王云昊

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，天津 300113)

直流控制系統(tǒng)研究分析

王云昊

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，天津 300113)

直流控制是發(fā)展高壓直流輸電的核心內(nèi)容。分析了整流測(cè)定電流控制、逆變側(cè)定關(guān)斷角控制以及低壓限流環(huán)節(jié)控制，特別的分析了低壓限流環(huán)節(jié)與一次換相失敗以及連續(xù)換相失敗之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明不同控制環(huán)節(jié)共同作用，對(duì)維持直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用；低壓限流環(huán)節(jié)對(duì)預(yù)防換相失敗的發(fā)生也具有積極作用。

直流輸電；定電流控制；定關(guān)斷角控制；低壓限流

0 前言

近年來(lái)，HVDC(high voltage direct current)高壓直流輸電在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。HVDC包括LCC-HVDC(line-commutated converter-high voltage direct current)和 VSC-HVDC(voltagesource commutation-high voltage direct current)。LCC-HVDC需要有源逆變，因此受端交流系統(tǒng)一定為有源系統(tǒng)；而VSC-HVDC利用全控型器件絕緣柵雙極晶體管，不需要有源逆變，因此一般連接于無(wú)源系統(tǒng)或者弱的交流系統(tǒng)，主要向孤立的遠(yuǎn)方小負(fù)荷區(qū)供電、風(fēng)力發(fā)電站或小型水電站等[5]。現(xiàn)階段，雖然VSC-HVDC的輸送電壓等級(jí)可以較高，但遠(yuǎn)距離大容量輸電中仍然主要利用LCC-HVDC。此外為了適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和對(duì)電量的需求，正在發(fā)展800 kV直流的骨干網(wǎng)架。云廣800 kV直流輸電工程在2009年實(shí)現(xiàn)單極投運(yùn)，并于2010年雙極投運(yùn)[1]。高壓直流輸電已成為我國(guó)電力發(fā)展的必然趨勢(shì)。

高壓直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)不盡相同。對(duì)于交流系統(tǒng)而言，當(dāng)發(fā)生交流故障時(shí)，可以通過(guò)斷路器的開(kāi)端來(lái)切除故障；但對(duì)于直流系統(tǒng)而言，由于高壓斷路器尚未得到應(yīng)用，使得高壓直流輸電的保護(hù)與控制融為一體，直流系統(tǒng)的保護(hù)是通過(guò)控制得以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)直流控制也是保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。因此研究直流系統(tǒng)的控制具有重要意義。

文中首先介紹了直流系統(tǒng)的分層控制結(jié)構(gòu)，然后重點(diǎn)分析了整流測(cè)定電流控制、逆變側(cè)定關(guān)斷角控制以及低壓限流環(huán)節(jié)控制，并詳細(xì)研究了低壓限流環(huán)節(jié)對(duì)一次換相失敗與連續(xù)換相失敗之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明：如果低壓限流環(huán)節(jié)投入很快，此時(shí)對(duì)防止換相失敗的發(fā)生具有積極作用；如果投入時(shí)間較慢，對(duì)于防止連續(xù)換相失敗的發(fā)生同樣具有積極意義。

1 直流控制系統(tǒng)的研究

LCC-HVDC控制系統(tǒng)作為L(zhǎng)CC-HVDC核心技術(shù)之一，是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。目前世界范圍內(nèi)已投運(yùn)的直流工程大都由ABB和SIEMENS承建。雖然已有文獻(xiàn)對(duì)工程進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，如文獻(xiàn) [2]對(duì)天廣直流工程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；文獻(xiàn) [3]對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)控制體系框架的研究和闡述不足。所以，進(jìn)一步闡述 LCCHVDC控制體系框架是有必要也有意義的。

1.1 直流輸電系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

LCC-HVDC直流輸電系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)一般分為3個(gè)等級(jí)[4]：第一等級(jí)為主控制級(jí)，第二等級(jí)為極控制極，第三等級(jí)為閥組控制極。一般來(lái)說(shuō)，主控制級(jí)接收來(lái)自調(diào)度中心的功率指令Pset，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后發(fā)送一個(gè)直流電流指令I(lǐng)set給極控制級(jí)，極控制級(jí)經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算后發(fā)送一個(gè)觸發(fā)角指令給閥組控制單元。各控制極之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 各控制極之間的關(guān)系示意圖

