高压直流输电 直流控制与保护
高压直流输电控制保护系统功能及应用
Ｆｕ ｎｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｈ ＶＤＣ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎｄ Ｐｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
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以及控 制 系统本 身 的相关 信息 ｌ ＿ Ｅ ］ 。 控 制 系统采 用分 层分 布式 结构 ， 完全 冗余 配置 ，
其 层次 结构 （ 如图 １ ） 分 为 三层 ： 站 控层 、 极 控 制 层 和
换 流器 层 。
扩大至 ３ ９个 ， 输 送 容量将 达 到 １ ８ ７ ． ４ ５ ＧＷ ， 最 高 电
Ｖｏｌ Ｉ ３７ № ３
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ３
湖 北 电 力
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高压 直 流 输 电控 制 保 护 系统 功 能及 应 用
特高压直流输电控制与保护技术的探讨
特高压直流输电控制与保护技术的探讨摘要：随着特高压大电网、交直流并网等领域的不断发展，直流输电技术在实际工程中得到了越来越多的应用。
本文主要基于对直流输电技术和换流技术的深入研究，并结合±800 kV特高压直流输电工程，对其分层冗余结构、控制和保护技术进行了较为系统的阐述，以期更好地确保特高压大电网及交直流并网安全稳定运行提供良好技术支撑。
关键词：特高压；直流输电工程；换流技术；控制和保护技术引言在我国电网发展中，特高压直流输电起着举足轻重的作用。
其中，控制与保护是其中的关键，其能保证传输电源的正常运行，并能有效地保证传输电源的安全。
±800 kV特高压直流每极均采用串联、母线区连接方式，各电极工作方式灵活、完整，这对保证其工作性能将能够发挥良好的辅助作用。
1 直流输电简介1.1 直流输电系统当前直流输电系统通常采用两端直流传输的方式，包括整流站、直流线路和逆变站。
1.2 换流技术换流站的关键部件为换流器，它包括一个或几个换流器，其电路都是三相换流桥，主要材料为晶闸阀。
其基本工作原理是：通过对桥式阀门的触发时间进行控制，从而实现对直流电压瞬时值、电阻上直流电流、直流传输功率的调整。
同时，对各个桥式阀门的晶闸管单元进行同一触发脉冲控制。
2 特高压直流输电的特点特高压直流输电的特点具体包括：①增加传送能力，增加传送距离。
②节约了线路走廊和变电所的空间。
③有利于联网，简化网络结构，降低故障率。
3 直流输电控制系统分层冗余结构UHVDC是指超过600 kV的直流输电系统，它的控制和保护系统是分层、分布式、全冗余的。
本文以±800 kV特高压直流工程为例，将其按控制等级划分为三个层次：运行人员控制层、过程控制层和现场控制层。
4 为满足特高压交直流系统动态性能要求的控制技术4.1 降低和避免直流对交流系统的不良影响由于换流技术的机制存在着两个主要的问题：谐波和无功。
传统的方法是，安装合适的容量和数量的直流滤波器/电容，并采用多脉动式变流器。
高压直流输电系统的电力电子保护
高压直流输电系统的电力电子保护高压直流输电（HVDC）系统作为一种有效的电力传输方式，已经得到广泛应用。
然而，由于输电系统中存在复杂的电力电子设备，存在着各种潜在的故障和故障原因，因此必须采取有效的电力电子保护措施，以确保系统的安全可靠运行。
本文将深入探讨高压直流输电系统的电力电子保护技术。
一、高压直流输电系统的概述高压直流输电系统是一种基于半导体器件的电力传输系统，在长距离电力传输中具有一些独特的优势。
与交流输电系统相比，HVDC系统可以实现更高的电压等级、更远的传输距离和更低的传输损耗。
同时，HVDC系统还可以实现交流系统无法做到的某些功能，如无功控制和电力质量调节。
然而，由于高压直流输电系统中存在着许多电力电子设备，如换流器、逆变器等，因此需要采取一系列的电力电子保护措施，以确保系统的正常运行。
二、高压直流输电系统的电力电子保护技术1. 过电压保护：过电压是高压直流输电系统中常见的故障之一，常常由于故障开关或刹车装置故障引起。
为了防止过电压引起的损坏，需要在系统中设置过电压保护装置，及时切断故障电路。
2. 过电流保护：过电流是高压直流输电系统中的一种常见问题，常见于系统发生短路或负载故障时。
过电流保护装置需要根据系统的负荷特性和电流传感器的特性进行合理设置，以确保在过电流事件发生时及时切断电路。
