传统直流输电控制原理
直流系统的工作原理
直流系统的工作原理
直流系统是一种电力传输和分配系统，其工作原理是将电能以直流电的形式从发电站传输到终端用户，通过电流的单一方向流动实现能量的交付和使用。
直流系统的工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 发电：直流电源可以是直接的化学能转化为电能的电池，也可以是经过变流装置将交流电转换为直流电的逆变器。
2. 电能传输：直流电从发电站通过输电线路传输到终端用户。
直流输电线路较交流输电线路损耗更小，因为直流电不会产生电流功率损耗和电磁感应损耗。
3. 电能分配：在直流系统中，将电能分配到不同的用户或负载上，可以通过开关或控制装置来控制电能的分配和开闭。
4. 长距离传输：直流系统在长距离传输中具有优势。
因为直流电的输电损耗较小，不会产生输电损耗的无功功率，并且能够减少输电线路的电磁辐射和串扰，提高传输效率。
5. 调节和控制：直流系统可以通过调节直流电压的大小来控制电能的传输和分配。
具有较高的可调节性和灵活性，可以适应不同负载需求和系统运行状态。
总的来说，直流系统的工作原理是通过将电能以直流电的形式
传输和分配，实现能量的交付和使用。
它具有较低的输电损耗，较高的传输效率和调节灵活性，在特定应用中具有一定的优势。
特高压直流输电技术
换流站国产化水平 提高后直流架空线 路
换流站建设费用
变电站建设费用
14
0 线路等价距离 线路等价距离 输电距离
-800kV DC
8
（二）直流输电技术的分类 • 按工程结构分类
分类I（按换流站数量分类） • 两端直流输电(或“点对点直流输电”) • 多端直流输电 分类II（按线路长度分类） • 长距离直流输电 • 背靠背直流输电 分类III（按电压等级分类） • （超）高压直流输电 • 特高压直流输电
由地下电缆向大城市供电；
交流系统互联或者配电网增容时，作为限 制短路容量的措施之一；
配合新能源输电。
13
交直流等价距离
直流输电的经济性及交直流经济比较：直流输电两侧换流站费用高， ￥1000元/kW；直流线路相对便宜： ￥250万—￥480万/km；与交流 输电的等价距离：600－800km。 换流站设备价格问题：整体成降价趋势： 输送距离超过一定值时， 交流需要增加中间站，加串补。线路的建设费用问题，整体趋势是 上涨，国外由于线路走廊需要征地，费用更高，等价距离更短。
特高压直流输电技术
1
直流输电技术基本原理
（一）直流输电技术的原理
（二）直流输电技术的分类
（三）直流输电技术的特点
2
（一）直流输电技术的原理
直流电概念（相对于交流大小和方向随时间周期变化） 直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程。直流电 必须经过换流（整流和逆变）实现直流电变交流电，然后与交流系 统连接。 直流输电工程构成（换流站、直流线路、接地极、通信与远动）
传统直流输电控制原理
1.整流器部分工作原理整流部分的结构是三相桥式电路，如图1所示。
图1 整流器电路图e a 、e b 、e c 为等值交流系统的工频基波正弦相电动势，图2 整流侧电压波形（a ）为m 、n 点对中性点的电位，（b ）为直流侧电压u d ，（c ）为触发脉冲。
图（a ）中C1为自然换向点，角度α为延迟触发角，即晶闸管开始导通的角度；μ为叠弧角（换向角），即电流从一相换到另一相的时间。
定义熄弧延迟角为δ， δ=α+μ。
理想直流侧空载电压为απcos 23V r 0E r d =（1）换向引起的压降可用等值换向电阻R cr 代替，可以计算出直流侧电压平均值为dcr r d d cr dr I I E R -cos V R -cos 23V 0r ααπ==（2）图3 整流侧外特性随α增大，直流侧电压减小。
2.逆变器部分工作原理图4 逆变器电路图逆变器和整流器的原理接线图相同，根据式（1）απcos 23V r 0E r d =，若延迟触发角α为90°时，cos α=0直流侧电压为0，当α>90°时，直流侧电压为负值，变流器做逆变运行，为方便起见，定义β=180°-α，为超前触发角。
