和关断过程中的均压，即此过渡过程中的均压。25静态均压电阻值的计算：也可按元件在正常工作温度下,正向阻断状态的正向电阻或反向电阻（正向阻断电压或反向峰值电压除以漏电流）的1/3—1/5选用。26动态均压电容值的计算：27PSCADX4之前所有版本中的组件(module)缺乏多实例化能力，即一个组件定义只能有一个实例。X4版本通过完全重新设计PSCAD的程序结构，使其成为更朝向以数据为中心的模型，从而具备了提高多实例化组件的能力。多实例化组件(MIM)技术281.组件的输入参数界面。X4版本中，组件与标准元件一样，也可设计输入参数界面，且每个组件的实例可拥有完全不同的输入参数值。每个输入参数需要对应的Import元件。Import元件的变量名与输入参数symbolname要一致。292.组件多实例化的特殊性。对于元件而言，其定义只能在定义编辑环境下进行修改，包括表示图形、输入参数和代码。从实例出发无法修改相关定义。而组件包含有画布这一特殊元素，其定义不仅可在定义编辑环境下进行修改，包括表示图形和输入参数。从实例的角度而言，在任一个实例中对画布内容进行的修改都会影响组件的定义，从而影响到根据该定义实例化的其他实例。30组件的画布定义两个实例修改实例画布定义被修改其他实例也受到影响进行组件多实例化，最主要是使得不同的组件实例可以拥有不同的信号值。31Main组件整流桥组件3.组件多实例化的应用。阀组件在无法实现组件多实例化的条件下，尽管整流桥和阀组件的内容完全相同，该项目仍需要4个整流桥组件的定义，需要24个阀组件的定义，给建模工作带来了很大麻烦。能够实现组件多实例化时，则只需要两个组件定义。32内部锁相环输入换流变6脉波格雷兹变换桥换流母线2.3换流桥模型33正负母线触发脉冲信号封锁/解锁控制测量的触发脉冲角和熄弧角触发脉冲序列与换流变的配合34触发脉冲控制方式只输入1#器件的触发控制角。其它器件按编号依次延迟60度。每个器件的脉冲自动维持120度。每个器件的触发角单独控制。此时可使用插值脉冲触发元件的输出。即‘FP’和‘FTime’。35触发脉冲封锁/解锁控制

KB=0:封锁所有脉冲；

KB=1:解除封锁；

KB=-1到-6:封锁对应开关；

KB=-7:保留同一桥臂的两个开关仍然触发，其它的被封锁。内部锁相振荡器(PLO)

其输出为与A相对地电压同步的0-2pi变化的斜坡信号36与换流变接线方式的配合希望提供给PLO的电压尽量理想，故一般该电压取自换流变的系统侧，且与A相对地电压同步。而触发脉冲是以换流变阀侧线电压过零为起始点。故需要根据换流变的接线方式进行调整。37以Y/Y型接线为例:脉冲触发起始点为相电压交点，滞后网侧A相对地电压30度。382.4换流变模型经典建模法

UMEC建模法将变压器的主磁通和漏磁通分开考虑，计算简单方便，参数物理意义清晰。但在模拟三相，多绕组，且绕组间存在耦合时会显得十分复杂。且计算时需要准确知道变压器绕组的联结形式，绕组的匝数参数将漏磁通和主磁通统一考虑。变压器任一绕组铁心支路都可等效为磁路等效模型。该模型基于磁路模型进行计算，具有较高的仿真精度，并且无需知道铁心长度、铁心横截面积、绕组匝数等详细的变压器物理参数。39绕组连接形式正序漏感铜损和铁损是否为理想变压器：理想：忽略铜损铁损。经典模型主要参数40分接头设置

PSCAD对分接头的建模是改变变压器的变比，同时对漏抗和励磁电流进行重新计算。例如10kV:100kV的Y/Y变压器，10kV侧分接头调整为1.05，则新的变比为1.05:100。41经典模型饱和特性模拟

