直流输电的控制与调节ppt课件.ppt

1,高压直流输电,华南理工大学电力学院黄敏,控制与调节,2,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,HVDC的调节与控制特性,3,一 HVDC控制系统概况,4,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 系统控制层System LevelStation 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 LevelPole Control System 换流器层 Valve Group Level,5,6,控制的基本方式,（a）接线图；（b）等值电路,7,6 脉波换流器：Vd0r=1.35k1E1 Vd0i=1.35k2E212脉波换流器：Vd0r=2.7 k1E1 Vd0i=2.7 k2E2,版权所有者：张勇军未经书面允许，他人不得使用,8,基本的调节手段（、Vdor、Vdoi，）,调节换流器的触发脉冲相位（或），响应时间1ms5ms调节换流变压器分接头，响应时间5s10s,9,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=Constant)定超前角控制(Inverter with=Constant)定熄弧角控制(Inverter with=Constant)CEA:Constant Extinction Angle),10,定电流控制(CC：Constant Current),控制特性：控制换流器的触发角，维持直流电流 Id 为恒定值，其控制特性为一垂直线。,11,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I（约为0.1 pu）,整流侧:逆变侧:,12,定电压控制(VC：Constant Voltage Control),控制特性：定电压控制的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。,13,整流侧：逆变侧：,14,电流裕度原则：,15,电压裕度原则：,16,定触发角控制 Rectifier with=Constant,整流侧:定延迟角控制控制特性为一组斜率为-Rcr的平行线族 时，曲线平行下降,定角控制,17,定角控制,定触发角控制(Inverter with=Constant),逆变侧:定超前角控制控制特性为一组斜率为Rci的平行线族 时，曲线平行下降,18,定熄弧角控制(CEA：Constant Extinction Angle)Inverter with=Constant,为尽量避免换相失败，要求逆变器的熄弧角必须大于 min；而为了尽量提高逆变器功率因数，则要求尽量小。这就要求逆变侧设置定熄弧角控制。,19,熄弧角减小的后果：,如果不变，交流系统故障导致：,20,定熄弧角控制特性,定角控制,min=6o-10oorder=16o-18o,21,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,22,实测式定熄弧角控制（闭环控制）,当0，Vc 减小，相位控制器将减小输出脉冲的相位角a，因而使增大。,=0-,23,安全调节若任一 0经济调节若min()0，则缓慢减小，将最小的调整到0，其他各阀必然满足 0 控制特性常为不对称：,闭环控制定熄弧角控制特性,24,闭环控制的特点,检测到与 0的偏差后才进行控制，在异常情况下，如果突然大幅度减小，在控制单元响应之前，逆变器可能已经发生换相失败。增设紧急控制单元，在紧急状态下人为地增大误差 以较大幅度地减小（增大），防止换相失败。,=0-+,25,预测式定熄弧角控制（开环控制）,根据测量得到的实际 Id 和逆变侧交流电压，求解出满足=0的=-值,26,能考虑系统运行情况的变化实时确定正确的a角，而不是在出现偏差后才进行调节。