需要指出的是，3個(gè)控制極的響應(yīng)時(shí)間不盡相同，控制的等級(jí)越高，響應(yīng)越慢。一般來(lái)說(shuō)，主控制級(jí)的相應(yīng)時(shí)間在100 ms左右，但閥組控制極的相應(yīng)時(shí)間為1～4 ms[4]。

1.2 LCC-HVDC控制器的研究

圖2表示的是LCC-HVDC典型的接線圖。一般由整流器和逆變器兩部分構(gòu)成。對(duì)于受端交流系統(tǒng)而言，必須是有源系統(tǒng)，即逆變器的換相過(guò)程必須為有源逆變。

圖2 LCC-HVDC典型接線圖

在極控制級(jí)中，整流測(cè)一般配備定電流控制器；逆變側(cè)通常配備定電壓控制器、定電流控制器以及定γ角控制器。無(wú)論是整流測(cè)還是逆變側(cè)，在定電流控制器中都設(shè)置了低壓限流環(huán)節(jié)指令(Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL)。在正常運(yùn)行時(shí)，整流測(cè)一般為定電流控制，逆變側(cè)一般為定γ角控制。因此下面將重點(diǎn)研究VDCOL控制、整流測(cè)定電流控制和逆變側(cè)定角控制。

1.2.1 VDCOL控制

VDCOL控制環(huán)節(jié)是指通過(guò)跟蹤交流側(cè)或者直流側(cè)電壓來(lái)決定實(shí)際的直流電流大小，如圖3所示。圖3中電壓U可以表示交流電壓Uac，也可以表示直流電流Udc的大小。通過(guò)圖3可以看出，在AB段內(nèi)，隨著 (交流或直流)電壓的減小，直流電流的整定值也隨之變小，這一特征對(duì)減少換相失敗的發(fā)生具有重要的作用。

圖3 VDCOL控制模式

換相失敗是指在換相電壓反向之前未能完成換相的故障。換相失敗不是由于換流閥的誤操作引起的，而是由于換流閥外部電流的條件引起的，比如外部交流側(cè)故障[1]。現(xiàn)階段研究表明，關(guān)斷角γ大小可以表征是否發(fā)生了換相失敗故障。式(1)給出了關(guān)斷角的計(jì)算公式[5]：

式中k為換流變壓器的變比，Xc為換相電抗，UL為換流母線線電壓有效值，β為越前觸發(fā)角。φ表示的是發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)線電壓過(guò)零點(diǎn)偏移的角度。顯然，發(fā)生對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)φ=0。

當(dāng)γ＜γmin時(shí)表示直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。其中γmin對(duì)應(yīng)換流閥恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間，考慮到串聯(lián)元件的誤差，一個(gè)可控硅閥的恢復(fù)時(shí)間γmin≈10°[6]。

交流側(cè)故障發(fā)生時(shí)，無(wú)論VDCOL是監(jiān)測(cè)直流電壓還是交流電壓，都會(huì)降低直流電流的大小，通過(guò)式可以看出：直流電流Id降低，將會(huì)增大關(guān)斷角γ的大小，因此能減少換相失敗發(fā)生的概率。圖4(a)表示的是交流側(cè)發(fā)生B相故障時(shí)VDCOL的動(dòng)態(tài)過(guò)程圖；圖4(b)表示的是關(guān)斷角的大小。通過(guò)圖4(a)可以看出，故障期間VDCOL投入運(yùn)行，使得直流電流的整定值降為額定值的80%左右，同時(shí)圖4(b)可以看出，此時(shí)的關(guān)斷角γ＞0°(設(shè)置最小關(guān)斷角為0°)，表明此時(shí)并未發(fā)生換相失敗。因此VDCOL的投入對(duì)防止換相失敗的發(fā)生具有積極意義。