主磁通受铁心饱和的影响，可以将其作为一局部的非线性问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精度，需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去，铁心损耗可以直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的经典法使用了并联补偿电流源模拟饱和：在最靠近铁芯的绕组上添加可变电感；或在最靠近铁芯的绕组上添加补偿电流源。EMTDC采用后者。42气隙电抗，通常为近似为漏抗的2倍膝点电压，1.15-1.25pu注意要与理想模型联用涌流的衰减时间常数用于防止启动时不稳定励磁电流，一次电流的百分比43主磁通受铁心饱和的影响，可以将其作为一局部的非线性问题并将以线性化处理。PSCAD/EMTDC中变压器的饱和模型就是将主磁通和漏磁通分开处理的。为了提高仿真精度，需要将铁心饱和和铁心损耗考虑进去，铁心损耗可以直接在变压器元件模型参数里设置。PSCAD的UMEC法采用分段线性法处理饱和。UMEC模型饱和特性模拟

44变压器UMEC模型是运用分段线性化的方法来模拟铁心饱和特性。分段线性化方法就是把非线性的计算过程分成几个线性区段，这样在每段线性区段内，就可以采用线性电路的计算方法来计算，简单方便。PSCAD在控制变压器的等效励磁支路时采用了分段线性近似的方法。在模拟铁心的非线性特性时，直接在元件模型参数设置中输入I-U曲线，即10个点的（I，U）坐标，然后利用插值算法在每个区段内计算损失特性，既减少了矩阵倒置的计算，又保留了计算的准确性。

45饱和I-U曲线462.5线路模型精度增加47

1.步骤一：创建输电线路配置元件架空线路模型48线路名称稳态频率、长度及导体数目。终端连接方式线路耦合设置49

PSCAD中构建架空线路有两种方法：RemoteEnds模式和DirectConnection模式。RemoteEnds模式下线路端点不与其它元件有物理上的直接连接，需要应用架空线接口元件。DirectConnection模式可直接相连，但仅能用于1相、3相或6相的单根显示系统。RemoteEnds模式DirectConnection模式50互耦线路

线路互耦使得可将线路长度相同的多个输电线路相互耦合。

51

2.步骤二：加入输电线路接口元件(仅Remoteend模式需要)与输电线路的名称要一致与输电线路的数目要一致52

3.步骤三：选择输电线路模型及输入模型参数单一频率Bergeron模型频率相关的相域模型频率相关的模态域模型53

4.步骤四：输入线路参数及塔型及其参数仅适用于Bergeron模型(不能加入地平面元件)塔型及其参数架空地线对地距离通用模型54

5.步骤五：加入地平面元件PSCAD编译输电线路配置元件页面时将执行tline.exe程序。编译时将调用本输电线路的.tli文件，并生成相应的求解后的线路常数数据文件(EMTDC仿真时需要).tlo。当执行过程中出现错误时，PSCAD将打开相应的.log文件来显示错误。55埋地电缆模型的构建与架空线路模型构建基本相同，仅设置埋地电缆参数时不同。且需在地平面元件之下。埋地电缆模型56该模型主要用于描述非常短的架空线路或埋地电缆。该模型能提供准确的基波频率阻抗，但不能精确描述其它频率处的特性。因此，该模型提供了一个简单的方法来描述稳态研究下的输电系统，例如潮流分析。但不能提供精确的、全频率域的暂态响应。PI段模型57参数输入形式常规或者耦合零序参数输入方式：直接输入或估计。58NOMINALCOUPLED为确保能正确描述零序参数和与中性点的连接，在Nominal模式下该元件在每一端提供了与中性点的连接端子，且提供了一条RL零序支路连接在这两个端子之间，以提供零序电流的通路。所有的电压测量必须为线间、或线对中性点，而不能为对地。同样的，故障也必须施加于线对中性点，而不能对地。59模拟两条相互耦合的线路。只支持coupled型的线路。在输入每条线路参数的同时，需要输入线路间的耦合参数。602.6交流系统不同阻抗形式下的参数输入电源类型1.三相交流电压源模型161—BehindSourcempedance

位于系统阻抗之后该方式下需直接输入电源电压、相位和频率—AttheTerminal

位于机端该方式下需直接输入机端电压、相位和有功功率、无功功率。仿真中自动算出电源电压和相位。电源类型62阻抗形式电源控制模式零序阻抗阻抗输入形式电源类型2.三相交流电压源模型263电源控制模式—Fixed：固定型。电源幅值、频率和相位通过SourceValuesforFixedControl

