2023/2/6

徐永海華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院新能源電網(wǎng)研究所Chap.5直流控制與保護(hù)

高壓直流輸電2023/2/62課程安排

第五章直流控制與保護(hù)5.1直流控制系統(tǒng)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工程實(shí)例介紹2023/2/63第五章直流控制與保護(hù)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的重要性

直流輸電運(yùn)行性能、保護(hù)均極大地依賴于控制系統(tǒng)。直流控制保護(hù)系統(tǒng)的基本功能

起?？刂浦绷鞴β蚀笮〖胺较蚩刂埔种艸VDC不正常運(yùn)行及對(duì)所連交流電網(wǎng)的干擾故障保護(hù)對(duì)換流站、直流線路的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視與交流變電所設(shè)備接口及與運(yùn)行人員聯(lián)系2023/2/645.1直流控制系統(tǒng)的配置直流控制保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)多重化設(shè)計(jì)為了達(dá)到直流工程所要求的可用率及可靠性指標(biāo)，采用多重化設(shè)計(jì)。通常采用雙通道設(shè)計(jì)，一個(gè)工作，另一個(gè)熱備用。

也有個(gè)別采用三通道設(shè)計(jì)，三取二表決輸出方案。分層結(jié)構(gòu)2023/2/655.1直流控制系統(tǒng)的配置分層結(jié)構(gòu)。兩端直流輸電控制系統(tǒng)一般分為6個(gè)層次等級(jí)雙極方式HVDC原理圖

高層

低層

慢

快雙極控制級(jí)極控制級(jí)換流閥控制級(jí)系統(tǒng)控制級(jí)換流器控制級(jí)單獨(dú)控制級(jí)可合并(當(dāng)只有一回雙極線路時(shí))可合并(當(dāng)每極只有一個(gè)換流單元時(shí))2023/2/665.1直流控制系統(tǒng)的配置換流閥控制級(jí)為對(duì)各個(gè)閥分別設(shè)置的等級(jí)最低的控制層次，由地電位控制單元（VBE）和高電位控制單元（TE）兩個(gè)部分構(gòu)成。主要功能有：將處于地電位的換流器控制級(jí)送來的閥觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行變換處理；晶閘管元件和組件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。2023/2/675.1直流控制系統(tǒng)的配置單獨(dú)控制級(jí)除換流器外，其他各項(xiàng)設(shè)備分別設(shè)置的自動(dòng)控制、操作控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，與換流閥控制級(jí)同屬于最低層次的控制級(jí)別。包括：換流變壓器分接開關(guān)切換控制；換流閥冷卻及輔助系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)；斷路器、隔離開關(guān)的操作和狀態(tài)監(jiān)測(cè)；濾波器組投切控制等。2023/2/685.1直流控制系統(tǒng)的配置換流器控制級(jí)是控制直流輸電一個(gè)換流單元的控制層次，用于控制換流器的觸發(fā)相位，主要控制功能有：換流器觸發(fā)相位控制；定電流控制；定關(guān)斷角控制；直流電壓控制；換流單元閉鎖和解鎖順序控制等。2023/2/695.1直流控制系統(tǒng)的配置極控制級(jí)是控制直流輸電一個(gè)極的控制層次。雙極直流輸電系統(tǒng)要求一極故障時(shí)，另一極能夠單獨(dú)運(yùn)行，并能完成主要的控制任務(wù)。因此，要求兩極各自的極控制級(jí)完全獨(dú)立并設(shè)置盡可能多的控制功能。主控制站的極控制級(jí)還擔(dān)負(fù)協(xié)調(diào)從控制站同一極的極控制級(jí)工作的任務(wù)。主要功能有：根據(jù)雙極控制級(jí)給定的功率整定值等，經(jīng)計(jì)算向換流器控制級(jí)提供電流整定值；直流輸電功率控制；極起動(dòng)和停運(yùn)控制；故障處理控制（包括停運(yùn)和自動(dòng)再起動(dòng)、低壓限流控制等）；各換流站同一極之間的遠(yuǎn)動(dòng)和通信。2023/2/6105.1直流控制系統(tǒng)的配置雙極控制級(jí)

