直流输电的控制与调节
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。
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。
柔性直流输电基本控制原理
暂态稳定性分析是评估柔性直流输电系统在故障或其他大的扰动情况下的性能的重要手段。通过模拟 系统在各种故障情况下的响应，可以了解系统的暂态行为和稳定性，为控制策略的制定提供依据。
运行稳定性分析
总结词
运行稳定性分析是研究系统在正常运行 条件下的动态性能，通过仿真和实验等 方法，分析系统的运行稳定性和控制性 能。
促进可再生能源的接入
柔性直流输电能够更好地接入可再生能源，有助于实现能源 的可持续发展。
02
柔性直流输电系统概述
柔性直流输电系统的基本结构
换流阀
换流阀是柔性直流输电系统的核心部件，负责 实现直流电的转换和传输从一端传 输到另一端。
滤波器
滤波器用于滤除谐波和噪声，保证传输电能的 纯净。
柔性直流输电基本控制原理
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目 录
• 引言 • 柔性直流输电系统概述 • 柔性直流输电系统的控制策略 • 柔性直流输电系统的稳定性分析 • 柔性直流输电系统的保护与控制
一体化 • 柔性直流输电系统的应用与发展
趋势
01 引言
背景介绍
传统直流输电的局限性
传统直流输电在电压源换流器（VSC） 控制策略上存在局限，难以满足现代 电力系统的需求。
3
保护和控制设备之间的通信应具有高可靠性和实 时性，以确保快速响应和准确控制。
保护与控制一体化的优点与挑战
优点
保护和控制一体化可以提高系统的快速响应 能力和稳定性，减少故障对系统的影响，降 低维护成本和停机时间。
挑战
保护和控制一体化需要解决多种技术难题， 如传感器精度、数据处理速度、通信可靠性 和实时性等，同时也需要加强相关标准和规 范的建设和完善。
柔性直流输电系统的未来展望
直流输电系统运行控制策略研究
直流输电系统运行控制策略研究随着世界经济的发展和能源需求的增长，电力输送和分配系统的可靠性和效率变得越来越重要。
直流输电系统因其较低的能量损耗和更高的输电能力，成为了电力行业中的热门技术。
然而，为了实现直流输电系统的可靠稳定运行，研究和开发高效的运行控制策略变得至关重要。
1. 直流输电系统概述直流输电系统是一种通过直流电将电能从发电站输送到负荷点的电力输电系统。
与传统的交流输电系统相比，直流输电系统具有更小的功率损耗、较高的输电能力和更好的电压稳定性。
这使得直流输电系统可以更有效地远距离输送电能，特别是在海底电缆和远离电网的地区。
2. 直流输电系统控制策略2.1 直流电压控制直流电压控制是直流输电系统中最常见的控制策略之一。
通过监测和调节直流线路上的电压，可以实现系统的稳态和动态电压控制。
直流电压控制可以通过调节直流系统中的换流器的占空比来实现，以使得输出电压保持在设定范围内。
2.2 直流功率调节直流输电系统中的功率调节也是一项重要的控制策略。
通过调节直流输电线路上的功率，可以实现对电力流动的精确控制。
例如，在高负荷时可以通过增加功率转移的方式来避免电力拥塞，而在低负荷时可以降低功率以减小线路损耗。
2.3 直流线路稳定性控制直流输电系统中的线路稳定性是保证系统可靠运行的关键因素之一。
通过监测和分析直流线路的电流和电压波动，可以预测和防止系统出现不稳定情况。
同时，采用适当的补偿措施，如电抗器的并联和串联，也可以提高直流线路的稳定性。
3. 直流输电系统运行控制的优势和挑战直流输电系统的运行控制策略具有以下优势：- 更高的输电能力：直流输电系统的输电能力比交流输电系统更高，可以满足不断增长的能源需求。
- 较低的能量损耗：直流输电系统的能量损耗较低，可以降低电力行业的能源消耗和排放。
- 较好的电压稳定性：直流输电系统具有较好的电压稳定性，可以提高电力系统的可靠性和可用性。
然而，直流输电系统的运行控制也面临一些挑战：- 总体成本较高：建设和维护直流输电系统需要大量的资金投入，包括换流器、电缆和绝缘子等设备的造价较高。
直流输电的控制与调节
定触发角控制 Rectifier with α= Constant
整流侧: 定延迟角控制
Vd
VVco sIR 控制特性为一组斜率为-Rcr的平行线族