页面输入。—External：外部型。电源幅值、频率和相位通过外部连接端子输入。—Auto：自动型。可通过自动调整电压幅值对某母线处的电压进行控制；或自动调整内部相位角控制有功输出。64允许自动电压控制欲控制的电压标幺值欲控制的电压基准值测量时间常数：用于平滑测量噪声以及模拟传感器延时。PI控制器时间常数65阻抗数据输入格式—RRLValues

：直接输入R和L参数值。—Impedance

：以极坐标形式输入阻抗参数，此

时需提供阻抗幅值和相角。66阻抗输入形式：R+jX或Z/θ3.三相交流电压源模型3671.平波电抗器平波电抗器在直流线路小电流情况下能保持电流的连续性，触发延迟角10.1°＜a<169.9°时，此时其电感量为：直流送电回路发生故障时平波电抗器可抑制电流的上升速度，从而防止继发换相失败，此时其电感量为：2.7其它元件模型68平波电抗器的电感量Ld

越大越好；但Ld

过大，电流迅速变化时在平波电抗器上产生的过电压Ld(di/dt)也越大。此外，Ld作为一个延时环节，Ld过大对直流电流的自动调节不利；因此在满足上述要求的前提下，平波电抗器的电感应尽量小。692.直流侧滤波器直流侧无源滤波器不承担无功补偿，仅用于滤波，其参数由线路电压、滤波要求和经济性决定。无源滤波器通常接在平波电抗器后端，可采用单调谐滤波器、双调谐滤波器、C型滤波器和三调谐滤波器等。出于经济性和占地面积的考虑，HVDC系统更多采用双调谐滤波器，其作用可等效为两个并联的单调谐滤波器。增加平波电抗器的电感值，将会增加平波电抗器的滤波器容量，但可降低对无源滤波器滤波容量的要求，反之亦然。

70双调谐滤波器高通滤波器713.交流侧滤波器多谐滤波器主要用于滤波，兼顾无功补偿，而C型滤波器主要用于基波无功补偿。

72三、高压直流输电的运行与控制3.1HVDC的分类3.2HVDC换流器工作原理3.3HVDC的工作原理3.4HVDC的控制3.5HVDC的谐波特性733.1HVDC的分类类型：两端直流输电系统，多端直流输电系统一、两端HVDC输电系统：由两侧换流站及直流输电线路组成的交-直-交变换的系统。单极双极同极背靠背一线一地制(单极大地回线、单极双导线并联大地回线)、两线制(单极金属回线)两线一地制(双极两端中性点接地)、两线制(双极一端中性点接地)、三线制(双极金属中线)两线一地制(双极两端中性点接地)、三线制(双极金属中线)74MonopolarTransmissionLineTerminalATerminalBBipolarTransmissionLineTerminalATerminalBPole1Pole2单极系统双极系统75单极系统接线方式类型：一线一地制、两线制。76单极联络线通常采用一个极性的导线，而由大地或水提供回路。出于对造价的考虑，常采用此类系统，对电缆传输来说尤其如此。此类结构也是建立双极系统的第一步。当大地电阻率过高，或不允许对地下(水下)金属结构产生干扰时，可用金属回路代替大地作回路，形成金属性回路的导体处于低电压。77双极系统接线方式类型：两线一地制、两线制、三线制78双极联络线结构有两根导线，一正一负，每端有两个为额定电压的换流站阀串联在直流侧，两个换流阀之间的连接点接地。正常时，两极电流相等，无接地电流，两极可独立运行。若因一条线路故障而导致一极隔离，另一极可通过大地运行，能输送50％的额定负荷，或利用换流器及线路的过载能力，承担大于50％的额定负荷。一条双极HVDC线路能有效的等同于两回交流传输线路。正常情况下，它对邻近线路的谐波干扰远小于单极联络线。当接地电流不可接受时，或接地电阻高于临界值而接地电极不能运行时，用第三根导线作为金属性中性线，在一极退出运行或双极运行失去平衡时，此导线充当回路。中性线导线的绝缘水平要求低，还可作正、负极架空线的屏蔽线。如果中性线导线采用全绝缘时，可作为一条备用线路。79双极系统：双极运行方式Pole1Pole2TerminalATerminalBTransmissionLine1TransmissionLine280双极系统：单极运行、大地回路方式Pole1Pole2TerminalATerminalBTransmissionLine1TransmissionLine281双极系统：单极运行、金属回路方式Pole1Pole2TerminalATerminalBTransmissionLine1TransmissionLine282双极系统：单极双线并联运行、大地回路方式Pole1Pole2TerminalATerminalBTransmissionLine1TransmissionLine283两端HVDC系统的典型设计方案:双极双桥500kVIdId葛洲坝南桥209kV－＋－＋－＋－＋~500kV500kV198kV~220kV84同极系统接线方式类型：两线一地制、三线制Id－＋－＋－＋－＋Id85同极联络线结构导线并联数不少于两根，通常最好为负极性，因为它由电晕引起的无线电干扰电压(RIV)较小。这样的系统采用大地作为回路。当一条线路发生故障时，换流阀可为余下的线路供电，这些导线有一定的过载能力，能承受比正常工况更大的功率。相反，对双极系统来说，重新将整个换流阀连接到线路的一极上要复杂得多，且通常是不可行的。在考虑连续的地电流是可接受的情况下，同极联络线具有突出的优点。86背靠背(Back-to-Back)：单极类、双极类、同极类没有直流线路的HVDC系统