响应要早于闭环控制，响应速度较快。各阀分别进行定控制，不能保证各相触发脉冲间的等间隔性。,开环控制的特点,27,系统受扰动时开环控制的修正,通常，当dId/dt 0时，Kd取适当的正值；当dId/dt 0时，取Kd=0。逆变器各阀的角的预测计算要根据各自的换相电压，可以选择其中一个阀的=0，而其他的阀的 0,28,比较：实测型和预测型调节,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),29,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”减小的优点。,30,定熄弧角控制举例：,基本控制策略的应用及讨论：,定电流控制(CC：)定电压控制(VC：)定控制(Rectifier)定控制(Inverter)定控制(Inverter),32,理想控制特性,基本控制策略的应用及讨论：,理想基本控制特性 整流器保持定电流（CC）逆变器则运行于定熄弧角（CEA）,33,实际特性,整流器特性由两段组成：定触发角控制（CIA）定电流控制（CC）,逆变器特性由两段组成：定熄弧角控制（CEA）定电流控制（CC）,基本控制策略的应用及讨论：,34,注意：逆变器的电流整定值比整流器的要低一个电流裕度 Im，通常设定为额定电流的1015，以保证不会由于测量误差或其他原因而导致两条定电流特性相交。正常运行时:整流器控制着直流电流而逆变器控制着直流电压。,基本控制策略的应用及讨论：,35,当整流器定min特性与逆变器定0特性相交，造成控制方式的不稳定,逆变器特性的改进,基于控制方式的不稳定,基本控制策略的应用及讨论：,因此，有必要对逆变器的特性曲线进行修正，使其具有0或者正的斜率。,36,逆变器特性的改进,正斜率：采用恒控制带正斜率的特性 I d I d margin=0.05时，,基本控制策略的应用及讨论：,37,逆变器特性的改进,0斜率：采用恒电压控制正斜率：电流偏差/差错控制 CEC(Current Error Characteristic)当I d ref I d=0.05时，,基本控制策略的应用及讨论：,38,低压限流 VDC(O)L Voltage Dependent Current(Order)Limitation,采用低压限流的原因：当电压下降比较多时，逆变器将发生换相失败，如果过电流持续时间比较长，逆变器的换相失败将无法自行恢复；在低压下保持电流控制将大量增加无功需求，对交流系统造成不利影响。,基本控制策略的应用及讨论：,39,当电压降低到一个预定值以下时，限流装置经过一定的延时后，减小最大允许直流电流值。逆变器的特性与整流器的VDCOL匹配以保持电流裕度。,基本控制策略的应用及讨论：,低压限流 VDC(O)L,40,低压限流 VDC(O)L 特性,常规VDCL 改进后的VDCL,最小电流限制 小电流可能造成直流电流的不连续或断续，而直流电流的间断会在变压器绕组和直流电抗器中感应出高电压；触发角限制 通信失效或者直流线路故障的暂态期间，逆变器还应装设相应的相角限制器，以保证控制角不进入整流状态；一般情况，整流器却可以运行于逆变区，以便在某些故障条件下支持系统。因此，逆变器的max=(70 85)整流器的max=(90 140),基本控制策略的应用及讨论：,基本控制策略的应用及讨论：,43,慢速的分接头切换控制与快速的触发角控制相配合，能保持直流系统处于良好的运行状态。角度控制整流侧分接头控制角在（13.017.0）内；逆变侧分接头控制角在（17.520.5）内；Udi0控制 换流变阀侧电压在（99.1%100.9%）内；,换流变压器分接头切换控制,基本控制策略的应用及讨论：,44,过大，消耗的无功和Vd中的谐波分量将显著增大；过小又将缩小可控范围。因此，通常利用换流变分接头的调节使接近于正常值152.5。