3. 温度保护：高压直流输电系统中的电力电子设备在长时间运行后容易产生过热现象，可能导致设备损坏甚至引发火灾。
为了保护设备的安全运行，需要通过温度传感器监测设备温度，并设置相应的温度保护装置，及时切断电路以防止设备过热。
4. 短路保护：短路是高压直流输电系统中潜在的故障之一，常见于电力电子设备内部电路短路或外部线路短路。
为了防止短路故障对系统造成损害，需要设置短路保护装置，及时切断短路电路。
5. 地故障保护：地故障是高压直流输电系统中的另一个常见问题，常发生在设备绝缘性能不良或外部绝缘损坏的情况下。
直流输电控制保护-保护概述
直流开关场电流差动保护组 直流滤波器保护组
直流极母线差动保护 直流中性母线差动保护 直流极差保护
电抗器过负荷保护 电容器不极引线与接地极保护区
双极中性线保护组 转换开关保护组 金属回线保护组 接地极引线保护组
交流开关场保护区
换流变差动保护组 换流变过应力保护组 换流变不平衡保护组 换流变本体保护组 交流开关场和交流滤波器保护组
对于双调谐滤波器,还应装设谐波过电流保护。
交流滤波器及并联电容器保护
在交流滤波器分组中发生过负载、接地故障或电 容器故障引起的保护跳闸，只应跳开此分组的断 路器，而过压保护动作则应跳开整组以及各分组 的断路器。
由于在交流滤波器中及在并联电容器组中都有大 量的电容器单元，少量的电容器单元故障对滤波 器特性的影响不大，往往并不需要立即切除相关 的滤波器分组，而可以根据损坏的电容器单元数 的多少，采取不同的保护措施。
不正常运行状态：电气元件正常工作遭破坏，但没有发 生故障。
过负荷，最常见的不正常运行状态 频率降低 系统振荡
电力系统保护
故障发生，必须迅速消除故障——保护 电力系统保护是利用故障发生时电力系统的异
常电压与电流等信息，判断故障的存在与否， 然后再采用相应的保护动作策略，完成隔离故 障区域的重要使命。 保护装置的原理结构
流系统，严格来说是一种系统后备保护。 当交流系统的电压过低，以至无法恢复交流系统
时，本保护动作出口，启动ESOF顺序，跳交流 开关。
直流低电压保护
保护区域是换流器 在通信系统故障或者在相关主保护拒动时，若逆
投旁通对
同时触发6脉动换流器接在交流同一相上的一对换流 阀
形成直流侧短路，快速降低直流电压到零，隔离交直 流回路，以便交流侧断路器快速跳闸
高压直流输电技术的关键问题分析
高压直流输电技术的关键问题分析在当今能源需求不断增长和能源分布不均衡的情况下，高压直流输电技术作为一种高效、可靠的输电方式，在电力系统中发挥着越来越重要的作用。
高压直流输电技术具有输电容量大、输电距离远、损耗低等优点，能够实现不同区域电网的互联，优化能源资源配置。
然而，在其应用过程中，也面临着一些关键问题需要解决。
一、换流器技术换流器是高压直流输电系统的核心设备，其性能直接影响着输电系统的可靠性和效率。
目前，常用的换流器主要有晶闸管换流器和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）换流器。
晶闸管换流器技术相对成熟，成本较低，但存在换相失败的风险。
换相失败是指在换流器换相过程中，由于某些原因导致换相不能正常进行，从而引起直流电压下降、直流电流增大等问题，严重时可能会导致系统故障。
为了减少换相失败的发生，需要优化换流器的控制策略、提高交流系统的强度等。
IGBT 换流器具有开关速度快、可控性好等优点，但成本较高。
随着技术的不断进步和成本的降低，IGBT 换流器在高压直流输电领域的应用有望逐渐增加。
二、直流输电线路的绝缘问题高压直流输电线路的绝缘要求比交流输电线路更高。
这是因为直流电压下，绝缘子表面的积污更容易导致沿面放电，而且直流电场分布不均匀，容易引起局部放电。
为了解决绝缘问题，需要选用合适的绝缘子材料和结构。
目前，常用的绝缘子有瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子。
复合绝缘子具有重量轻、耐污性能好等优点，但在长期运行中可能会出现老化问题。
此外，还需要对输电线路的电场分布进行优化设计，采用均压措施来减少局部电场集中。
三、直流输电系统的控制与保护高压直流输电系统的控制与保护是确保系统安全稳定运行的关键。
控制策略需要根据系统的运行状态实时调整直流电压、电流等参数，以实现功率的准确传输和系统的稳定运行。
在保护方面，需要快速准确地检测故障并采取相应的保护措施，如闭锁换流器、切除故障线路等。
同时，还需要考虑故障后的系统恢复策略，尽快恢复系统的正常运行。
高压直流输电系统控制保护整定技术规程
高压直流输电系统控制保护整定技术规程1. 引言高压直流输电系统是一种高效、稳定的输电方式，具有输送大容量、远距离、低损耗等优势。
为了确保高压直流输电系统的安全运行，需要制定一套科学、合理的控制保护整定技术规程。
