直流输电系统的控制系统研究

zhangxiaogg · 发表于 2007-7-4 06:51:08

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直流输电系统的控制系统研究

编写人：张晓光

2006年9月10日

1．直流输电控制系统研究的背景
1.1 直流输电控制系统研究的依据
此专题研究报告的依据是电顾规划[2005]532号文件的附件《呼伦贝尔－辽宁直流输电工程可研评审会议记要》、东北电力设计院QC小组注册登记表，注册编号：QC06-07；QC小组课题登记表，课题名称：《次同步振荡（SSO）的研究应用》，课题编号：K06－07。
1.2本专题研究的目的
此专题报告的研究目的是为《次同步振荡（SSO）的研究应用》专题项目进行仿真计算提供直流控制系统的建模，即：呼伦贝尔～辽宁直流输电系统中直流控制各环节可转换为EMTPDC程序的数据格式及EMTPDC/pscad程序的传递函数框图。
1.3专题研究的基础资料
本专题研究的基础资料来源，主要以《呼伦贝尔～辽宁直流输电工程可行性研究系统专题报告》为主，并参考《三峡～常州±500kV直流输电工程换流站》、《高压直流输电工程技术》、《交直流电力系统动态行为分析》、《高压直流输电与柔性交流输电控制装置》、《电力电子技术基础》等技术文献。
2 直流输电控制系统的构成
2.1 直流输电控制系统的分层结构
直流输电系统与交流输电系统相比，最大优点是：可观、可控。而直流输电系统的核心技术是它的控制系统的系统设计。
直流输电控制系统通常分为3个层次，第一层次称为主控制级（或双极控制级），第二层次称为极控制级（简称极控级、下同），第三层次称为阀组控制级。主控制级通常接受来自调度中心的直流输送功率指令（Pset），经过控制运算后发送一个直流电流指令（Ides）给极控级，极控级经过控制运算以后发送一个触发指令（αord）给各个阀组控制单元。各控制级的基本功能如图2.1－1。
由图2.1－1可知，实际的直流输电系统可能包括图2.1－1的某些或全部控制子系统的控制功能。考虑低层控制能快速的跟追高层控制的指令，一般控制的层次越高，响应速度越慢。如第一层功率变化时的响应时间一般在100ms左右，而第三层次触发角指令变化的响应时间只需要1～4ms。

图2.1-1  直流输电控制系统的分层结构图

2.2 直流输电系统中换流器的稳态数学模型
2.2.1 变量定义和假设前提条件
换流器是直流输电系统的核心设备，其基本单元由6个换流阀组成的三相6脉波整流桥，作为基本单元。现代直流输电换流器的典型结构是由2个6脉波串联组成的12脉波换流器，如图2.2.1－1所示。
与交流系统主要环节相比，直流输电系统的换流器在运行过程中由于不断变化换流阀的通断组态，是典型的时变电路，因此要得到其任何时刻都适用的数学模型几乎是不可能的，目前仅能够针对理想条件下换流器的稳态工况导出其解析表达式。换流器稳态的数学模型假设为交流侧仅有基波分量，直流侧仅有直流分量。
根据图2.2.1－2所示，稳态数学模型的输入量有3个，输出量有5个，其中3个输入量分别为：
（1）换流站交流母线线电压E（kV）；
（2）触发延迟角α（°）或触发超前角β（°）；
（3）平波电抗器上的直流电流Id(kA)；
5个输出量分别为：
（1）平波电抗器后的直流电压Ud（kV）；
（2）换相角μ（°）；
（3）关断角γ（°）；
（4）交流系统注入基波有功功率Pac（MW）；
（5）交流系统注入基波无功功率Qac（Mvar）；
在实际运行时换流器数学模型中的4个角度变量中，触发延迟角α或触发超前角β是直流输电的控制系统确定，换相角μ和关断角γ是描述换流器运行状态的2个重要的表征量，其中关断角γ是描述换流器逆变运行时是否会发生换相失败的唯一表征量。
换流器稳态数学模型的导出需要基于如下几个假设条件：
（1）换流站交流母线装设有完善的滤波装置，因而认为换流站母线上的电压是纯正正弦波形，不含谐波。