定电流控制:max时，分接头调低一档，K1减小；要求调节一档分接头后，应回到给定的范围内。,整流器侧,角度控制,一般每档变比为11.25,45,定角控制下，当交流母线电压发生偏移以及Pd改变时，Vd将发生较大的变化。逆变侧分接头控制角在182.5；,逆变器侧,角度控制,上限时，切换一档分接头，K2减小；,46,Udi0控制,在稳态运行时，要求直流线路送端的电压接近于额定值，允许的偏移为0.91.5。例：云广工程：分接头控制会保持换流变二次侧电压在（99.1%100.9%）范围内。当Vd Vdmax时，减小一档分接头；当Vd Vdmin时，增大一档分接头。一般每档变比为11.5,角度控制特点：吸收的无功少，运行经济，交直流谐波分量较小 阀的应力较小，阀阻尼回路损耗较小，分接头调节开关动作频繁，同时要求调节范围要大些。Udi0电压控制特点：保持阀侧空载电压恒定；要求的分接头范围也比较小，分接头开关动作不频繁。,分接头切换控制的两种方式讨论：,48,基本控制原理小结,整流器配备有定电流控制和-限制控制。最小值设定在5左右，换流变压器的分接头切换控制则将控制在1020范围内。逆变器装有恒熄弧角（CEA）控制和电压控制。在快速CEA的控制和慢速换流变压器的分接头切换控制下，调整在大约15 19范围内。,基本控制策略的应用及讨论：,49,正常情况下，整流器定电流控制，逆变器定熄弧角控制。如果整流侧交流电压降低时，整流器触发角即减小，直到min为止。这时，整流器切换到min控制方式而逆变器则将承担电流控制。为保证安全运行和设备安全，须设置若干限制：Imax限制、Imin限制和低压限流。,基本控制策略的应用及讨论：,基本控制原理小结,50,为了改善交流/直流系统的相互作用和提高交流系统的性能，可在上述基本控制之外采用若干高级控制，如频率控制、振荡阻尼控制等。几乎所有的直流工程都一直采用上述运行方式。有时为提高弱系统的性能，采用逆变器持续工作在定电压控制方式。,基本控制策略的应用及讨论：,基本控制原理小结,51,HVDC系统的控制与调节（二）,功率控制频率控制起停控制潮流反转控制脉冲触发控制方式,52,运行控制模式,双极功率控制模式（P-mode）控制器将按运行人员给定的双极功率进行调节，并按两个极直流电压将直流电流分配给各个极。电流控制模式（I-mode）仅为与极有关的功能，运行人员可以单独设置极的电流指令以及极电流的升降率。,53,定功率控制模式,为了实现功率调节，通常还需另加功率调节装置，一般以定电流控制为基础，通过改变电流整定值来实现功率的调节。,54,乘法器定功率调节器,如果整流侧交流电压下降，使交流功率和直流功率均减小。因此测量到功率差值P=P0-P。经过控制放大器后，产生一个与P成比例的信号，经延时元件后，输入定电流调节器作为新的电流指令使电流调节器朝增大Id的方向调节，使Pd增大，并恢复到整定值P0为止，反之亦然。,定功率控制模式,55,除法器定功率调节器,具有除法器的定功率调节器是利用功率整定值P0和直流线路电压Vd进行除法运算，产生相应的电流指令，再经过电流限制回路输出，作为电流调节器的电流直流Id0。然后Id0与实际的直流电流进行比较，产生差值控制电压进行所需的相位控制。,56,定功率控制特点：,定功率控制体现了直流系统的一个独特优点：输送功率的大小不受各端交流系统电压的相位变化以及频率变化的影响，而且还能方便快速地加以控制。利用附加的直流功率调制来承担或参与交流系统的频率调节，可以改善交流系统的运行性能和供电质量。,57,极间功率转移属于双极层控制功能（PPT：Pole-Pole Power Transfer）极间功率转移功能是指当双极运行时，一个极由于某种原因受到限制，则另一个极将增大直流输送功率，以维持双极输送功率恒定。,电流平衡控制属于双极层控制功能（CBC：Current Balance Control）目的:为平衡两极实际电流并且补偿每个极电流参考值的累积错误而设置的，尽可能地使接地极电流最小。