设逆变侧直流空载电压为V d0i ,则ii 023V E d π=（3），考虑换向角μ的存在，用R ci 作为逆变侧等值换向电阻，作为逆变侧换向引起的压降，则直流侧电压为dci i d dci d ci d ci di I I E I E I E R -cos V R -cos 23-R -)180(cos 23-R -cos 23V 0i i i ββπαπαπ-==-︒==（4）定义超前熄弧角（也叫关断角）为γ，γ=π-δ=π-α-μ=β-μ。
3.控制原理直流输电的接线原理简图：图5 直流输电原理简图直流输电等效电路图：图6 直流输电等效电路图其中α为整流器延迟触发角；β为逆变器的超前触发角；γ为逆变器熄弧角；V d0r 和V d0i 分别为整流侧和逆变侧的无相控理想空载直流电压；R cr 和R ci 分别为整流和逆变侧的等值换相电阻，等效了换向损失的电压，但不是真正意义的电阻，不消耗有功功率。
直流系统的工作原理
直流系统的工作原理
直流系统是一种电力输送和供电的系统，其工作原理基于直流电流的特性和传输。
直流系统的工作原理可分为三个基本过程：发电、输送和供电。
发电是直流系统的起始过程，通过使用发电机将机械能转化为电能。
发电机内部通过磁场和电场的相互作用来产生电流。
直流发电机中会产生恒定的电压和电流。
输送是指将发电机产生的直流电能通过输电线路输送到需要供电的地方。
在直流系统中，输电线路会对电流进行控制和调节，以确保电流稳定和安全传输。
直流系统的输电线路通常采用高压和大容量的电缆。
供电是指将输送来的直流电能提供给用户，供应用电设备工作。
在直流系统中，供电过程主要涉及将输送来的直流电能转化成各种不同电压和电流等级的电力输出。
供电过程通常通过使用适当的变压器、整流器和调整器来实现。
直流系统相比交流系统具有一些优点，如更高的输电效率、较小的能量损耗和更好的负载调节能力。
因此，直流系统在需要长距离输送、大容量需求和高可靠性的应用中得到广泛应用，如高压直流输电、电动汽车充电和太阳能发电系统等。
直流输电课件
随着技术的不断进步，人们开始研究超高压直流输电技术，以进一步提高电力 传输的效率和安全性。
超高压直流输电技术的应用
超高压直流输电技术在跨洲、跨国电力传输以及海上风电并网等领域具有广阔 的应用前景。通过采用先进的绝缘材料、控制技术和设备，超高压直流输电技 术的传输容量、稳定性和经济效益将得到进一步提升。
换流器类型
包括整流器和逆变器，分 别用于将交流电转换为直 流电和将直流电转换为交 流电。
换流器控制
对换流器进行控制，确保 其输出稳定的直流电能。
输电线路
线路类型
线路保护
包括架空线路和地下电缆，根据输电 距离和地形选择合适的线路类型。
对输电线路进行保护，防止其受到自 然灾害和人为破坏的影响。
线路设计
互联。
直流输电的应用场景
大规模风电和太阳能发电基地的并网输送
01
直流输电可以用于大规模可再生能源基地的并网输送，实现清
洁能源的优化配置和利用。
城市和工业园区的供电
02
直流输电可以用于城市和工业园区的供电，提高供电可靠性和
稳定性。
跨区域大电网互联
03
直流输电可以用于实现跨区域大电网互联，提高电网的稳定性
和可靠性。
02
直流输电系统的组成
电源010203电源类型包括化石燃料发电、核能 发电、可再生能源发电等。
电源接入
电源通过换流站接入直流 输电系统，实现电能转换 和传输。
电源控制
对电源进行控制，确保其 输出稳定的直流电能。
换流器
工作原理
换流器通过控制半导体开 关的通断，实现交流电与 直流电之间的转换。
政策和市场环境
政府政策和市场环境对直流输电技术的发展和应用具有重要影响， 需要加强政策支持和市场推广。
HVDC控制原理与特性
2.将整流站电流定值从Idr改为Idr-ΔIm、逆变站电流定值则从Idr-ΔIm改 为Idr；
2.3 直流系统微机控制基本原理和控制算法
A.换流器定值控制模型
DDC模块：根据采样得到的被控量与整定值之间的 偏差进行直接数字控制 算法处理，获得控制信 号Vcn 。
DPC调还模节包块触 含：发 一由脉 个V冲 产cn经相生过位、数的分字相配相位等位控间控制隔制信触算号发法脉得n冲。出的该用脉模于冲块 相位比较与分配环节。