本文将对高压直流输电系统的控制保护整定技术进行全面详细、完整深入的介绍。
2. 控制保护整定技术的重要性高压直流输电系统是电力系统中的重要组成部分，其稳定运行对于保障电力供应的可靠性至关重要。
控制保护整定技术的合理应用可以提高系统的稳定性，降低故障风险，确保系统的安全运行。
因此，制定一套科学、合理的控制保护整定技术规程对于高压直流输电系统的运行和管理具有重要意义。
3. 控制保护整定技术规程的编制原则制定高压直流输电系统控制保护整定技术规程时，需要遵循以下原则：•安全性原则：确保系统的安全运行是制定技术规程的首要原则。
规程中应包含可靠的控制保护措施，以保护系统免受故障和意外情况的影响。
•稳定性原则：保持系统的稳定运行是制定技术规程的核心原则。
规程中应包含合理的控制策略和整定参数，以确保系统在各种工况下都能保持稳定。
•经济性原则：合理利用资源，降低运行成本是制定技术规程的重要原则。
规程中应包含经济有效的控制保护方案，以最大程度地提高系统的运行效率。
•可操作性原则：规程应具备可操作性，方便运维人员实施。
规程中应包含清晰的操作指南和参数设置方法，以便于实际应用。
4. 控制保护整定技术规程的内容高压直流输电系统控制保护整定技术规程的内容应包括以下方面：4.1 控制策略•控制模式：规定高压直流输电系统的控制模式，包括整流侧和逆变侧的控制方式。
•调节策略：规定控制系统的调节策略，包括电流控制、电压控制、功率控制等。
•控制参数：规定各个控制参数的取值范围和整定方法，确保系统的稳定运行。
4.2 保护策略•故障检测：规定故障检测的方法和准则，包括过流保护、过压保护、短路保护等。
•故障定位：规定故障定位的方法和准则，包括故障测距、故障类型识别等。
直流输电工程控制保护系统总概精选全文
直流控制保护系统概况
Ø 控制位置要求：
– 远方调度中心、集控中心 – 换流站主控室 – 控制系统就地 – 设备就地
Ø 控制位置层次关系：
– 分层结构上越低的位置，其控制优先级越高
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直流输电工程控制保护系统总概
提纲
一．直流控制保护系统概况 二．直流控制保护系统构成 三．德宝工程控制保护设备配置情况 四．系统特点与主要技术改进 五．直流控制保护系统硬件简介
系统切换遵循如下原则：在任何时候运行的有效系统应是双重化系 统中较为完好的那一重系统
系统切换逻辑禁止以任何方式将有效系统切换至不可用系统。系统 切换总是从当前有效的系统来发出。这个切换原则可避免在备用系 统中的不当的操作或故障造成不希望的切换。另外，当另一系统不 可用时，系统切换逻辑将禁止该切换指令的执行。
5. 与远方控制中心的接口子系统
包括：远动系统，用于与网调、省调、直流集控中心等交换直流换流站的监 控数据并执行远方调度命令，由远动工作站、远动通讯设备等组成。
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直流输电工程控制保护系统总概
直流控制保护系统构成
Ø 典型系统解决方案:
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直流输电工程控制保护系统总概
•直流控制（极控）系统
•直流控制（极控）系统
➢ 极控制系统主要包括:
每个极的极控系统主机 分布式现场总线 分布式I/O等设备
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直流输电工程控制保护系统总概
•直流控制（极控）系统
➢ PCP控制主机：
– 完成对换流站内换流器、换流变压器、直流场 设备等的控制和监视功能。收集极控系统范围 内的“事件”并上传送入运行人员控制系统。
Ø 极控系统是整个换流站控制系统的核心，主要功 能是通过对整流侧和逆变侧触发角的调节，实现 系统要求的输送功率或输送电流。
混合多端高压直流输电运行与保护控制技术
混合多端高压直流输电运行与保护控制技术混合多端高压直流输电（HVDCT）是一种新型的输电技术，它能够有效解决传统交流输电系统存在的问题，并具有更高的能效和更好的稳定性。
本文将从混合多端高压直流输电的工作原理、保护控制技术以及应用前景等方面进行探讨。
混合多端高压直流输电是一种将直流电与交流电相结合的输电方式。
它通过将交流电转换为直流电，然后在输电过程中再将直流电转换为交流电，以实现电能的传输。
与传统的交流输电相比，混合多端高压直流输电具有以下优势。
混合多端高压直流输电可以减少输电损耗。
传统的交流输电系统存在电流损耗和电压损耗，而HVDCT系统则可以减少这些损耗，提高能源的利用效率。
其次，HVDCT系统具有更好的稳定性。