实现：由一个带有限制值的闭环积分控制器完成。使用范围：它只有在两极都运行于P-mode，两极均解锁并且没有空载升压的情况下；在整流侧的极1有效。当极间功率转移PPT有效时，该功能被禁止。,59,频率调节的分类：,1 定频率控制：功率调节是手段 频率调节是目的 电流调节是基础2 功率/频率控制：正常时以定功率为目的 频率不稳定时以定频率为目的,60,1.定频率控制,测量单元：f比较单元：f 放大单元：P0Kf 控制送端交流系统频率时，K取正值；控制受端交流系统频率时，K取负值。功率设定单元：Pd0 P0+P0,频率调节,61,1 定频率控制的特点,被控制交流系统的调频任务由直流线路单独承担直流输送功率将随着被控制交流系统的发电功率和负载的变化而变化要求直流线路及另一端交流系统有足够大的容量。,频率调节,62,在正常运行时，定功率调节器的工作是为满足额定功率传输。而当交流系统频率偏差超过整定值时，频率控制则参与作用，改变传输功率的大小，以援助故障的交流系统。,2.功率/频率控制,频率调节,63,当被控制系统的|f|f d时，有P0输出，协助发电厂控制频率；当调频进行到|f|f d时，直流系统又恢复到定功率控制。,频率调节,2.功率/频率控制,64,功率/频率控制举例一：,1 双频调制功能：功率摇摆阻尼 Power Swing Damping（小幅度）功率摇摆稳定 Power Swing Stabilization（大幅度）能够根据系统频率的微小变化调整输送直流功率，对交流系统产生正阻尼。,65,66,功率/频率控制举例二：2 频率限制控制 Frequency Limit Control,整理侧 逆变侧AC1 DC AC2f1 P f2,67,直流系统的启动和停止,直流系统的正常启动（软启动）通过控制两端换流器的触发相位，使直流电流和电压从零开始按指数曲线或直线平稳地上升来实现。能够防止电流和电压在启动过程中的快速变化所引起的过电压，同时也可避免两侧交流系统受到功率快速变化的冲击。,正常起动控制的基本方法,（1）系统两端换流站分别对换流变和换流阀充电；（2）系统两端换流站分别将直流回路操作连接；（3）系统两端换流站根据交流滤波器配置情况投入适量的交流滤波器；（4）控制触发角=90（或大于90），先解锁逆变器，后解锁整流器；（5）逆变侧逐步升高直流电压至运行整定值，同时整流侧逐渐升高直流电流至运行整定值；当 Id 迅速越过可能发生直流电流间断区以后，逐渐地增大逆变器的，使直流电压平稳地上升。（6）当直流电压与电流均达到整定值时，启动过程结束。,直流系统的启动和停止,69,直流系统的正常停止（慢速的软停运）,（1）整流侧逐步减小直流电流至允许运行的最小值，同时交流滤波器根据系统无功功率的变化逐步切除；（2）先闭锁整流器触发脉冲，并退出整流侧其余交流滤波器小组；（3）当直流电流降到零以后，再闭锁逆变器的触发脉冲，并退出逆变侧的交流滤波器小组；（4）系统两端换流站分别操作直流场设备，使得直流线路隔离；（5）系统两端换流站分别对交流滤波器进行停电操作。,直流系统的启动和停止,70,直流系统的紧急停运,直流系统的紧急停止采用快速移相控制。将整流器的快速移相至120150之间，同时将逆变器的减小到120左右。直流平波电抗器和直流线路所贮存的磁场和电场能量便通过两端换流器（逆变状态）泄放到各自连接的交流系统中去，使直流线路的电压和电流快速下降。当直流电流降至零时，将两端换流器的触发脉冲分别闭锁，接着跳开两侧换流变压器网侧交流开关，实现交直流系统的隔离。,直流系统的启动和停止,71,直流架空线路的短路故障大多是瞬时性的，因此在紧急停止之后，可以进行自动再起动，重新恢复送电。整流器的触发角立即移相至120150，使整流器转变为逆变器运行当直流电流降到零后，按照一定的速度减小整流器触发角，再使其恢复整流运行，并快速调整直流电压和电流至故障前状态。通常再起动时间为0.20.3秒。