高壓直流輸電控制系統

高壓直流輸電控制系統通過調節主要控制量實現系統預期的輸送功率或直流電壓。高壓直流輸電控制系統是保持高壓直流輸電系統穩定運行的重要手段，換流器觸發控制和換流變壓器分接頭控制是高壓直流輸電控制系統的核心部分，其通過控制高壓直流輸電系統中關鍵換流設備，保證高壓直流輸電系統的正常運行以及故障後的迅速恢復。

基本介紹

• 中文名：高壓直流輸電控制系統
• 外文名：HVDC power transmission control system
• 功能：保持高壓直流輸電系統穩定運行
• 地位：高壓直流輸電系統的核心部分

具體內容

高壓直流輸電系統通過換流設備實現交直流系統聯網，高壓直流輸電控制系統通過控制換流設備以協調高壓直流輸電系統的整流和逆變過程，保證高壓直流輸電系統的穩定運行，因此高壓直流輸電控制系統是高壓直流輸電系統的核心部分。

當直流輸電系統受到外界擾動或發生瞬時故障時，高壓直流輸電控制系統通過轉換控制方式減小或避免擾動或故障引起的過電壓、過電流等，減少對系統的危害，同時控制系統能夠保證擾動消失或故障清除後快速恢復系統至穩定運行。當系統電壓或電流發生長時間的緩慢變化時，直流輸電控制系統通過檢測實測值與預期值之間的差值實施調節，保證系統在額定運行範圍內工作。高壓直流輸電控制系統不僅能對直流輸電系統本身進行相關調節提高直流輸電系統運行性能，保證直流輸電系統的可靠運行，提高高壓直流輸電系統運行安全性，還可以對與其相聯的交流系統實施附加控制進行外部調節，有效增強交流系統的運行性能，改善交直流聯網系統的運行性能。

基本原理

高壓直流輸電控制系統分層結構

高壓直流輸電控制系統根據功能、優先權等原則將所有控制環節劃分為不同的等級層次。採用分層結構利於對複雜的高壓直流輸電控制系統進行分析、提升運行系統維護和操作的靈活性並降低了單個控制環節發生故障對系統其它環節的影響， 增強系統運行的穩定性和安全性。

高壓直流輸電控制系統分層結構

高壓直流輸電控制系統分層結構如圖3-2所示，分為系統控制、雙極控制、極控制、換流器控制、單獨控制以及換流閥控制幾部分。高壓直流輸電系統控制作用 於換流站，換流站通過雙極控制環節控制正負兩個換流極，每個換流極通過極控制實現正常運行。極控制包括換流器控制及單獨控制，換流器控制環節控制換流閥的 運行狀態實現交直流轉換，換流閥控制與單獨控制作用於被控對象，如晶閘管、換 流變壓器等設備。各層的控制作用採用單向傳遞方式，高層次等級控制低層次等級。

系統控制級是高壓直流輸電控制系統的最高層次等級，其主要功能為通過通信系統上傳直流輸電系統運行參數並接收電力系統調度中心運行指令，根據額定功率指令對各直流迴路的功率進行調整和分配以保持系統運行在額定功率範圍內，實現潮流反轉控制以及功率調製、電流調製、頻率控制、阻尼控制等控制方式，當出現故障或特殊情況時還可以進行緊急功率支援控制。
雙極控制級的主要功能是同時控制並協調高壓直流輸電系統的正負極運行，根 據系統控制級輸出的功率指令，計算分配正負極的功率定值並在運行過程中控制功率的傳輸方向，平衡正負極電流並控制交直流系統的無功功率、交流系統母線電壓等。

極控制級根據雙極控制系統輸出的功率指令，計算輸出電流值，並將該電流值作為控制指令輸出至換流器控制級進行電流控制，控制正極或負極的啟動、停運以及故障處理。極控制級還可以實現不同換流站同極之間的電流指令值、交直流系統運行狀態、各種參數測量值等信息的通信等。

換流器控制級的主要功能是控制換流器的觸發以保持系統正常運行，並根據實際運行要求實現定電流控制、定電壓控制等控制方式。換流器是高壓直流輸電系統實現交直流轉換的重要設備，換流器觸發控制通過調整換流器觸發角控制高壓直流輸電交直流轉換過程並保證高壓直流輸電系統輸出預期的功率或直流電壓，對高壓直流輸電系統的安全穩定運行具有重要作用。因此換流器觸發控制是換流器控制級的核心部分，是高壓直流輸電控制系統的重要研究內容。

單獨控制級的主要功能是控制換流變壓器分接頭檔位切換以調節換流變壓器輸 出電壓，並監測和控制換流單元冷卻系統、輔助系統、交直流開關場斷路器、濾波器組等設備的投切狀態。單獨控制級的核心部分是換流變壓器分接頭控制，換流變壓器分接頭控制通過調整換流變壓器的換流閥側(簡稱閥側)電壓保持高壓直流輸電系統換流器觸發角或直流電壓的穩定，提高高壓直流輸電系統的運行效率。由於換流變壓器在高壓直流輸電系統中起到隔離交直流系統的作用，並對高壓直流輸電系統的穩定運行具有重要作用。因此，換流變壓器分接頭控制是高壓直流輸電控制系統的重要研究內容。

換流閥控制級將換流器控制級輸出的觸發角信號轉換為觸發脈衝來控制換流器中晶閘管的導通關斷，並監測晶閘管等元件的運行狀態，生成顯示、控制、報警等信號。

根據上述高壓直流輸電控制系統分層結構的分析可知，換流器觸發控制與換流變壓器分接頭控制是高壓直流輸電控制系統的核心組成，對高壓直流輸電系統的穩定運行具有關鍵性作用。