适用性:

两个不同额定频率交流系统的互联举例：

1972年，加拿大，HVDC首次全部采用晶闸管元件新不伦威克省魁北克省水电站2×80kV,2×160MW背靠背

1965年,日本，sakuma工程：

2×125kV,300MW,1200A,50/60Hz87

1991.7,潘家口抽水蓄能电站--我国第一个抽水蓄能电站：

10kV,60MW,50/38~62HzG：150MWG/M：90MWSFC：60MWG/MG/MG/MGSFC电力系统10kV10kV-----StaticFrequencyConverter88二、多端HVDC输电系统：由两个以上换流站组成的HVDC输电系统(MTDC)。分类：

<2>（恒电流）串联------多个换流站串联于直流网络中，公共电流流经所有换流站。

<1>（恒电压）并联------多个换流器并联接于同一个公共电压端上的MTDC。8914交流系统交流系统32系统原理图<a>（恒电压）并联------辐射状直流网络型MTDC。换流站原理图124+_3904<b>（恒电压）并联------网状直流网络型MTDC。系统原理图系统2

系统13换流站原理图24+－1391<c>（恒电流）串联MTDC。系统系统1432系统原理图IdIdIdId换流站原理图92

描述整流器工作方式的几个角度：

=触发延迟角=叠弧角（换相角）

=熄弧延迟角=+描述逆变器工作方式的几个角度：

=触发超前角=-=熄弧超前角=-=叠弧角=-=-3.2HVDC换流器的工作原理93（1）控制角（也叫移相角）α：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)。正常运行时一般为10º-20º。（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。9495变压器漏感对整流电路的影响

（4）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。正常运行时为15º-25º。

（5）δ=α+μ称为熄弧延迟角96（6）触发超前角（也叫越前角）β：落后于自然换相点180º处到晶闸管门极获得触发脉冲的电角度。正常运行时为30º-40º。97（7）关断角（也叫熄弧角）γ：阀关断至阀上阳极电压持续为负的时间所对应的电角度。通常规定γ=15º-18º。该数值既考虑了晶闸管恢复正向电压阻断能力的最小值(7.2º)，还考虑了交流系统三相电压和参数不对称的影响。该角度也不宜过大，否则逆变器将吸收更多无功功率。ecebeaeaebecp4

p3p6p1

p2p5

p1.p2

P4

p3p6p56126145634556112323434545656161212323445566112233445561223C6C4C4C2C3C5C6C1C2C3C5C198<a>单桥整流运行单桥：三相桥式全控换流电路（三相6脉动换流电路）Lceceb135462ibMNeaLcABCLd+ud

_IdiciaLco99工况2-3：在600的重复周期中，2个阀和3个阀轮流导通的运行方式。

成立的条件：工况2-3---正常运行方式工况3---非正常运行方式工况3-4---故障运行方式单桥整流器的运行方式100α=5°～57°粉红--uMO

蓝色--uNO

红色--ud＝uMN,绿色--uv3101+_（b）等效电路-2+_+_+_+_+_（a）等效电路-1等效电路102o外特性曲线103工况2-3---正常运行方式工况3-4---故障运行方式<b>单桥逆变运行工况2-3：