,直流系统的故障再起动,直流系统的启动和停止,72,潮流翻转控制,直流输电的优点之一是能迅速而方便地实现潮流翻转可以在事故情况下很方便地实现事故紧急支援。大大加强了两个交流系统的联系，从而提高了系统运行的稳定性和可靠性。,73,设整流站和逆变站的调节特性由定控制、定电流控制和定熄弧角控制三段组成。在暂态过程期间，快速移相控制动作，使整流器转入逆变工况运行，逆变器则进入整流器工况运行。,74,潮流翻转的原理,由于换流阀单向导电的特性，所以直流电流的方向是不能改变的。要实现潮流（功率）的翻转，条件：两端换流器的直流电压极性均反转。这可通过调节整流器的触发相位，使延迟角大于90，变为逆变状态运行，而同时把原来的逆变器触发相位提前，变为整流状态运行，翻转过程是自动进行的。新整流侧的直流电压绝对值大于新逆变侧。,75,潮流翻转控制,76,在进行功率翻转时，两个站的低压限流控制VDCL及变压器分接头切换控制均暂停工作。,77,阀脉冲触发的基本控制方式,分相控制（等控制）等相位间隔触发控制（等间隔控制）,78,1.分相控制方式,从换相电压零点开始计时，经过一个预先确定延时，由相位控制单元发出控制脉冲。这种方法使每个换流阀控制脉冲相位的确定随各相而定，且延时是相等的，因此也称为等控制方式。,分相控制的原理框图,79,特点：每个阀整定的控制角取决于该阀的换相电压。由于所确定的控制角只与每个阀实际的换相电压零点有关，因此即使在交流系统发生扰动时（如失去一相交流电压），预置的控制角在健全相仍能维持。控制脉冲的类型有两种：锯齿波和正弦波,80,锯齿波移相原理,利用与交流电压同步的矩形波，在两个正向换相电压零点之间积分，产生一个锯齿波电压Vs，并使该电压与控制电压Vc进行比较，在两电压相等时产生一个控制脉冲。该脉冲输入触发系统，经过处理后触发换流阀。,81,各阀均有一个相同的相位控制单元，由锯齿波发生器SG和电平比较器VLC构成。各阀的同步电压取自电压互感器PT，PT的接线方式必须与换流变压器的相同，以保证各阀的同步电压与换相电压同相。,分相控制的原理框图,82,优点：的控制范围较宽；角的大小与Vc成正比，在多相脉冲系统中（如12脉波）可方便地调节移相特性的对称度，使各相的锯齿波电压斜率相等。缺点：控制脉冲的相位（角）与控制电压（Vc）成线性关系，即=KVc。而控制电压和换流器输出电压 Vd 却不是线性关系，对调节不利。,83,正弦波移相原理,正弦波电压：与交流换相电压同步的同步电压再移相90控制电压：Vc当两电压相等时产生一个控制脉冲。以后的过程与锯齿波移相原理相同。,84,特点：控制电压 Vc 和换流器输出电压Vd 之间成线性关系。因为，所以，这对闭环调节是有利的。缺点：控制脉冲的移相范围较小。,85,分相式控制的特点,在交流系统电压严重不平衡时，仍然可以各自产生控制脉冲，以维持直流系统的运行。当控制电压 Uc 为一定值时，理论上各阀的角均相同（但实际上控制脉冲的相位误差较大，一般可达 35）。,86,交流电源三相不对称时，各相触发信号之间不是等间隔的。随着直流容量的增大，极易出现谐波不稳定问题。,电源三相电压不对称,非特征谐波,触发脉冲不等间隔,正反馈过程,87,特点：不直接依赖于同步电压，独立地产生等相位间隔触发信号，因此，所有阀的触发延迟量或提前量都是相等的，它只与系统电压间接同步。,2.等间隔脉冲相位控制方式,88,等相位间隔触发控制原理框图,控制回路：等间隔脉冲产生单元、脉冲分配单元、角反馈控制等间隔脉冲产生单元：线性齿波电压发生器LVG和电平比较器VLC控制电压：Vc1，；齿波电压：VS,89,首先不考虑 角反馈控制的作用，即假设Vb=0，控制电压 Vc1=Vc。LVG产生一个随时间线性上升的输出锯齿电压Vs，上升斜率恒定；当它的控制端输入一脉冲时，Vs 便立即降低，下降的幅度Vm为定值，接着Vs又重新上升。电平比较器VLC对 Vc1和 Vs 进行比较，当两者相等时便输出一个脉冲 pi。