时，d 曲线r 平行下降d0r
d cr
定α角控制
Vd Id
定触发角控制 (Inverter with β= Constant )
逆变侧: 定超前角控制
IdV dR r LV d＝ i V d0rR ccro R sL V d0 R ic cios
整流侧: 逆变侧:
Id
Vd0r
cosVd
Rcr
E 1 ( V d i ) I D C A c t 0 c o s I d
Id
Vd
iVd0i c Rci
os
I D C A c t 0 ( ) c o s V d 0 ic o s I d
站控系统
系统控制层System Level
Station Control System 站控制层 Station Level
部分双极层 Bipole Level
极控系统
双极层 Bipole Level
（核心）
极层 Pole Level
Pole Control System
换流器层 Valve Group Level
比较：实测型和预测型γ调节
实测熄弧角与设定值比较，用差值进行调节。其特点是精确、有时滞、需阀电流过零信号。 （西门子）
预测型是根据换相电抗、实测直流电流、换相电压，预算熄弧角进行调节。其特点是快、精 确度差、无须阀电流过零信号。（ABB)
混合式定熄弧角控制
混合方式：在闭环控制的基础上，增加预测控制单元。 既保留了闭环控制的等间隔触发及高控制精度等优点， 也具有预测控制能实时快速地“预防”减小γ的优点。
华北电力大学-直流输电与FACTS技术-Ch4 HVDC控制系统
10
整流侧定角，逆变侧定角运行特性
11
整流侧定角，逆变侧定角运行特性
12
3. 换流器理想控制特性
在正常运行条件下，整流侧采用恒定电 流 控制，使整流器运行于恒定电流(CC)状态以 保持系统的稳定，逆变侧采用定熄弧角控 制，使逆变器运行于恒熄弧角(CEA)状态以 保 证有足够的换相裕度。
30
逆变器控制特性（续）
I d I dor I doi
其值一般为0.1倍的额定电流值。 图中线段TU表示最小a限制，防止逆变器 变为整流器运行，其值一般为100°110°。
31
6.3 变压器分接头控制
每当 δ和α超出了所需范围数秒之后，即用 分接头控制将换流器的触发角调回到这个 范围以内来。 逆变器运行在恒熄弧角，从而和分接头切 换器的叠加电压控制一起来固定线路电压。 整流器运行在电流控制方式，配之以分接 头切换器的叠加 α= αnorm控制。
控制特性概括（续）
(2)对于逆变器，必须维持一个确定的最小熄 弧角以避免换相失败。确保换相完成且有足 够的裕度很重要，这样可以保证在a =180° 或δ = 0°换相电压反向之前去游离。因为即 使换相己经开始，直流电流和交流电压仍有 可能改变，所以在最小δ角限制的基础上必
须有足够的换相裕度，一般15°左右。
43
主控制（续）
对于整流侧，应使直流电流等于指令电流 值且换流器触发角。在换流器触发角在 15°左右。 对于逆变侧，当采用最小熄弧角控制方式 时，调节该侧换流变抽头以获得预定工作 点所需的直流电压; 当采用恒电压控制方式时，应调节抽头保 证在获得指定直流电压的同时，熄弧角γ 等于或略微大于其最小限制18°。
32
6.4 控制特性概括
高电压直流输电系统的稳定性与控制技术研究
高电压直流输电系统的稳定性与控制技术研究随着电力需求的不断增加和电力网络扩展的需要，高电压直流输电系统被广泛应用于远距离大容量电力传输领域。
然而，由于输电过程中存在的多种复杂问题，如电压稳定性、电流波动和系统频率等，高电压直流输电系统的稳定性与控制技术成为研究的重点。
本文将探讨高电压直流输电系统的稳定性问题，并介绍其中涉及到的控制技术。
首先，我们来谈谈高电压直流输电系统的稳定性问题。
稳定性一直是电力系统研究的关键问题之一。
在高电压直流输电系统中，电压稳定性是影响系统运行的重要因素。
由于系统中存在较长的传输距离和高电压电流的特点，电压损耗和电流波动会导致系统的不稳定性。
此外，由于传输过程中的电力互换和系统负荷变化，频率的稳定性也是一个关键问题。
因此，如何保持高电压直流输电系统的稳定性，成为了研究的焦点。
为了解决高电压直流输电系统稳定性问题，控制技术起到了至关重要的作用。
控制技术能够通过控制输电系统的运行参数和工作状态，提高系统的稳定性和可靠性。
