直流控制系统研究分析

王云昊

(国网天津市电力公司城西供电分公司，天津 300113)

直流控制系统研究分析

王云昊

(国网天津市电力公司城西供电分公司，天津 300113)

直流控制是发展高压直流输电的核心内容。分析了整流测定电流控制、逆变侧定关断角控制以及低压限流环节控制，特别的分析了低压限流环节与一次换相失败以及连续换相失败之间的关系。分析结果表明不同控制环节共同作用，对维持直流输电系统的安全稳定运行具有重要作用；低压限流环节对预防换相失败的发生也具有积极作用。

直流输电；定电流控制；定关断角控制；低压限流

0 前言

近年来，HVDC(high voltage direct current)高压直流输电在我国得到了迅速发展。HVDC包括LCC-HVDC(line-commutated converter-high voltage direct current)和 VSC-HVDC(voltagesource commutation-high voltage direct current)。LCC-HVDC需要有源逆变，因此受端交流系统一定为有源系统；而VSC-HVDC利用全控型器件绝缘栅双极晶体管，不需要有源逆变，因此一般连接于无源系统或者弱的交流系统，主要向孤立的远方小负荷区供电、风力发电站或小型水电站等[5]。现阶段，虽然VSC-HVDC的输送电压等级可以较高，但远距离大容量输电中仍然主要利用LCC-HVDC。此外为了适应我国经济的迅速发展和对电量的需求，正在发展800 kV直流的骨干网架。云广800 kV直流输电工程在2009年实现单极投运，并于2010年双极投运[1]。高压直流输电已成为我国电力发展的必然趋势。

高压直流输电系统与交流系统的运行特点不尽相同。对于交流系统而言，当发生交流故障时，可以通过断路器的开端来切除故障；但对于直流系统而言，由于高压断路器尚未得到应用，使得高压直流输电的保护与控制融为一体，直流系统的保护是通过控制得以实现的。同时直流控制也是保证直流系统安全稳定的关键所在。因此研究直流系统的控制具有重要意义。

文中首先介绍了直流系统的分层控制结构，然后重点分析了整流测定电流控制、逆变侧定关断角控制以及低压限流环节控制，并详细研究了低压限流环节对一次换相失败与连续换相失败之间的关系。分析结果表明：如果低压限流环节投入很快，此时对防止换相失败的发生具有积极作用；如果投入时间较慢，对于防止连续换相失败的发生同样具有积极意义。

1 直流控制系统的研究

LCC-HVDC控制系统作为LCC-HVDC核心技术之一，是研究的热点和重点。目前世界范围内已投运的直流工程大都由ABB和SIEMENS承建。虽然已有文献对工程进行了相应的介绍，如文献 [2]对天广直流工程进行了详细的介绍；文献 [3]对云广特高压直流输电系统进行了详细的介绍。但现有文献对直流系统控制体系框架的研究和阐述不足。所以，进一步阐述 LCCHVDC控制体系框架是有必要也有意义的。

1.1 直流输电系统的分层结构

LCC-HVDC直流输电系统的分层结构一般分为3个等级[4]：第一等级为主控制级，第二等级为极控制极，第三等级为阀组控制极。一般来说，主控制级接收来自调度中心的功率指令Pset，经过运算后发送一个直流电流指令Iset给极控制级，极控制级经过控制运算后发送一个触发角指令给阀组控制单元。各控制极之间的关系如图1所示。

图1 各控制极之间的关系示意图

需要指出的是，3个控制极的响应时间不尽相同，控制的等级越高，响应越慢。一般来说，主控制级的相应时间在100 ms左右，但阀组控制极的相应时间为1～4 ms[4]。

1.2 LCC-HVDC控制器的研究

图2表示的是LCC-HVDC典型的接线图。一般由整流器和逆变器两部分构成。对于受端交流系统而言，必须是有源系统，即逆变器的换相过程必须为有源逆变。

图2 LCC-HVDC典型接线图

在极控制级中，整流测一般配备定电流控制器；逆变侧通常配备定电压控制器、定电流控制器以及定γ角控制器。无论是整流测还是逆变侧，在定电流控制器中都设置了低压限流环节指令(Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL)。在正常运行时，整流测一般为定电流控制，逆变侧一般为定γ角控制。因此下面将重点研究VDCOL控制、整流测定电流控制和逆变侧定角控制。

1.2.1 VDCOL控制

VDCOL控制环节是指通过跟踪交流侧或者直流侧电压来决定实际的直流电流大小，如图3所示。图3中电压U可以表示交流电压Uac，也可以表示直流电流Udc的大小。通过图3可以看出，在AB段内，随着 (交流或直流)电压的减小，直流电流的整定值也随之变小，这一特征对减少换相失败的发生具有重要的作用。

图3 VDCOL控制模式

换相失败是指在换相电压反向之前未能完成换相的故障。换相失败不是由于换流阀的误操作引起的，而是由于换流阀外部电流的条件引起的，比如外部交流侧故障[1]。现阶段研究表明，关断角γ大小可以表征是否发生了换相失败故障。式(1)给出了关断角的计算公式[5]：