必须指出，对于需要双向输电的直流系统，其两端换流站 的控制系统均应配置整流和逆变两种运行方式所需的控 制功能模块。换句话说，除了“主控模块”外，两站的 控制系统配置应完全一样。
2.11 直流输电系统的功率反送控制(续)
双向输电直流系统的快速功率反转控制可通过改变两站直流电流定值来 实现，其过程如下：
2. 附加功率控制模块(APC)，根据交流系统频差确定功率 控制修正量(ΔP0)；
3. 控制电流形成模块，根据修正后的功率控制定值Pdr(= Pdr1+ΔP0) 和实测电压Ud，获得电流控制定值Idr0；
4. 过载限流模块， Idr0必须≤过载计算单元(OLC)根据当 前阀冷却介质温度和实测Id计算出的最大允许过载电流 (I’max);
闭环控制是当检测到δ与δ0的偏差后才进行控制， 因此对于δ＜δ0情况下的控制是不利的。例如 当逆变侧交流系统发生故障，换相电压大幅度跃 降、直流电流迅速上升，δ突然大幅度减小的情 况下，在检测到δ＜δ0时，逆变器可能就已发 生换相失败。
2.5 逆变器定关断角控制(续)
第三部分(直流输电的控制原理)
V d 0 z cos α − V d 0 n cos γ Id = R cz + R l − R cn
由上述两式可以看出，要改变直流电流 Id（或功率），可以从如下两 个方面进行调节： ① 控制极调节： 调节整流器的触发延迟角α或逆变器的触发超前角 β【也叫逆变角】（或关断角【也就是熄弧超前角γ】），即调节 加到换流阀控制极的触发脉冲相位； ② 调节换流器的交流电势 Emz或Emn（因为Vdoz和Vdon和二者有关）， 一般靠调节发电机励磁或改变换流变分接头来实现。
�由于上述原因，一般在整流器上都装有定电流调节装置，
自动地保持电流为定值。定电流调节可以改善直流输电的 运行性能，同时也可以限制过电流和防止换流器过载，是 直流输电系统的基本调节方式。
�定电流调节的基本原理是：把系统实际电流 Id 和电流整定
值Id0进行比较，当出现差别时，便改变整流器的触发角， 从而改变其输出电压，使差值消失或减小，以保持 Id 等于 或接近于Id0。
当β为恒定时
R cn
Vd 0 z cos α − Vd 0 n cos β Id = Rcz + Rl + Rcn
当γ为恒定时
R cz
Rl Id
− Rcn
V d 0 z cos α − V d 0 n cos γ Id = R cz + R l − R cn
Vd 0 z cos α − Vd 0 n cos β Id = Rcz + Rl + Rcn
Vd
定α0特性 （最小的α） 逆变器 定γ0特性直线
一定值时，即使电流调节器将α调节到 上限值α0，电流也不能恢复正常。 （如在“C”点，需要减小α才行，而α 已经最小，再不能减小了）
直流系统工作原理
直流系统工作原理直流系统是一种电力传输和分配系统，其工作原理是基于直流电的特性和原理。
直流系统主要由直流发电机、直流输电线路、直流变电站和直流负载组成。
下面将详细介绍直流系统的工作原理。
一、直流发电机直流发电机是直流系统的核心设备，它将机械能转化为直流电能。
直流发电机的工作原理是利用电磁感应现象，通过转子和定子之间的磁场相互作用，产生电动势。
当转子被外部能源驱动旋转时，磁场的变化会在定子上产生感应电动势，从而输出直流电能。
直流发电机的转子通常由永磁体或电枢组成，定子则由线圈和磁铁组成。
二、直流输电线路直流输电线路用于将直流电能从发电站传输到变电站或直流负载。
直流输电线路采用的是高电压、大电流的传输方式，以减少线路损耗。
直流输电线路的特点是电阻损耗小、传输距离远、输电能力强。
直流输电线路中的主要元件包括导线、绝缘子、电缆、接地线等。
三、直流变电站直流变电站是直流系统的重要组成部分，用于将输电线路上的直流电能进行变换和分配。
直流变电站主要包括换流器、变压器、断路器、隔离开关等设备。
其中最关键的是换流器，它将输电线路上的直流电能转换成可调的直流电压和电流，以满足不同负载的要求。
直流变电站的工作原理是通过控制换流器的开关状态，实现直流电能的正向或反向传输。
当直流电能需要从发电站传输到负载时，换流器将直流电能转换成与负载要求相匹配的直流电压和电流，并通过输电线路传输到负载。
当需要将直流电能从负载送回发电站时，换流器则反向工作，将直流电能转换成可逆输送的交流电能，再由交流输电线路传输回发电站。