為雙極直流輸電系統(tǒng)中同時(shí)控制兩個(gè)極的控制層次，它用指令形式協(xié)調(diào)控制雙極的運(yùn)行。主要功能有：根據(jù)系統(tǒng)控制級(jí)給定的功率指令，決定雙極的功率定值；功率傳輸方向的控制；兩極電流平衡控制；換流站無功功率和交流母線電壓控制等。2023/2/6115.1直流控制系統(tǒng)的配置系統(tǒng)控制級(jí)

為直流輸電控制系統(tǒng)中級(jí)別最高的控制層次。主要功能有：與電力系統(tǒng)調(diào)度中心通信聯(lián)系，接受控制指令，輸送有關(guān)運(yùn)行信息；根據(jù)調(diào)度中心的輸電功率指令，分配各直流回路的輸電功率；緊急功率支援控制；潮流反轉(zhuǎn)控制；各種調(diào)制控制等。2023/2/6125.2直流控制原理HVDC等效電路-1整流器等效電路逆變器等效電路外特性方程：2023/2/6135.2直流控制原理HVDC等效電路-2整流器等效電路逆變器等效電路外特性方程：2023/2/6145.2直流控制原理直流電流其中，理想空載直流電壓：或定γ等效電路，定β等效電路2023/2/6155.2直流控制原理直流功率意味著可以通過改變角度（α或β）和交流電壓（U1

）數(shù)值來調(diào)節(jié)直流電流和功率。雙極方式HVDC原理圖,定γ等效電路，定β等效電路2023/2/6165.2直流控制原理直流控制手段觸發(fā)脈沖相位控制：調(diào)節(jié)α(或β)

換流變分接頭控制：調(diào)節(jié)換流變分接頭兩類控制手段比較項(xiàng)目觸發(fā)脈沖相位控制換流變分接頭控制調(diào)節(jié)范圍寬窄調(diào)節(jié)速度快慢調(diào)節(jié)平穩(wěn)性平穩(wěn)不平穩(wěn)結(jié)論主要控制手段輔助控制手段2023/2/6175.3直流基本控制及其控制特性基本控制

保證HVDC正常運(yùn)行所必需的最低限度的控制。包含定觸發(fā)角控制定電流控制啟?？刂茡Q流變分接頭控制定關(guān)斷角控制定電壓控制潮流反轉(zhuǎn)控制控制配置2023/2/6185.3.1定觸發(fā)角控制控制特性方程:特點(diǎn)關(guān)于α

的下傾的直線簇

α增加，直線向下平移通常o控制特性曲線定αmin控制2023/2/6195.3.2定關(guān)斷角控制關(guān)斷角可直接測(cè)量，但不可直接控制（通過改變逆變器觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)）?？刂铺匦苑匠?特點(diǎn)關(guān)于

γ的下傾的直線簇

γ增加，直線向下平移通常o控制特性曲線2023/2/6205.3.3定電流控制定電流控制(CurrentControl)控制特性方程:選Id

為控制對(duì)象的原因Pd

的變化主要由Id決定有效限制故障電流的上升 兩側(cè)換流站均裝設(shè)定電流控制，因此需要協(xié)調(diào)配合。2023/2/6215.3.3定電流控制配合原則整流站定電流控制為主逆變站定電流控制為輔逆變站定電流控制目的 當(dāng)Id下降過多時(shí)，協(xié)助整流站定電流控制，使Id迅速恢復(fù)正常值。ΔId2023/2/6225.3.3定電流控制基本控制原則----電流裕度法自1954年果特蘭島HVDC工程至今一直沿用，被證明是十分有效的控制方法；穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行下都必須保持足夠的電流裕度ΔId