由于直流电的稳定性较好，可以减少电力系统的电压波动和频率波动，降低电力设备的故障率。
此外，HVDCT系统还具有较小的电磁辐射和电磁干扰，对环境和周围设备的影响较小。
为了保证混合多端高压直流输电系统的安全稳定运行，需要进行相应的保护控制。
保护控制技术是指通过对输电线路、变电站和终端设备进行监测和保护，实现对系统的安全控制和故障检测。
保护控制技术主要包括电流保护、电压保护、频率保护和故障检测等方面。
电流保护是HVDCT系统中最重要的保护控制技术之一。
它通过对输电线路中的电流进行监测和保护，及时发现和隔离电流异常，以防止电力设备的过载和短路。
电压保护主要是通过对输电线路和变电站的电压进行监测和保护，确保电压的稳定和安全。
频率保护则是对系统的频率进行监测和保护，避免频率异常导致的设备故障。
故障检测是保护控制技术中的重要环节，它通过对系统的状态进行监测和分析，及时发现和排除故障，保证系统的安全运行。
混合多端高压直流输电技术具有广阔的应用前景。
目前，HVDCT系统已经在国内外多个地区得到了广泛的应用。
比如在海上风电场的输电中，HVDCT系统可以有效减少输电损耗，提高风电场的发电效率。
此外，HVDCT系统还可以应用于大型能源互联网和智能电网的建设，以实现电力系统的高效、稳定和安全运行。
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chap.5 直流控制与保护
5.3.5.1 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
2017/2/16
25
chap.5 直流控制与保护
5.3.5.2 正常停运控制顺序
BPP法的主要步骤
逐渐减小电流指令，降低直流电流； 使 α=12001500 ，延时20-40ms后，闭锁整流器；
双极方式HVDC原理图, 定γ 等效电路，定β 等效电路
2017/2/16
9
chap.5 直流控制与保护
5.2 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 调节范围 触发脉冲相位控制 换流变分接头控制 宽 窄
调节速度 调节平稳性
VDCOL静态特性
chap.5 直流控制与保护
5.4 改善直流控制特性的其他控制
2、电流裕度平滑转移（Amax 控制） 3、电流裕度补偿控制（CMR）
Amax控制
2017/2/16
35
chap.5 直流控制与保护
5.4 改善直流控制特性的其他控制
控制特性方程: Udi Ud 0i cos d xi I d
特点
关于 γ的下倾的直 线簇 下平移
U d 0i cos 1
U di
1
2
γ增加，直线向 U d 0i cos 2
通常
U d 0i cos 3
tan d xi
150 ~ 180
2017/2/16 13
整流站：定电流、定αmin控制 逆变站：定关断角、定电流控制 稳态运行工作点 HVDC系统特性： 静态稳定
换相失败风险低 弱受端系统时可 能出现换流母线 电压不稳定
直流基本控制特性
Δ Id
两站控制协调配合方式1
2017/2/16
17
chap.5 直流控制与保护
5.3 直流基本控制及其控制特性
15 2.5
0
0
U d 0 r cos 3
o
12
tan d xr
3
控制特性曲线
min 30 ~ 50
2017/2/16
Id
chap.5 直流控制与保护
5.3.2 定关断角控制
关断角可直接测量，但不可直接控制。
cos cos (3 2I dLr ) /(3U1 )
双极方式HVDC原理图， BPP电路
2017/2/16
27
chap.5 直流控制与保护
5.3.5.4 自动再启动控制顺序
目的：直流线路瞬时故障后，迅速恢复送电 主要步骤
整流器紧急移相
经过100-500ms的弧道去游离时间，按正常启动
恢复HVDC的运行
双极方式HVDC原理图，
2017/2/16
28
3 2
直流电流
或
其中，理想空载直流电压：
Ud 0
2017/2/16
U1 1.35U1
8
定γ 等效电路，定β 等效电路
chap.5 直流控制与保护
5.2 直流控制原理
直流功率
Pdr U dr I d Pdi U di I d
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。
Ud Udref
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
协调控制2, 控制配置， 三交点不稳定
2017/2/16
19
chap.5 直流控制与保护
5.3 直流基本控制及其控制特性
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 HVDC系统特性：