,90,=KVc,91,讨论:等控制 和 等间隔控制 比较,等触发角控制：当加在换流器的三相电压不对称时，将在换流器的交直流侧产生非特征谐波电流和电压，该非特征进入交流系统后将会使交流电压进一步的畸变和过零点的相对位移，从而造成触发脉冲间隔更加不等，产生更大的非特征谐波，可能由此形成恶性循环。另外触发脉冲间隔不等会使换流变压器产生直流偏磁，导致换流变压器损耗和噪音增大。等相位间隔控制：等相位间隔控制虽然在换流器两端电压不对称时会使各阀触发角不相等，但能有效抑制非特性谐波可能形成的恶性循环。缺点是当交流电压不对称时各阀触发角相差较大，可能会造成调节起工作困难。,92,控制参数的选取和设计：以定电流控制为例：,93,94,95,97,98,讨论：UHVDC特有的控制方法,99,100,UHVDC的定电流控制,理想情况：,normal Measuring tolerance：Id(0.75)the band(2.5)within which firing angle,102,103,104,稳态运行时的串联阀组 无协调控制,105,稳态运行时的串联阀组 有协调控制也称为：双十二脉阀组电压平衡控制,UHVDC的两种不同的阀组投退策略。,UHVDC的两种特殊阀组投退的方式：投入第二个阀组（半压转全压运行）切除第一个阀组（全压转半压运行）。,107,这两种情况都需要高速旁路开关和阀触发脉冲信号密切配合，并且整流站和逆变站动作时刻也有严格要求关键：如何将旁路开关的电流转移到即将导通的阀上，实现旁路开关的断弧，同时，保证在转换过程中对交流系统的冲击最小。,UHVDC的阀组投退策略。,108,UHVDC的投入第二个阀组的两种策略,1 利用即将投入的第2个换流阀导通瞬间，在旁路开关上形成一个与开关中流通的直流电流相反方向的熄弧电流，强迫开关中的直流电流短时过零，同时迅速拉开旁路开关，实现直流电流转换到换流阀中。（西门子）,109,UHVDC的阀组投退的两种策略,2 利用启动定电流控制器，分别在整流站和逆变站，将即将投入的第2个换流阀的触发角设置为95，形成两个阀组的零功率运行，将直流电流转移到即将导通的阀上，这时在旁路开关上仅流过12次谐波等直流特征谐波电流，由于谐波电流有多个过零点，在这之后拉开旁路开关，可以确保旁路开关有多个时间点灭弧。（ABB),110,第1种策略:优点：快速，整个投入第二个阀组的时间不会超过100ms，对交流系统的无功冲击小，没有投入交流滤波器的特殊要求，控制逻辑比较简单。缺点：短时的直流功率波动非常大，对交流系统的输送功率存在短时扰动，对高速旁路开关的要求高，需要高速旁路开关和阀触发脉冲信号密切配合。,UHVDC的阀组投退的两种策略,111,第2种策略:优点：直流电压、电流的转换非常平稳，便于实现阀组的平稳投入，对旁路开关的要求较低。缺点:投入第二个阀组的时间很长，超过2155ms，启动顺序控制逻辑比较复杂，对系统的无功支撑要求很高，投入时在整流侧和逆变侧直流系统的无功消耗为正常完整运行方式的两倍。,UHVDC的阀组投退的两种策略,112,这两种不同的策略各有优劣，应根据不同的交流系统条件，结合旁路开关等设备的情况，综合选择。不论选择哪种策略，均应保证整流侧先与逆变侧解锁，并留有足够时间裕度，保证整流侧维持定电流控制，逆变侧维持定电压控制或定熄弧角控制，不会丢失电流裕度，即使在低负荷情况下也不会出现断流过压的现象。当站间通信故障时，不建议解锁第二个阀组。,UHVDC的阀组投退的两种策略,113,参考,浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电.北京：电力工业出版社赵畹君.高压直流输电工程技术.北京：中国电力出版社“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特高压输变电系统开发与示范”,114,谢谢大家！敬请指正！,华南理工大学 电力学院 黄敏 13512766976,