；一般情況下：直流基本控制特性ΔId穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作點(diǎn)2023/2/6235.3.4定電壓控制定電壓控制(VoltageControl)控制特性方程:選Ud為控制對(duì)象的原因：減少逆變站發(fā)生電壓不穩(wěn)定的幾率配合整流站的定電流控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流功率的控制2023/2/6245.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式兩站控制協(xié)調(diào)配合方式1整流站：定電流、定αmin控制逆變站：定電流、定關(guān)斷角（或定直流電壓（虛線））控制直流基本控制特性ΔId穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí)，通常以整流側(cè)定直流電流，逆變側(cè)定關(guān)斷角（或定直流電壓）運(yùn)行，運(yùn)行點(diǎn)為N；當(dāng)整流側(cè)交流電壓降低(可能由附近的故障引起)或逆變側(cè)交流電壓升高很多時(shí)，使整流器進(jìn)入定αmin控制，逆變側(cè)自動(dòng)轉(zhuǎn)為控制直流電流，運(yùn)行點(diǎn)為M。M●2023/2/625極弱受端系統(tǒng)時(shí)可能出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定—“三交點(diǎn)不穩(wěn)定”其中，N、B--穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)A—不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)（直流電流將在兩個(gè)定值之間來回振蕩）原因弱受端系統(tǒng)短路容量小，逆變器換相電抗大，定關(guān)斷角特性斜率將大于整流器定α角特性的斜率，就可能出現(xiàn)B、A、N三個(gè)交點(diǎn)情況。5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/626解決上述問題的有效方法是在逆變器曲線與整流器定電流段交點(diǎn)附近調(diào)整為一段正斜率，如圖所示。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作點(diǎn)5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/627三---常直流工程控制特性2023/2/628低壓限流（VDCOL---Voltage-dependentCurrent-orderLimit）

指在某些故障情況下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流電壓低于某一值時(shí)，自動(dòng)降低直流電流調(diào)節(jié)器的整定值，待直流電壓恢復(fù)后，又自動(dòng)恢復(fù)整定值的控制功能。

最初是作為換流閥換相失敗故障的一種保護(hù)措施，后來被許多現(xiàn)代高壓直流工程，尤其是具有弱交流系統(tǒng)的直流工程所采用，用來改善故障后直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。VDCOL靜態(tài)特性5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/629避免逆變器長時(shí)間換相失敗，保護(hù)換流閥連續(xù)換相失敗時(shí)直流電壓降低，直流電流上升，一些換流閥會(huì)長時(shí)間流過大電流，影響壽命或損壞。通過降低電流整定值來減少發(fā)生后續(xù)換相失敗的幾率，從而可以保護(hù)晶閘管元件。5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/630避免交流系統(tǒng)故障時(shí)直流系統(tǒng)的不穩(wěn)定性交流系統(tǒng)故障后，如果直流電流增加，則換流器吸收的無功功率也增加，這將進(jìn)一步降低交流電壓，可能產(chǎn)生電壓不穩(wěn)定；而當(dāng)直流電流減少時(shí)，換流器吸收的無功功率也減少，這將有利于交流電壓的恢復(fù)，避免交流電壓不穩(wěn)定。

系統(tǒng)故障后快速恢復(fù)功率傳輸

在交流電壓恢復(fù)期間，平穩(wěn)增大直流電流來恢復(fù)直流系統(tǒng)。若恢復(fù)太快，換流器需要吸收較大的無功功率，將影響交流電壓的恢復(fù)。5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/631直流工程控制特性5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/632兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2整流站：定電流、定αmin控制逆變站：定電壓、定電流控制、定關(guān)斷角穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作點(diǎn)適用性：弱受端系統(tǒng)5.3.5兩站控制協(xié)調(diào)配合方式2023/2/6335.3.6啟?？刂品诸愓?dòng)正常停運(yùn)故障緊急停運(yùn)（故障后的）自動(dòng)再啟動(dòng) 為減小啟停過程產(chǎn)生的過電壓和過電流，以及對(duì)兩側(cè)系統(tǒng)的沖擊，正常啟停按照一定步驟順序進(jìn)行。2023/2/6345.3.6.1正常啟動(dòng)控制順序主要步驟合兩側(cè)交流斷路器，使換流變壓器和換流器帶電；合兩側(cè)直流線路開關(guān)，使直流線路與換流器相連；兩端換流站分別投入適量的交流濾波器支路；在α=900