四、直流负载直流负载是直流系统中的终端设备，用于消耗或利用直流电能。
直流负载可以是工业生产设备、电动机、充电桩、电解槽等。
直流负载的工作原理根据具体设备的特点而不同，但都需要接收并利用直流电能。
总结直流系统的工作原理是通过直流发电机将机械能转化为直流电能，再通过直流输电线路将直流电能传输到直流变电站，最后通过直流变电站将直流电能分配给直流负载。
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1.整流器部分工作原理整流部分的结构是三相桥式电路，如图1所示。
图1 整流器电路图e a 、e b 、e c 为等值交流系统的工频基波正弦相电动势，图2 整流侧电压波形（a ）为m 、n 点对中性点的电位，（b ）为直流侧电压u d ，（c ）为触发脉冲。
图（a ）中C1为自然换向点，角度α为延迟触发角，即晶闸管开始导通的角度；μ为叠弧角（换向角），即电流从一相换到另一相的时间。
定义熄弧延迟角为δ， δ=α+μ。
理想直流侧空载电压为απcos 23V r 0E r d =（1）换向引起的压降可用等值换向电阻R cr 代替，可以计算出直流侧电压平均值为dcr r d d cr dr I I E R -cos V R -cos 23V 0r ααπ==（2）图3 整流侧外特性随α增大，直流侧电压减小。
2.逆变器部分工作原理图4 逆变器电路图逆变器和整流器的原理接线图相同，根据式（1）απcos 23V r 0E r d =，若延迟触发角α为90°时，cos α=0直流侧电压为0，当α>90°时，直流侧电压为负值，变流器做逆变运行，为方便起见，定义β=180°-α，为超前触发角。
设逆变侧直流空载电压为V d0i ,则ii 023V E d π=（3），考虑换向角μ的存在，用R ci 作为逆变侧等值换向电阻，作为逆变侧换向引起的压降，则直流侧电压为dciiddcidcidcidiII EIEIER-cosVR-cos23-R-)180(cos23-R-cos23Viiiββπαπαπ-==-︒==（4）定义超前熄弧角（也叫关断角）为γ，γ=π-δ=π-α-μ=β-μ。
3.控制原理直流输电的接线原理简图：图5 直流输电原理简图直流输电等效电路图：图6 直流输电等效电路图其中α为整流器延迟触发角；β为逆变器的超前触发角；γ为逆变器熄弧角；V d0r和V d0i分别为整流侧和逆变侧的无相控理想空载直流电压；R cr和R ci分别为整流和逆变侧的等值换相电阻，等效了换向损失的电压，但不是真正意义的电阻，不消耗有功功率。
R L为直流线路电阻。
换向压降是由于变压器漏感产生的。
根据式（2）和式（4）及图6中的电压方向可得：dcr r d dr I R -cos V V r 0α= （5）dci i d di I R cos V V i 0+=β（6）参考高压直流输电原理一书，可以得到dci i d di I R -cos V V i 0γ=（7）根据图6及整流逆变原理，从整流侧流向逆变侧的稳态直流电流为：ciL cr i d r d L di dr d R R R V V R V V ++-=-=i0r 0cos cos I βα（8）或ci L cr i d r d L di dr d R R R V V R V V -cos cos I i0r 0+-=-=γα（9）式中αr 和βi 分别是整流侧延迟触发角和逆变侧超前触发角，γi 为逆变侧超前熄弧角。
由（8）（9）式可知，改变αr 和βi 或γi 可调节直流电流。
4.控制方式正常运行条件下，整流侧采用定电流控制，主要是由于功率的变化取决于直流电流I d 的变化，且整流逆变两站均要装设定电流控制，逆变站装设的目的是当I d 下降过多时，协助其快速恢复正常。
使整流器运行于恒电流状态，控制传输功率的稳定；根据式（6）dcr r d dr I R -cos V V r 0α=可得控制特性曲线图7 整流侧控制特性随α增大，直线向下平移。
α一般为10°至20°，最小不小于5°。
逆变侧采用定熄弧角控制，使逆变器运行于恒熄弧角状态，保证足够的换向裕度。