2017/2/16
11
chap.5 直流控制与保护
5.3.1 定触发角控制
控制特性方程: 特点
关于α 的下倾
U dr U d 0r cos d xr I d
U dr
定αmin控制
1
2
的直线簇
α增加，直线 向下平移
U d 0r cos 1 U d 0 r cos 2
通常
N
I dr I d I di I di I d I dr
Idref
O
2）控制系统自动调节
I di
A
Id
潮流反转示意图
双极方式HVDC原理图，
2017/2/16
30
chap.5 直流控制与保护
5.3.6.2 阀闭锁方式潮流反转
实现方法: 先停运，后启动
功率方向 (+) / MW 需要设置新的功率方向 新的功率变化速率 MW / Min 新的功率电流定值 -XMW
控制原则：考虑数秒延时
2017/2/16
32
chap.5 直流控制与保护
5.4 改善直流控制特性的其他控制
包含：
低压限流（ VDCOL ）控制 电流裕度平滑转移控制（Amax 控制） 电流裕度补偿控制（CMR）
各种限制环节： 如αmin、 αmax 、 Idmin 、 Idmax
2017/2/16
2017/2/16
14
chap.5 直流控制与保护
5.3.3 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。
Δ Id
2017/2/16
15
chap.5 直流控制与保护
5.3.3 定电流控制
2017/2/16 7
U di U d 0i cos d xi I d
chap.5 直流控制与保护
5.2 直流控制原理
U dor cos U doi cos Id d xr Rd d xi U dor cos U doi cos Id d xr Rd d xi
合两侧直流线路开关，使直流线路与换流器相连； 以 α=1800 的角度解锁逆变器，建立直流电压 （0.7~0.8p.u.）； 以α=1500 的角度解锁整流器；
同时减小两侧α ，建立直流电流。
2017/2/16
23
chap.5 直流控制与保护
5.3.5.1 正常启动控制顺序
2、正常启动控制方法2（先建电流，后建电压又 称“BPP法/旁通对启动法”）的控制顺序
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
2017/2/16 3
chap.5 直流控制与保护
第五章 直流控制与保护
直流控制保护系统的特点
分层结构 多重化设计
2017/2/16
4
chap.5 直流控制与保护
5.1 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 高层
可合并
系统控制级 双级控制级 极控制级
可合并
慢
换流器控制级
快
低层
2017/2/16
换流阀控制级
双极方式HVDC原理图
单独控制级
5
chap.5 直流控制与保护
5.2 直流控制原理
进行。
2017/2/16 21
chap.5 直流控制与保护
5.3.5.1 正常启动控制顺序
正常启动控制类型
先建电压，后建电流
先建电流，后建电压
2017/2/16
22
chap.5 直流控制与保护
5.3.5.1 正常启动控制顺序
1、正常启动控制方法1（先建电压，后建电流）的 控制顺序
合两侧交流断路器，使换流变压器和换流器带电；
chap.5 直流控制与保护
5.3.6 潮流反转控制
每侧控制系统均具有“三段式组合控制”
常用方法
阀不闭锁方式 阀闭锁方式
Ud
O
Idref
Id
组合控制特性
2017/2/16 29
chap.5 直流控制与保护
5.3.6.1 阀不闭锁方式潮流反转
实现方法
1）反置裕度整定
新逆变器: 新整流器:
Ud
高压直流输电
Chap.5 直流控制与保护
2017/2/16
chap.5 直流控制与保护
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 改善直流控制特性的其他控制
2017/2/16
2
chap.5 直流控制与保护
第五章 直流控制与保护
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： U dr U d 0r cos d xr I d
2017/2/16 6
Udi Ud 0i cos d xi I d
chap.5 直流控制与保护
5.2 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： U dr U d 0r cos d xr I d
稳态运行工作点
极弱受端系统时可能出现另一种电压不稳定—
“三交点不稳定” 其中，