（或大于900）的條件下，先解鎖逆變器，后解鎖整流器；逆變側(cè)的直流電壓（或關(guān)斷角）調(diào)節(jié)器按起動(dòng)過程中對(duì)直流電壓變化規(guī)律的要求，逐漸升高直流電壓直至運(yùn)行的整定值（或關(guān)斷角整定值）；2023/2/6355.3.6.1正常啟動(dòng)控制順序主要步驟與此同時(shí)，整流側(cè)的電流調(diào)節(jié)器按起動(dòng)過程中對(duì)直流電流變化規(guī)律的要求，逐漸升高直流電流直至運(yùn)行的整定值；在直流電壓和直流電流均升到整定值時(shí)，起動(dòng)過程結(jié)束。

在此過程中，交流濾波器組隨直流功率的增加而逐組投入，以滿足無功平衡要求。2023/2/6365.3.6.1正常啟動(dòng)控制順序正常啟動(dòng)時(shí)間一般為幾秒幾十分鐘受端系統(tǒng)越弱，正常啟動(dòng)時(shí)間越長雙極方式HVDC原理圖2023/2/6375.3.6.2正常停運(yùn)控制順序主要步驟整流側(cè)的電流調(diào)節(jié)器按停運(yùn)過程中對(duì)直流電流變化規(guī)律的要求，逐漸減小直流電流到運(yùn)行的最小值，在此過程中交流濾波器組隨直流功率減小而逐組切除，以滿足無功平衡要求；閉鎖整流器觸發(fā)脈沖，或使α=12001500，工作于逆變狀態(tài)，延時(shí)20-40ms后，再閉鎖觸發(fā)脈沖，并切除整流側(cè)余下的交流濾波器組；直流電流為零后，閉鎖逆變器觸發(fā)脈沖，并切除逆變側(cè)余下的交流濾波器組；斷開兩側(cè)直流線路開關(guān)；斷開兩側(cè)交流斷路器正常停運(yùn)時(shí)間：一般為幾百ms2023/2/6385.3.6.3故障緊急停運(yùn)控制順序故障緊急停運(yùn)：交直流系統(tǒng)故障中的停運(yùn)過程。目的：抑制直流電流，迅速消除故障點(diǎn)電弧控制順序快速移相：α=12001500（整流器），使兩端換流器都處于逆變狀態(tài)，將直流系統(tǒng)內(nèi)所儲(chǔ)存的能量迅速送回兩端交流系統(tǒng)。直流電流為零后，閉鎖整流器，閉鎖逆變器斷開兩側(cè)直流線路開關(guān)斷開兩側(cè)交流斷路器故障緊急停運(yùn)時(shí)間:一般為幾十ms2023/2/6395.3.6.4自動(dòng)再起動(dòng)控制順序目的：直流線路瞬時(shí)故障后，迅速恢復(fù)送電主要步驟檢測(cè)到直流線路接地故障后，立即將整流器緊急移相到α=12001500，使兩端換流器都處于逆變狀態(tài)，將直流系統(tǒng)內(nèi)所儲(chǔ)存的能量迅速送回兩端交流系統(tǒng)，直流電流在20~40ms內(nèi)降到零。2023/2/6405.3.6.4自動(dòng)再起動(dòng)控制順序主要步驟經(jīng)過預(yù)先整定的100-500ms的弧道去游離時(shí)間，按一定速度自動(dòng)減小整流器的觸發(fā)角，使其恢復(fù)為整流運(yùn)行，并快速將直流電壓和電流升到故障前的運(yùn)行值（或某預(yù)定值）。如果故障點(diǎn)的絕緣未能及時(shí)恢復(fù)，在直流電壓升到故障前的運(yùn)行值之前可能再次發(fā)生故障。這是可進(jìn)行第二次自動(dòng)再起動(dòng)。