根据式（7）dci i d di I R -cos V V i 0γ=可得控制特性曲线图8 逆变侧控制特性对于逆变器，为了避免换相失败，保证在换相电压易号之前有足够的裕度时间去游离的条件下完成换相，所以，γ必须大于一定的临界 值（即关断余裕角γmin ） ，一般为 15º。
4.1整流侧定电流控制：电流给定值I d_ref 与电流实测值I d_CMR 的偏差作为定电流控制器的输入，整流侧电流ＣＭＲ是整流直接输出测量值，未经过大电感平波，需要经过一阶线性滤波环节K r1/1+sT r1除去脉动，得到直流电流值。
驱动PI 控制器输出指令，PI 控制器的输出为整流器触发超前角βr ，它与触发角αr 之间的关系为βr =π-αr ，由此即得到整流器的触发角指令值。
图9 整流侧定电流控制PI 环节的传递函数为)sT 11(K s G r2r2r +=）（( 一阶惯性环节T r1=0.0012,K r1=0.5)(PI 环节T r2=0.0109,K r2=1.0989)4.2逆变侧定熄弧角控制：图10 逆变侧定熄弧角控制γ为逆变器熄弧角实测值，Δγ为电流偏差引起的熄弧角偏差值， βinv 为逆变器输出的超前触发角，控制β角的恒定就能保证逆变器运行在定熄弧角γ状态。
为了在逆变侧定关断角和 VDCOL 控制之间进行平滑过渡，引入电流偏差控制。
方法是通过电流额定值与实际值之前的差值，适当增大关断角，如果达到最大关断角，则交给定电流控制。
通常每安培电流偏差提高角 0.01°至 0.1°。
这里取 0.08°（参考直流电流为2kA ）图11 电流偏差控制PI 环节的传递函数为)sT 11(K s G 22γγγ+=）（（PI 环节Tγ2=0.0544，K γ2=0.7506）根据公式doi dci V I R 2cos cos +=βγ可以算出得到的熄弧角。
4.3逆变侧定电流控制：I d_inv 为逆变侧实测电流，为避免整流逆变两端调节器同时工作，逆变侧电流整定值要比整流侧整定值小一个电流裕度，通常为 0.1 p.u.i1i11K sT +PId_invI πd_refI +--+inv βinvα）（︒30min βmax 图12 逆变侧定电流控制PI 环节的传递函数为)sT11(KsGi2i2i+=）（( 一阶惯性环节T i1=0.0012,K i1=0.5)(PI环节T i2=0.0109,K i2=1.0989)4.4低压限流环节（VDCOL）：低压限流正常情况下不起作用，是当系统电压下降幅度过大变得较低时，减小直流电流指令，使直流电流降低，降低直流功率。
经低压限流后的最大允许电流值和给定的电流值中的较小值作为定电流控制的电流指令值。
sTG+1diVdiI+sTG+1*0.01+低压限流VDCOL后的最大允许电流MIN电流整定值IdesId_ref图13 低压限流环节（G=1，T=0.02）图14 整流逆变整体控制框图1.对于直流输电线路而言是不需要无功补偿的。
原因如下：以交流形式传输电附:能,在交流频率的作用下,会产生电抗,由于电抗的作用,在任何时刻,任意两点的电压相角均不相同,且相角的大小与传输的功率有关,功率越大,相角差越大。
以直流形式传输电能,由于直流供电的特殊性质,在电能传输的过程中没有频率,线路中不会感应到电抗的存在,所以不存在电压相角的问题。
由公式Q=UIsina，a角为电压U与电流I之间的相位角，若a角为0°，自然是不会产生无功的。
2.对于传统的换流站而言是需要无功补偿的。
原因如下（以整流站为例）：（1）其开关元件通常为多脉波整流变换器，它采取的触发方式是相控方式，若将触发角α增大，电流相对电压的相位就在向后移，就会使得无功功率增大，功率因数就会降低，必须补偿这一部分无功功率，所以加设无功补偿装置。
（2）因为是多脉波整流变换，虽然会消除大量谐波，但还是有存在一部分谐波产生，直流侧就需要用上滤波电容器，平波电抗器等装置。
（3）换流站所处电网薄弱环节，电压控制困难，为达到控制电压目的，增设机械投切无功补偿装置。
参考文献[1]赵蜿君.高压直流输电工程技术.北京:中国电力出版社.2004.[2]张勇军.高压直流输电技术原理.[3]王兆安.电力电子技术.[4]尉龙.基于ＰＳＣＡＤ的ＣＩＧＲＥＨＶＤＣ模型控制系统研究[5]邓广静.CIGRE 直流输电标准模型的建模及控制策略仿真研究。