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α
π
cos 2
3V 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
d
cr r d d cr dr I I E R -cos V R -cos 2
3V 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）
α
π
cos 2
3V 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
i
i 02
3V 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
d
ci i d d
ci d ci d ci di I I E I E I E R -cos V R -cos 2
3-
R -)180(cos 2
3-
R -cos 2
3V 0i i i ββπ
απ
απ
-==-︒==
（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：
d
cr r d dr I R -cos V V r 0α= （5）
d
ci 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
d
ci 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：
ci
L cr i d r d L di dr d R R R V V R V V ++-=
-=i
0r 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 i
0r 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）
d
cr 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）d
ci 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 1
1(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 1
1(K s G 22γγγ+=）
（（PI 环节T
γ2
=0.0544，K γ2=0.7506）
根据公式doi d
ci 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.
i1
i1
1K sT +PI
d_inv
I π
d_ref
I +
-
-
+
inv βinv
α）
（︒30min βmax 图12 逆变侧定电流控制
PI 环节的传递函数为
)sT 1
1(K s G i2i2i +=）
（
( 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。

sT
G
+1di
V di
I +
sT
G +1*0.01
+ 低压限流
VDCOL 后的最大允许电流
MIN
电流整定值
Ides
Id_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。