2023/2/6415.3.6.4自動(dòng)再起動(dòng)控制順序主要步驟如果第二次自動(dòng)再起動(dòng)仍未成功，還可進(jìn)行第三次、甚至第四次再起動(dòng)。若達(dá)到預(yù)定的再起動(dòng)次數(shù)，但均未成功，則認(rèn)為故障是持續(xù)性的。此時(shí)就發(fā)出停運(yùn)信號(hào)，使直流系統(tǒng)停運(yùn)。2023/2/6425.3.6.4自動(dòng)再起動(dòng)控制順序特點(diǎn)由于控制系統(tǒng)的快速作用，直流輸電的自動(dòng)再起動(dòng)一般比交流系統(tǒng)的自動(dòng)重合閘時(shí)間要短，因而對(duì)兩端交流系統(tǒng)的沖擊也較小。2023/2/6435.3.7潮流反轉(zhuǎn)控制主要步驟（靠改變直流電壓極性實(shí)現(xiàn)）整流側(cè)的電流調(diào)節(jié)器將直流電流按預(yù)先整定的速率降至最小容許值（通常為額定電流的10%，在此過程中，應(yīng)保持電流裕度，即逆變側(cè)電流也應(yīng)減?。荒孀冋镜闹绷麟妷赫{(diào)節(jié)器將直流線路電壓按預(yù)先整定的速率降至零；與此同時(shí)，為保持直流電流恒定，整流側(cè)的直流電壓也相應(yīng)降低（略高于逆變側(cè)）；雙極方式HVDC原理圖2023/2/6445.3.7潮流反轉(zhuǎn)控制主要步驟（靠改變直流電壓極性實(shí)現(xiàn)）由功率方向控制回路將兩站控制回路中的功率傳送方向標(biāo)志反轉(zhuǎn)，從而使兩換流站控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器配置相應(yīng)切換。現(xiàn)在的逆變站的直流電壓調(diào)節(jié)器將直流線路電壓按預(yù)先整定的速率升至反向后的預(yù)定值；現(xiàn)在的整流站的電流調(diào)節(jié)器將直流電流按預(yù)先整定的速率升至反轉(zhuǎn)后的預(yù)定值，從而完成整個(gè)潮流反轉(zhuǎn)過程。

潮流反轉(zhuǎn)過程所需時(shí)間通常為200~500ms。2023/2/6455.3.8換流變分接頭控制目的保持觸發(fā)角在合適的角度保持關(guān)斷角在合適的角度保證直流電壓在期望值保證換流變閥側(cè)空載電壓恒定控制原則：考慮數(shù)秒延時(shí)

圖

高壓直流控制系統(tǒng)特性曲線5.4工程實(shí)例介紹

圖中直線段1、HD為整流側(cè)的控制特性。其中HD為恒電流控制的結(jié)果，是恒電流段；1表示觸發(fā)角不變情況下與的關(guān)系，為線性關(guān)系，是恒觸發(fā)角段。1段的方程式為：

5.4工程實(shí)例介紹

圖中直線段HH’、H’C為逆變側(cè)的控制特性。其中H’C為恒電流段；HH’為定熄弧角段5.4工程實(shí)例介紹

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定熄弧角控制，即直流系統(tǒng)運(yùn)行于A點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)分接頭維持整流側(cè)觸發(fā)角和逆變側(cè)在正常范圍內(nèi)。如果整流側(cè)電壓下降，整流側(cè)定電流控