需要指出的是，圖4中VDCOL的投入迅速，如果考慮到實(shí)際運(yùn)行條件，VDCOL的投入需要一定的時(shí)間，此時(shí)VDCOL對(duì)一次換相失敗的發(fā)生的預(yù)防效果可能不佳，但隨后會(huì)降低直流電流的整定值，因此對(duì)連續(xù)換相失敗的發(fā)生具有抑制作用。

圖4 VDCOL動(dòng)態(tài)過(guò)程與關(guān)斷角大小

1.2.2 定電流控制器

圖5給出了定電流控制器的控制框圖。整流測(cè)定電流控制輸入量為電流的整定值Iset和實(shí)際電流Idc之間的差值，通過(guò)該差值輸入到PI控制器得到觸發(fā)延遲角的指令值。圖5中，KI的典型值為-1.0°～10°/A.s，KP的典型值為0.01°～0.04°/ A，T=0.01 s[4]。

圖5 定電流控制器

如圖5所示，定電流控制器中的Iset是指考慮了VDCOL環(huán)節(jié)后的電流整定值。同時(shí)，逆變側(cè)的定電流控制的整定值一般比整流測(cè)電流整定值要小。定電流控制器對(duì)于在故障狀態(tài)下盡量維持直流電流的恒定具有重要意義，同時(shí)對(duì)于防止換相失敗的發(fā)生也有一定的積極作用。同時(shí)，定電流控制器輸出的觸發(fā)角α不能無(wú)限的減小，存在一個(gè)最小的觸發(fā)角αmin。因此當(dāng)直流電流下降時(shí)，觸發(fā)角α?xí)档停荒艿陀讦羗in。

1.2.3 定γ角控制器

定γ角控制器一般分為2種類(lèi)型，一種是實(shí)測(cè)型控制器，另一種是預(yù)測(cè)型控制器。其原理框圖如圖6所示。圖6(a)中，KI的典型值為-10°～-20°/deg.s，KP的典型值為0.01°～0.04°s。圖6(b)中預(yù)測(cè)型控制器，是按照式得出的：

通過(guò)式得出的觸發(fā)角α只反映了系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)考慮系統(tǒng)可能變化的情形，最常用的方法就是加入直流電流 Id變化率的信息KdId/dt。

圖6 定γ角控制器

定γ角控制器對(duì)維持直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。當(dāng)直流系統(tǒng)或交流系統(tǒng)故障時(shí)，會(huì)引起直流電流的變化，當(dāng)直流電流增大時(shí)，逆變側(cè)定γ角控制會(huì)使得輸出的觸發(fā)角α增大，以此來(lái)抑制直流電流的增大，避免發(fā)生閥電流過(guò)大或者換相失敗的發(fā)生；當(dāng)直流電流減小時(shí)，逆變側(cè)定γ角控制會(huì)使得輸出的觸發(fā)角α減小，以此來(lái)抑制直流電流的減小，最大程度上保證直流傳輸功率的大小。

2 結(jié)束語(yǔ)

高壓直流輸電是高度可控的，可控性的正確應(yīng)用是其有效運(yùn)行的保證。本文重點(diǎn)分析了定電流控制器、定角控制器以及低壓限流環(huán)節(jié)的控制作用。分析結(jié)果表明直流系統(tǒng)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)相互依賴(lài)，共同作用，對(duì)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，特別的低壓限流環(huán)節(jié)對(duì)防止一次換相失敗或者連續(xù)換相失敗都有積極的作用。

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Study on Control System of LCC-HVDC

WANG Yunhao
(City West Branch Company，State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300113，China)

DC control is the core content of line-commutated converter high voltage direct current(LCC-HVDC)system.The constant-current control，constant extinction angle control and the VDCOL are analyzed in this paper.In addition，the relationship between VDCOL and the commutation failure is researched in detail.The analysis results show that different controls work together，and maintain the security and stability of DC power system；the VDCOL can prevent the commutation failure from occurring.

LCC-HVDC；constant-current control；constant extinction angle control；VDCOL

TM85

B

1006-7345(2015)04-0009-03

2014-12-31

王云昊 (1986)，男，碩士，助理工程師，國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司調(diào)控運(yùn)行中心，主要從事電力運(yùn)行等方面工作(email)lunwenzy2013＠163.com。