在600的重复周期中，2个阀和3个阀轮流导通的运行方式。

成立的条件：与交流系统相连---有源逆变；与足够大的直流电源相连；具有使α在90°~180°范围内调节的控制能力。逆变运行的充要条件104α=5°～57°，β＝180°－α=123°～175°

105+_+_+_（a）等效电路-1+_+_+_（b）等效电路-2等效电路106ζIdoζ外特性曲线107

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。

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。逆变器侧的熄弧阀在换相结束后重新导通的过程。换相失败108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＞μ(换相重叠角),正常。

若β＜μ

:如β=0时换流还没有结束，前一相继续导通，换相失败。109分类：一次换相失败连续两次换相失败对策：控制系统闭锁，HVDC系统短时停运。

一般，80%的一次换相失败不会发展为连续两次换相失败。110滤波正极12脉动A端滤波负极12脉动B端滤波及无功补偿直流输电线交流系统A交流系统BYYDYYYDYLdLd双桥换流器<c>双桥整流运行111oea1c1ea2c212脉动双桥换流器电压波形112双桥整流器的外特性方程—定α角的外特性方程：等值换相电阻/比换相压降：双桥换流器的外特性-整流器113双桥逆变器的外特性方程定角的外特性方程：定角的外特性方程：双桥换流器的外特性-逆变器1143.3HVDC的工作原理

从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时，换流站Ⅰ把交流系统Ⅰ送来的三相交流功率变换成直流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换流站Ⅱ，再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功率，送入交流系统Ⅱ。这个过程称作HVDC。此时换流站Ⅰ为整流站，换流站Ⅱ为逆变站。115直流线路电流其中：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。117直流电压直流输送有功功率和无功功率在整流侧，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。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：1193.4HVDC的控制

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。120直流输电系统分层控制结构图121特点：分层控制站控双极控制阀控

高层

低层

慢

快系统控制极控换流器控制单独控制HVDC控制系统配置的特点122

触发脉冲相位控制：调节换流变分接头控制：调节换流变分接头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

HVDC控制手段：

两类控制手段比较

123基本控制：保证HVDC系统正常运行所必需的最低限度的控制。包含：定电压控制定电流控制定功率控制定熄弧角控制定触发角控制协调控制潮流反转控制启停控制基本控制及其控制特性分接头控制无功功率控制1241.换流器控制—定电流控制

在极控制功能中定电流控制应用最为广泛。定电流控制器依据直流电流定值，产生所需触发角的指令值。整流器定电流控制同时具备抑制直流电压上升的功能，逆变器的定电流控制则具备防止直流电流下降的功能。响应时间通常为20-100ms。125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，使得逆变侧定电流控制总是按照减小直流电流的方向调节，因此α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。

1262.换流器控制—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。整流器中稍许减小触发角α，而逆变器中稍许减小触发角β。响应时间通常为60-300ms。1273.换流器控制—定熄弧角控制

绝大多数直流工程的熄弧角定值都在15°～18°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。

o控制特性曲线控制特性方程：特点：关于γ的下倾的直线簇。γ增加，向下平移。通常：128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；预测型控制根据直流系统的实际运行参数（如直流电压、电流等）计算出要满足为参考值时所需的触发角，然后按照此触发角对逆变侧进行触发控制，其实质是一开环控制。ABB的控制系统多采用开环调节方式。

129控制特性方程：特点：关于α的下倾的直线簇。α增加，向下平移。通常：o控制特性曲线4.换流器控制—定触发角控制1305.换流器控制—定功率控制依据直流功率定值的需要，形成触发角指令值进行控制。通常逆变器按照定电压进行控制，整流器则依据设定的功率，计算所需的电流定值，按定电流进行控制。为避免与定电流控制系统相互干扰，其响应时间应为定电流时间的5倍以上，即100-1000ms。