式中k为换流变压器的变比，Xc为换相电抗，UL为换流母线线电压有效值，β为越前触发角。φ表示的是发生不对称故障时线电压过零点偏移的角度。显然，发生对称性故障时φ=0。

当γ＜γmin时表示直流系统发生换相失败。其中γmin对应换流阀恢复阻断能力所需的时间，考虑到串联元件的误差，一个可控硅阀的恢复时间γmin≈10°[6]。

交流侧故障发生时，无论VDCOL是监测直流电压还是交流电压，都会降低直流电流的大小，通过式可以看出：直流电流Id降低，将会增大关断角γ的大小，因此能减少换相失败发生的概率。图4(a)表示的是交流侧发生B相故障时VDCOL的动态过程图；图4(b)表示的是关断角的大小。通过图4(a)可以看出，故障期间VDCOL投入运行，使得直流电流的整定值降为额定值的80%左右，同时图4(b)可以看出，此时的关断角γ＞0°(设置最小关断角为0°)，表明此时并未发生换相失败。因此VDCOL的投入对防止换相失败的发生具有积极意义。

需要指出的是，图4中VDCOL的投入迅速，如果考虑到实际运行条件，VDCOL的投入需要一定的时间，此时VDCOL对一次换相失败的发生的预防效果可能不佳，但随后会降低直流电流的整定值，因此对连续换相失败的发生具有抑制作用。

图4 VDCOL动态过程与关断角大小

1.2.2 定电流控制器

图5给出了定电流控制器的控制框图。整流测定电流控制输入量为电流的整定值Iset和实际电流Idc之间的差值，通过该差值输入到PI控制器得到触发延迟角的指令值。图5中，KI的典型值为-1.0°～10°/A.s，KP的典型值为0.01°～0.04°/ A，T=0.01 s[4]。

图5 定电流控制器

如图5所示，定电流控制器中的Iset是指考虑了VDCOL环节后的电流整定值。同时，逆变侧的定电流控制的整定值一般比整流测电流整定值要小。定电流控制器对于在故障状态下尽量维持直流电流的恒定具有重要意义，同时对于防止换相失败的发生也有一定的积极作用。同时，定电流控制器输出的触发角α不能无限的减小，存在一个最小的触发角αmin。因此当直流电流下降时，触发角α会降低，但不能低于αmin。

1.2.3 定γ角控制器

定γ角控制器一般分为2种类型，一种是实测型控制器，另一种是预测型控制器。其原理框图如图6所示。图6(a)中，KI的典型值为-10°～-20°/deg.s，KP的典型值为0.01°～0.04°s。图6(b)中预测型控制器，是按照式得出的：

通过式得出的触发角α只反映了系统当前的运行状态，当考虑系统可能变化的情形，最常用的方法就是加入直流电流 Id变化率的信息KdId/dt。

图6 定γ角控制器

定γ角控制器对维持直流系统的稳定运行具有重要作用。当直流系统或交流系统故障时，会引起直流电流的变化，当直流电流增大时，逆变侧定γ角控制会使得输出的触发角α增大，以此来抑制直流电流的增大，避免发生阀电流过大或者换相失败的发生；当直流电流减小时，逆变侧定γ角控制会使得输出的触发角α减小，以此来抑制直流电流的减小，最大程度上保证直流传输功率的大小。

2 结束语

高压直流输电是高度可控的，可控性的正确应用是其有效运行的保证。本文重点分析了定电流控制器、定角控制器以及低压限流环节的控制作用。分析结果表明直流系统的各个控制环节相互依赖，共同作用，对维持系统的稳定运行具有重要作用，特别的低压限流环节对防止一次换相失败或者连续换相失败都有积极的作用。

[1] 李兴源.高压直流输电系统 [M].北京：科学出版社，2009：1-10.

[2] 中国电科院.天广直流工程保护系统研究技术报告 [R] .2002.

[3] 李杨.800 kV云广特高压工程控制保护运行风险及预控措施研究 [D].华南理工大学，2013.

[4] 徐政.交直流电力系统动态行为分析 [M].北京：机械工业出版社，2004：40-60.

[5] 罗隆福，周金萍，李勇，等.HVDC换相失败典型暂态响应特性及其抑制措施 [J].电力自动化设备，2008，28 (4)：5-9.

[6] 荆勇，欧开健，任震.交流单相故障对高压直流输电换相失败的影响 [J].高电压技术，2004，30(3)：60-62.

[7] 蔡新红，赵成勇，庞辉，等.向无源网络供电的MMCHVDC系统控制与保护策略 [J].中国电机工程学报，2014，34(3)：405-414.

[8] 刘济豪，郭春义，刘文静，等.基于改进换相面积的直流输电换相失败判别方法 [J].华北电力大学学报，2014，41(1)：15-21.

[9] 刘文静.电压源、电流源混合型直流输电的运行机理的研究 [D].华北电力大学，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，硕士，助理工程师，国网天津市电力公司城西供电分公司调控运行中心，主要从事电力运行等方面工作(email)lunwenzy2013＠163.com。