首先，电压和电流的控制是确保高电压直流输电系统稳定性的关键。
通过采用先进的电力电子器件和控制算法，可以实现对电压和电流的精确控制。
例如，采用检测反馈控制和模型预测控制技术，可以实时调整换流器的工作状态，从而减小电压和电流的波动。
另外，频率的控制也是高电压直流输电系统稳定性的重要环节。
频率的稳定性不仅影响电力系统的正常运行，还会影响到其他电力设备和用户的使用。
为了确保频率的稳定，可以采用多种控制策略，如AGC（自动发电厂控制）和频率响应控制。
通过这些控制策略，可以实时调整发电机输出功率，以维持系统的频率稳定。
除了电压、电流和频率的控制，高电压直流输电系统还有其他一些关键控制技术。
例如，灵活的换流控制技术可以实现高效的能量传输和防止系统短路。
线路电流的均衡控制可以减小系统压降和输电损耗。
此外，接地电流的控制也是一个重要的问题，可以通过控制换流器的工作状态来减小接地电流的大小。
直流输电系统的稳定控制方法研究
直流输电系统的稳定控制方法研究一、引言直流输电系统已经成为传输大容量电力的重要方式，尤其是在供电距离较远、电量较大的情况下，其经济和技术优势更加明显。
直流输电系统的稳定控制方法是保证系统高效稳定运行的基础。
二、直流输电系统的稳定性分析1. 稳定性指标为了保证直流输电系统的稳定运行，必须制定相应的稳定性指标。
常用的指标有两种，即系统暂态响应和稳态稳定输入功率（SSI）。
2. 稳定性分析方法直流输电系统的稳定性分析方法通常包括直流电动势差动方程稳定性分析方法、小扰动线性化方程稳定性分析方法和大扰动非线性方程稳定性分析方法等。
其中小扰动线性化方程稳定性分析方法是应用最广泛的。
三、直流输电系统的稳定控制方法1. 控制原则直流输电系统的稳定控制方法的基本原则是通过控制直流侧的电压、电流和交流侧的功率等参数，来实现电力传输过程中的稳定性控制。
2. 控制方法目前，直流输电系统的稳定控制方法主要包括PID控制法、预测控制法等。
其中，PID控制法是应用广泛的一种方法。
四、直流输电系统的稳定控制系统设计1. 控制器设计直流输电系统的稳定控制器设计需要考虑控制精度、控制速度等因素。
目前，经典控制理论仍然是设计控制器的重要工具。
2. 系统优化直流输电系统的稳定控制系统设计需要进行优化处理，包括控制器参数调整、控制器结构优化和控制系统参数整定等方面，以提高系统的稳定性和控制精度。
五、直流输电系统的稳定控制实验直流输电系统的稳定控制实验可帮助工程技术人员检验和验证理论方法的正确性和可行性，提高实际应用的效果。
六、总结随着经济的发展和社会需求的不断增长，直流输电系统将发挥更加重要的作用。
直流输电系统的稳定控制方法及其稳定控制系统设计将成为未来发展的重点。
通过本文对直流输电系统的稳定控制方法进行研究，可以为其在实际应用中的稳定运行提供一定的理论基础和实践指导。
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熄弧角γ减小的后果：
V d i V d 0 icβ o I d R c s iV d 0 icγ o I d R c si
co s co s2IdV R d c 0ii2Id1 .3R k c2 5 E i 2
定触发角控制 Rectifier with α= Constant
整流侧: 定延迟角控制
Vd
Vd
V dr V d0rco sIdR cr
控制特性为一组斜率为-Rcr的 平行线族
时，曲线平行下降
Id
定α角控制
定触发角控制 (Inverter with β= Constant )
逆变侧: 定超前角控Vd制
Vd
V d i V d0ico sIdR ci
控制特性为一组斜率为Rci的 平行线族
Id
Id
定β角控制
时，曲线平行下降
定熄弧角控制(CEA： Constant Extinction Angle ) Inverter with γ= Constant
为尽量避免换相失败，要求逆变器的熄弧 角γ必须大于γ min；
双极层 Bipole Level 极层 Pole Level 换流器层 Valve Group Level
控制的基本方式
（a）接线图；
（b）等值电路
版权所有者：张勇军 未经书面允许，他人不得使用
Pdr VdrId
P diV dIidP dr R LId 2