1316.协调控制—方式一整流站：定（直流）电流、定最小触发角逆变站：定熄弧角、定（直流）电流HVDC协调控制特性曲线

稳态运行工作点132是静稳的；逆变器发生换相失败的风险降低；对于弱受端AC系统，可能导致母线电压不稳定

相对于HVDC系统而言，AC系统分为：

强（AC）系统：如葛上、天广、三常、三广、贵广等

弱（AC）系统：如舟山、嵊泗协调控制方式-1的特点133整流站：定（直流）电流、定最小触发角逆变站：定电压、定熄弧角、定（直流）电流HVDC协调控制特性-2曲线

稳态运行工作点定电压控制定熄弧角控制7.协调控制—方式二134

是静稳的；逆变器发生“电压不稳定”的风险降低；正常运行时逆变器吸收的无功功率较大；轻载时逆变器吸收的无功功率很大，无功投资增加。

适用性：弱受端（AC）系统协调控制方式-2的特点1358.潮流反转控制整流器中α增大，直流电压下降，电流减小，而逆变器中β增大，直流电压下降，电流增加。当α和β超过90度时，直流电压极性反转，原来逆变器为整流运行，定电流控制；而原来整流器为逆变运行，实现定电压控制。反转时间通常为200-500ms。

1369.启停控制

正常启动正常停运故障紧急停运（故障后的）自动再启动

正常启动包括所有换流器通过加上触发脉冲启动的整体启动和针对部分停止的换流器的启停（部分启动或群启动）。

首先全部换流器的旁通对得到启动信号，形成电流通路，然后将α和β调整至约90度，按一般触发顺序加入启动信号，直流电压约为0，逐步减小逆变器的β值，在直流电压上升的同时，增加定电流控制电路设定值，直至直流电流达到目标值，整流桥的直流电压将随逆变器电压的上升而上升。137

正常停止包括停止全部直流系统（整体停止）和只停止部分换流器（部分停止或群停止）。需要将逆变器的β逐步增大到90度的同时，直流电流设定值到最小值后，全部换流器旁通对得到触发信号，经过一段延时，停止或闭锁所有触发脉冲。

当直流输电线、换流器出现故障的情况下，有必要实行紧急停止。此时两端的换流器触发角强制性都工作于逆变器模式，将直流系统存储的能量迅速释放至交流系统，直流电流减小到一定数值后，立即闭锁触发信号。

13810.分接头控制分接头控制作为直流输电输送功率的辅助手段对于协调控制器运行以及提高交直流系统的稳定性有着重要的作用。分接头控制的目的是保持触发角、熄弧角、直流电压运行在指定范围内，分接头控制的特点是调节速度比较慢(3～5s调整一步)。当直流电压和直流电流发生偏移或运行人员改变直流输送功率以后,由于定电流控制的作用,整流侧触发角将发生很大变化。当过大时,整流器所消耗的无功功率和直流电压中的谐波分量将显著增大;而当角太小时,又将缩小可控制的范围。因此此时通常需要应用切换整流侧换流变压器分接头来协助控制角,使它接近于正常值15°。对于逆变侧，同样如此，保证熄弧角和直流电压在正常值范围内。

139当整流侧采用定电流控制时，通过调节换流变压器分接头的位置，把换流器触发角维持在指定的范围(15°±2.5°)；在逆变侧，通过调整换流变压器分接头位置，把逆变侧熄弧角维持在指定的范围内（18°±2.5°），电压限制在电压参考值附近，当触发角瞬时超过限定范围时，分接头不动作，以免分接头调节频繁动作。只有当触发角连续超过限定范围的时间大于时滞时间时，才允许启动分接头调节。14011.无功功率控制无功功率补偿设备包括交流滤波器，并联电容器，并联电抗器，以及针对弱系统所配置的同步调相机或静止无功补偿装置。交流滤波器具有双重功能，不仅可以滤除换流站发出的大量谐波，还可以作为基频下的无功功率补偿装置，并联电容器提供一部分无功补偿容量。不同的直流工程，滤波器和电容器分成几组，由电力开关进行投切，这适用于对换流站交流母线电压不需要快速控制的场合。

141电容器组和滤波器组无功功率补偿容量可计算得出：

C:为电容器滤波器组等效电容

从上式可以看出，无功功率消耗与触发角有着密切的关系，而触发角与交流电压及换流变压器分接头位置有着密切的关系。此外，换流变压器阻抗的变化及传输线阻抗的变化也对无功功率有着重要的影响。