图2.2.1－1 双桥换流器原理接续图

图2.2.1－2  直流输电换流器等效电路及数学模型

（2）换流站交流母线上的电压是三相对称的。
（3）换流器本身的运行也是对称的。
（4）直流电压、直流电流是平直的。
（5）换流变压器无损耗且激磁电抗可以忽略。
2.2.2 换流器的稳态数学模型和等效电路
根据上述对直流输电系统变量的定义，输入变量E、α（β）和Id为已知量，所求的输出变量可以分为3组：第1组为直流变量，只有直流电压Ud；第2组为换流器运行特征变量，有换相角μ和关断角γ，第3组为交流侧变量，包括基波有功功率Pac和基波无功功率Qac。
直流电压Ud的计算公式为：

其等效电路如下图所示。
                           dx=3XT/π  Id



Udo                                     Ud
                              Udocosα

换流器运行特征变量的计算公式为：

2.3 直流输电系统的基本控制方法
根据换流器的稳态数学模型，可以得到直流输电系统的等效电路，如图2.3－1所示。
由整流测流向逆变侧的直流电流为：

式中：－整流侧换流变的阀侧空载电压；
   －逆变侧换流变的阀侧空载电压；
   －直流线路电阻；
   －整流侧换流变的电抗；
   －逆变侧换流变的电抗。
因此直流线路的输送功率可由下式给出：

由图2.3－1中的直流输电系统理想运行特性可知，一般直流输电系统的运行方式是，在整流侧以定电流为控制方式，在逆变侧以定电压为控制方式。但不管是直流电压还是直流电流都决定于α、β、、 4个量，这4个量的控制特性如下：
（1）在一定范围内改变整流器的触发延迟角α，过程为电子型控制，它的响应速度非常快，可以在半个周波内完成（8～10ms）。
（2）在一定范围内调节逆变器的β或γ角。也是电子型控制，响应速度非常快，也可以在半个周波内完成（8～10ms）。
（3）通过调节换流变压器的分接头来调节整流侧的交流电压。这个过程比较缓慢，通常从高端到低端的调节过程需要数百秒（约10分钟）的时间。
（4）通过调节换流变压器的分接头来调节逆变侧的交流电压。它的控制过程也比较缓慢，通常也需要数百秒（约10分钟）的时间。
（1）、（2）控制方式为电子型，控制响应速度快；（3）、（4）为换流变压器的分接头来控制调节，控制过程比较缓慢，与控制触发角或关断角相比，其响应速度要慢得多。通常换流变压器每调节1档的时间需要5～10秒。
直流输电系统控制基本方式的选择应保证直流系统能够响应快速且稳定地运行，同时能够使所产生的谐波、所消耗的无功功率以及输电引起的损耗最小。

图2.3－1 直流输电系统等效电路及理想运行特性

2.4 直流输电极控级功能及标准测试系统
如前所述，直流输电的控制系统主要分三级控制，即：主控级、极控级、阀组控制级。三级控制中，以极控级为关键控制级，它起到承上启下的作用，其控制结构比较复杂。
在直流输电的极控级中，整流测通常配备有带限制的定电流控制器；逆变侧通常配备定电压控制器、定电流控制器、和定γ角控制器，另外还配备有电流偏差控制器（Current Error Controller，CEC）。在定电流控制中，电流整定值通常来自以电压限流指令值环节（Voltage Dependent Current Order Limiter，VDCOL，简称为低压限流环节）的输出再加上电流调制控制器的输出。通常极控级的功能框图如图2.4－1所示。

需要说明是，图2.4－1以逆变侧通常形式的控制功能配置为例，上述各种控制器控制的目标是使直流输电系统按照调度中心指定的特性曲线运行。
2.4.1 CIGRE直流输电标准测试系统
国际大电网会议（CIGRE）直流输电标准测试系统（CIGRE HVDC Benchmark Model）是用于直流输电（HVDC）控制研究的标准系统，可用于各种仿真程序或仿真器在相似电路模型上进行不同的直流控制设备和控制策略性能的比较研究，其直流系统主电路结构如图2.4.1－1所示，直流输电标准测试系统参数见表2.4.1－1。
直流输电标准测试系统参数表
                                    表2.4.1－1
参数整流测逆变侧
交流系统电压（线电压） 345（kV） 230（kV）
交流系统阻抗幅值 119.03Ω 52.9Ω
换流变压器分接头（一次侧） 1.01 0.989
等效换相电抗 27Ω 27Ω
直流电压 505（kV） 495（kV）
直流电流 2（kA） 2（kA）
触发角 15° 15°
直流功率 1000MW 990MW

