王云昊

(國網(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，對維持直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要作用；低壓限流環(huán)節(jié)對預(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，HVDC(high voltage direct current)高壓直流輸電在我國得到了迅速發(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，因此一般連接于無源系統(tǒng)或者弱的交流系統(tǒng)，主要向孤立的遠方小負荷區(qū)供電、風(fēng)力發(fā)電站或小型水電站等[5]?，F(xiàn)階段，雖然VSC-HVDC的輸送電壓等級可以較高，但遠距離大容量輸電中仍然主要利用LCC-HVDC。此外為了適應(yīng)我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和對電量的需求，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年實現(xiàn)單極投運，并于2010年雙極投運[1]。高壓直流輸電已成為我國電力發(fā)展的必然趨勢。

高壓直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的運行特點不盡相同。對于交流系統(tǒng)而言，當(dāng)發(fā)生交流故障時，可以通過斷路器的開端來切除故障；但對于直流系統(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與控制融為一體，直流系統(tǒng)的保護是通過控制得以實現(xiàn)的。同時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)，然后重點分析了整流測定電流控制、逆變側(cè)定關(guān)斷角控制以及低壓限流環(huán)節(jié)控制，并詳細研究了低壓限流環(huán)節(jié)對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，此時對防止換相失敗的發(fā)生具有積極作用；如果投入時間較慢，對于防止連續(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LCC-HVDC核心技術(shù)之一，是研究的熱點和重點。目前世界范圍內(nèi)已投運的直流工程大都由ABB和SIEMENS承建。雖然已有文獻對工程進行了相應(yīng)的介紹，如文獻 [2]對天廣直流工程進行了詳細的介紹；文獻 [3]對云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)進行了詳細的介紹。但現(xiàn)有文獻對直流系統(tǒng)控制體系框架的研究和闡述不足。所以，進一步闡述 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個等級[4]：第一等級為主控制級，第二等級為極控制極，第三等級為閥組控制極。一般來說，主控制級接收來自調(diào)度中心的功率指令Pset，經(jīng)過運算后發(fā)送一個直流電流指令I(lǐng)set給極控制級，極控制級經(jīng)過控制運算后發(fā)送一個觸發(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個控制極的響應(yīng)時間不盡相同，控制的等級越高，響應(yīng)越慢。一般來說，主控制級的相應(yīng)時間在100 ms左右，但閥組控制極的相應(yīng)時間為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)，即逆變器的換相過程必須為有源逆變。

圖2 LCC-HVDC典型接線圖

在極控制級中，整流測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。無論是整流測還是逆變側(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)。在正常運行時，整流測一般為定電流控制，逆變側(cè)一般為定γ角控制。因此下面將重點研究VDCOL控制、整流測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)是指通過跟蹤交流側(cè)或者直流側(cè)電壓來決定實際的直流電流大小，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]?，F(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)生不對稱故障時線電壓過零點偏移的角度。顯然，發(fā)生對稱性故障時φ=0。

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

交流側(cè)故障發(fā)生時，無論VDCOL是監(jiān)測直流電壓還是交流電壓，都會降低直流電流的大小，通過式可以看出：直流電流Id降低，將會增大關(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VDCOL的動態(tài)過程圖；圖4(b)表示的是關(guān)斷角的大小。通過圖4(a)可以看出，故障期間VDCOL投入運行，使得直流電流的整定值降為額定值的80%左右，同時圖4(b)可以看出，此時的關(guān)斷角γ＞0°(設(shè)置最小關(guān)斷角為0°)，表明此時并未發(fā)生換相失敗。因此VDCOL的投入對防止換相失敗的發(fā)生具有積極意義。

需要指出的是，圖4中VDCOL的投入迅速，如果考慮到實際運行條件，VDCOL的投入需要一定的時間，此時VDCOL對一次換相失敗的發(fā)生的預(yù)防效果可能不佳，但隨后會降低直流電流的整定值，因此對連續(xù)換相失敗的發(fā)生具有抑制作用。

圖4 VDCOL動態(tài)過程與關(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。整流測定電流控制輸入量為電流的整定值Iset和實際電流Idc之間的差值，通過該差值輸入到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，逆變側(cè)的定電流控制的整定值一般比整流測電流整定值要小。定電流控制器對于在故障狀態(tài)下盡量維持直流電流的恒定具有重要意義，同時對于防止換相失敗的發(fā)生也有一定的積極作用。同時，定電流控制器輸出的觸發(fā)角α不能無限的減小，存在一個最小的觸發(fā)角αmin。因此當(dāng)直流電流下降時，觸發(fā)角α?xí)档?，但不能低于αmin。

1.2.3 定γ角控制器

定γ角控制器一般分為2種類型，一種是實測型控制器，另一種是預(yù)測型控制器。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)測型控制器，是按照式得出的：

通過式得出的觸發(fā)角α只反映了系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(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角控制器對維持直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要作用。當(dāng)直流系統(tǒng)或交流系統(tǒng)故障時，會引起直流電流的變化，當(dāng)直流電流增大時，逆變側(cè)定γ角控制會使得輸出的觸發(fā)角α增大，以此來抑制直流電流的增大，避免發(fā)生閥電流過大或者換相失敗的發(fā)生；當(dāng)直流電流減小時，逆變側(cè)定γ角控制會使得輸出的觸發(fā)角α減小，以此來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

高壓直流輸電是高度可控的，可控性的正確應(yīng)用是其有效運行的保證。本文重點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)的各個控制環(huán)節(jié)相互依賴，共同作用，對維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要作用，特別的低壓限流環(huán)節(jié)對防止一次換相失敗或者連續(xù)換相失敗都有積極的作用。

[1] 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng) [M].北京：科學(xué)出版社，2009：1-10.

[2] 中國電科院.天廣直流工程保護系統(tǒng)研究技術(shù)報告 [R] .2002.

[3] 李楊.800 kV云廣特高壓工程控制保護運行風(fēng)險及預(yù)控措施研究 [D].華南理工大學(xué)，2013.

[4] 徐政.交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：40-60.

[5] 羅隆福，周金萍，李勇，等.HVDC換相失敗典型暫態(tài)響應(yīng)特性及其抑制措施 [J].電力自動化設(shè)備，2008，28 (4)：5-9.

[6] 荊勇，歐開健，任震.交流單相故障對高壓直流輸電換相失敗的影響 [J].高電壓技術(shù)，2004，30(3)：60-62.

[7] 蔡新紅，趙成勇，龐輝，等.向無源網(wǎng)絡(luò)供電的MMCHVDC系統(tǒng)控制與保護策略 [J].中國電機工程學(xué)報，2014，34(3)：405-414.

[8] 劉濟豪，郭春義，劉文靜，等.基于改進換相面積的直流輸電換相失敗判別方法 [J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2014，41(1)：15-21.

[9] 劉文靜.電壓源、電流源混合型直流輸電的運行機理的研究 [D].華北電力大學(xué)，2014.

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，國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司調(diào)控運行中心，主要從事電力運行等方面工作(email)lunwenzy2013＠163.com。