142

无功功率控制目的：通过投切交流滤波器组或电容器组实现交直流无功功率交换的平衡或者交流母线电压的稳定。目前大多数直流工程均采用投切电容器或滤波器组的方式进行无功功率控制。投切电容器或滤波器组会造成换流站交流母线的过电压，特别是弱交流系统，过电压现象更加明显，这就决定了最大滤波器组的投切容量。最大滤波器组产生过电压的计算式：

为投切滤波器组的无功补偿容量

为交流系统的短路容量

为投切后并联于交流母线总的无功补偿容量

143交流母线的过电压，除了与最大滤波器组有关外，还与投切滤波器组后直流系统的控制策略有关。此外，不同的直流工程其对过电压的要求也不一样，需要结合实际的工程进行整定。当无功补偿的最大滤波器电容器组确定后，可通过交直流系统的无功功率或换流站交流母线电压进行滤波器电容器组的投切控制。计算条件如下：无功功率控制策略为预先设定的控制死区，其应大于最大滤波器电容器组的补偿容量，从而避免了开关投切动作的频繁启动及控制的不稳定。144

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α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：

华中高压直流控制系统特性曲线1145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，HH’段的方程式为：华中高压直流控制系统特性曲线2146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α和逆变侧γ在正常范围内。如果整流侧电压下降，整流侧定电流控制器输出到换流站的触发角将减小维持直流电流恒定，即控制曲线1向下平移。华中高压直流控制系统特性曲线3147当触发角被调节到其下限αmin时，此时整流侧被限制在定αmin

控制曲线上，即GH曲线。随着整流侧交流电压的降低，控制曲线GH向下平移，直流系统将运行于B、C各点。C点为整流侧定αmin

，逆变侧定电流控制特性的交点，此时：华中高压直流控制系统特性曲线4148如果逆变侧交流电压下降而整流侧交流电压保持正常时，运行点移动到D点，它是整流侧定电流控制特性与逆变侧定熄弧角下移控制特性的交点。图2.2华中高压直流控制系统特性曲线华中高压直流控制系统特性曲线51493.5HVDC的谐波特性1.直流侧谐波特征谐波

n=kp6脉动换流器6、12、18、…12脉动换流器12、24、36、…非特征谐波产生的原因：

交流电压中含有谐波电压两个6脉动组的换流变漏抗／变比误差两极换流器运行参数不相等换流变三相漏抗误差触发脉冲不等距150直流谐波的危害

1）对直流系统本身直流侧设备附加发热设备额定值运行费用

2）对直流线路和接地极线路邻近通信系统的干扰，主要是明线电话线路

3）通过换流器使交流谐波换流器是频率转换器151减小直流谐波的途径增加脉动数超过12脉动不合算减小阀的触发角受运行方式限制改变直流线路参数增大衰减常数(理论)

装设直流滤波器工程应用直流滤波器类型无源型(葛南、三常、三广等)

有源型完全有源型混合有源型(天广)152直流滤波器的配置方案：目前世界上的HVDC工程，通常采用如下直流滤波器的配置方案：(1)在12脉冲换流器低压端的中性母线和地之间连接一台中性点冲击电容器以滤除流经该处的各低次非特征谐波，一般不装设低次谐波滤波器以避免增加投资。(2)在换流站每极直流母线和中性母线之间并联两组双调谐或三调谐无源直流滤波器。调谐到12／24／36次。1532.

换流器交流侧谐波(特征谐波)n＝kp±1k=1,2,3,….,n6脉动换流器5,7；11,13；17,19；23,25；….12脉动换流器11,13；23,25；35,37；….

谐波次数，幅值。

InI1/n

换流器产生的谐波随运行工况而变化(如

Id,,)。

交流谐波的危害损耗增加电器发热机械振动154交流谐波随直流电流变化155谐波治理

加装相应滤波器，不让谐波流入系统。背景谐波的影响低次谐波:调谐滤波器单调谐双调谐三调谐高次谐波:高通156换流器交流侧谐波(非特征谐波)

非特征谐波产生原因：Id中存在纹波Uac

中存在谐波交流基波电压不对称换流变阻抗相间差异Y/Y和Y/换流桥点火角差异、变比差异、阻抗差异点火脉冲不完全等距

治理：必要时加装相应滤波器，如3次谐波滤波器。157谐波指标定义单次谐波畸变率Dn

=Un*100%/U1

总的谐波畸变率

D =/U1*100%

电话谐波波形系数