IdV dR r LV d＝ i V d0rR ccro R sL V d0 R ic cios IdVdR r LVd＝ i Vd0rR ccro R sLV d0 R ic cios
CEA: Constant Extinction Angle )
定电流控制
(CC：Constant Current)
控制特性：控制换流器的触发角， Vd
维持直流电流 Id 为恒定值，
其控制特性为一垂直线。
Id
IdV dR r LV d＝ i V d0rR ccro R sL V d0 R ic cios
实测式定熄弧角控制（闭环控制）
γ
ε
Vc
γ0
加法器
控制放大器
相位控制器
ε=γ0-γ
co γs co β s2Id1.3R k c i2 5 E 2co γs co αs
当γ< γ0时，误差ε>0，Vc 减小，相位控制器将减小 输出脉冲的相位角a，因而使γ增大。
闭环控制定熄弧角控制特性
安全调节
若任一γ < γ 0，则快速增大γ，一次调节即达到γ> γ 0 经济调节
若min(γ)> γ0，则缓慢减小γ ，将最小的γ调整到γ0 ，其他各阀
必然满足γ ≥γ0
γ‘（输出）
6 脉波换流器：Vd0r=1.35k1E1 12脉波换流器：Vd0r= 2.7 k1E1
Vd0i=1.35k2E2 Vd0i= 2.7 k2E2
基本的调节手段
（ α、β、Vdor、 Vdoi，）
IdV dR r LV d＝ i V d0rR ccro R sL V d0 R ic cios
IdV dR r LV d＝ i V d0rR ccro R sL V d0 R ic cios
整流侧:
Id
Vd0r
cosVd
Rcr
E 1 ( V d i ) I D C A c t 0 c o s I d
逆变侧:
Id
Vd
iVd0i cos
Rci
I D C A c t 0 ( ) c o s V d 0 ic o s I d
桥控制
极控制控制
整流站控制设备
逆变站控制设备
HVDC控制系统分层结构
按结构划分：System； 按功能function划分：层Level
站控系统
Station Control System
极控系统
（核心）
Pole Control System
系统控制层System Level 站控制层 Station Level 部分双极层 Bipole Level
Id
n整流侧： V dr V d0rco sIdR cr
E 1 V d r 0 ( ) V d 0 r c o s V d r
n逆变侧：
Vd i Vd0ico sIdRci
V d i 0 ( ) ( ) c o s V d i
电流裕度原则：
电压裕度原则：
调节换流器的触发脉冲相位（α或β），响应 时间1ms～5ms
调节换流变压器分接头，响应时间5s～10s
HVDC Basic Control 基本的控制方式
定电流控制(CC：Constant Current) 定电压控制(VC： Constant Voltage Control) 定延迟角控制(Rectifier with α= Constant ) 定超前角控制(Inverter with β= Constant ) 定熄弧角控制(Inverter with γ= Constant )
HVDC的调节与控制特性
控制系统概况 基本控制方式 控制系统的实际应用 控制系统的稳态响应 直流系统的调制方式 直流系统的启停控制 阀控系统的控制 调试试验过程及其分析
一 HVDC控制系统概况
总控制
通讯系统
总控制
桥控制 阀单元控制 阀单元控制 桥控制
极控制 桥控制
桥控制 极控制
站控制
如果β不变，交流系统故障导致：
E 2 I d m i n 换 相 失 败
定熄弧角控制特性
V d i＝ V d0ico sIdR ci
γmin =6o --10o γorder=16o --18o
Vd
Id
定γ角控制
控制熄弧角的方式
实测控制（闭环控制） 预测控制（开环控制） 混合式控制
电流裕度原则：正常运行只保证一侧的定电流控制起作 用。 通常逆变状态时，电流的整定值必须要减小一个 电流裕度ΔI （约为0.1 pu）
定电压控制
(VC： Constant Voltage Control)
控制特性：定电压控制的 Vd 主要任务是维持直流电压 Vd 为整定值，其控制特性 为一水平线。