高壓直流輸電控制原理

為便於分析高壓直流輸電系統的控制原理，根據直流輸電原理做出高壓直流輸電系統等效電路，如圖3-3所示，等效電路包括整流器、直流輸電線路和逆變器三部分，整流器將交流電流轉換為直流電流I_d，I_d通過直流輸電線路送至逆變器轉換為交流電。為便於後續研究，以N點為界將高壓直流輸電等效電路分為兩部分，N點左側為整流側，N點右側包括輸電線路和逆變器(簡稱逆變側)。

高壓直流輸電系統等效電路

高壓直流輸電控制系統主要通過調節換流器觸發角以及整流側和逆變側交流系統電勢來控制高壓直流輸電系統的直流電壓及電流。

高壓直流輸電控制方式

基於高壓直流輸電控制系統分層結構及控制原理分析可知，換流器觸發控制與 換流變壓器分接頭控制是高壓直流輸電系統的主要控制方式，換流器觸發控制通過調節換流器觸發角控制換流器的運行狀態，換流變壓器分接頭控制通過調節換變壓器分接頭位置控制整流側與逆變側交流系統電勢，保證高壓直流輸電系統的穩定運行。

換流器觸發控制

換流器觸發角是高壓直流輸電控制系統的重要控制量。控制系統通過分別調節整流側和逆變側換流器觸發角玟和口實現對直流電壓及直流電流的控制作用。換流器觸發控制方式回響速度很快，調節時間一般為1～4ms，並且調節範圍較大，是高壓直流輸電系統的主要控制方式。當高壓直流輸電系統因擾動或故障引起電壓電流快速變化時，換流器觸發控制發揮快速調節作用使系統恢復正常，當出現特殊情況時換流器觸發控制可以提前將觸發角置於預定值以保證系統運行的安全可靠。

換流變壓器控制

換流變壓器分接頭控制方式回響速度比較緩慢，通常分接頭位置調節一次時間為3～10s，並且由於變壓器的分接頭位置以及變壓器設備本身的容量等限制使得換流變壓器分接頭控制的調節範圍較小，是直流輸電系統的輔助控制方式。當系統發生快速的暫態變化時由換流器觸發控制作用，換流變壓器分接頭調節不參與調節過程；當系統電壓發生較長時間的緩慢變化或由於換流器觸發控制調節導致觸發角長時間超出額定範圍時，換流變壓器分接頭控制發揮調節作用使系統逐漸恢復正常運行狀態。 換流器觸發控制與換流變壓器分接頭控制相互配合，保證高壓直流輸電系統穩定運行及發生故障時控制系統的快速調節作用，改善並提高高壓直流輸電系統的運行性能及效率。

基本組成

換流器觸發控制基本組成

換流器觸發控制主要由觸發角控制、電流控制、電壓控制及裕度控制組成。觸發角控制包括整流側最小觸發角控制和逆變側最大觸發角控制，電流控制包括電流限制控制和定電流控制，電壓控制也稱為定電壓控制。

高壓直流輸電系統控制特性

高壓直流輸電系統換流器觸發控制的控制特性如圖3-4所示，整流側由定電流控制和最小觸發角控制構成，逆變側由定電流控制和定電壓控制構成。高壓直流輸電系統正常運行時採用整流側定電流、逆變側定電壓的控制方式。當整流側和逆變側的交流系統發生故障引起直流電壓變化時，控制系統通過轉換整流側和逆變側控制方式，保持直流電壓和直流電流穩定，實現對高壓直流輸電系統的快速控制。

換流變壓器分接頭控制基本組成

換流變壓器分接頭控制通過調整高壓側分接頭位置來改變交流側電勢，換流變壓器分接頭調節原理如圖3-5所示。換流變壓器分接頭控制主要用於保持換流器觸發角或直流電壓處於參考值附近，提高高壓直流輸電系統運行效率並保護換流設備。換流變壓器分接頭控制分為定角度控制和定電壓控制。

換流變壓器分接頭控制原理

前景展望

高壓直流輸電(HVDC)技術在大功率長距離輸電、海底電纜送電、大電網互聯等方面具有廣闊的套用前景。

一個現代化的高壓直流輸電二次系統，包括以下幾部分設備：
1)壹流控制保護系統；
2)運行人員控制和換流站監視系統；

3)順序控制、聯鎖及同期系統；

4)遠動與通信系統；

5)直流線路故障錄波系統；

6)能量計費系統；

7)交流保護系統。

在上述設備，最關鍵的部分是直流控制保護系統，對整個工程的性能具有關鍵影響。直流輸電和交流輸電技術的差異之一在於輸電過程對控制系統的依賴性。直流輸電是建立在閥導通和截止控制上的一種電能傳輸方式，一個穩定、可靠和性能良好的控制系統是直流輸電中不可缺少的部分。直流輸電的控制系統運行從不闡斷，這與交流系統二次部分只在運行狀態改變或故障時起作用是不同的。高壓直流輸電系統往往和交流輸電系統相互連線。從而形成交、直流系統之間的相互作用，尤其是與弱交流系統連線時，會帶來電壓不穩定性、暫態不穩定性、動態過電壓和諧波不穩定等一系列問題。隨著高壓直流輸電系統的發展，還可能形成多端和多饋入直流系統。這些將有效的增強電網的穩定性、提高電網的可控性、最佳化電網的結構、保證供電質量，但也會給高壓直流輸電系統的分析和研究帶來一系列有別於純粹的交流系統的問題和困難。高壓直流輸電的研究大有可為。