CIGRE直流输电标准测试系统所采用的控制器属于直流输电控制系统分层结构中的极控制层，主控制层在此测试系统中没有模拟。CIGRE直流输电标准测试系统的基本方式是：整流测由定电流控制和限制两部分组成；逆变侧装设定电流控制和定关断角（）控制。此外在整流测和逆变侧都配有VDCOL控制，逆变侧还配有CEC控制。CIGRE直流输电标准测试系统控制器的总体框图如图2.4.1－2所示。

图2.4.2－1  直流输电标准测试系统模型

图2.4.1－2  直流输电标准测试系统控制器总体框图

下面对极控级各控制器的控制特性分析研究。
2.4.2 定电流控制器的控制特性
在极控级功能中，定电流控制器是应用最为广泛的。定电流控制器的控制框图如图2.4.2－1所示。
在整流测定电流控制器的输入是电流整定值与实际电流的偏差，由这个电流偏差作为比例、积分环节（PI）控制器的输入量，所得到输出作为触发角的相关信号，一般PI控制器的输出就直接用以触发延迟角的指令值。
在逆变侧，定电流控制器的整定值比整流测小一个电流裕度，因此在直流输电系统正常运行情况下，实际电流往往大于逆变侧的电流整定值，使得逆变侧的定电流控制器的调节趋势向减小直流电流的方向调节，因此角总被调节到其最大限制值，由图2.4－1可得，在逆变侧极控级中3个控制功能（定电压、定电流、定）比较环节中，取最小值时，定电流控制器的输出总被排除在外。只有当实际电流小于逆变侧的电流整定值时，逆变侧定电流控制器的输出才可能在3个控制器的选择中被选中。需说明是，在图2.4.2－1中，KI的典型值为－1.0°～－10.0°/A●s，KP的典型值为0.01°～0.04°/A，电流裕度的典型值为额定直流电流的10％，在调试时要加以注意！
整流测、逆变侧定电流控制传递函数结构图分别见图2.4.2－2、图2.4.2－3。
2.4.3 逆变侧定关断角控制
测试系统中，通过将上一个周期从直流输电系统测得的逆变侧角取最小，作为关断角的测量值。角的整定值为15°，角的最大偏差值限制为－31°。逆变侧定关断角控制传递函数结构图如图2.4.3－1所示。

图2.4.2－1  定电流控制器及典型参数示意图

图2.4.2-2  整流侧定电流控制传递函数结构图

图2.4.2-3  逆变侧定电流控制传递函数结构图

图2.4.3－1  逆变侧γo控制传递函数结构图

2.4.4 逆变侧的控制模式选择
在逆变侧的定电流控制器与定关断角控制器的输出值均为β角，但在任何时刻两个控制器的输出只有1个被选中。根据逆变器运行的特点，对两个控制器输出的β角进行取大选择是合理的，如图2.4.4－1图所示，根据，从而得到逆变侧触发延迟角。

图2.4.4－1  逆变侧控制模式的选择图
2.4.5 CIGRE直流输电标准测试系统的控制器详细框图
综合上述各环节的控制器，可以得到CIGRE直流输电标准测试系统的控制器详细框图，如图2.4.5－1所示。

图2.4.5－1  直流输电标准测试系统的控制器详细框图

3. PWM模式在换流器应用
电力电子技术是世纪之交发展迅速的新兴学科，是高新技术产业发展的主要基础技术之一。特别近十多年电力电子技术对电力系统技术的发展产生极为深刻的影响。其中PWM（脉冲宽度调制）模式在直流输电系统换流器的应用，开创了直流输电系统中控制系统的新阶段，使直流输电的控制系统的控制性能大大改善，使以前难以实现的功能得以实现。
3.1 产生PWM模式的三种技术
用产生PWM模式的三种工程技术，以快速跟踪电流参考波形的应用技术，在直流输电的工程已得到广泛推广，现将PWM调制技术描述如下：
（1）周期采样（PS）
这种方法采用一固定频率的时钟来控制VSC（电压源换流器）的大功率开关。由测量得到的线电流和参考电流产生的误差信号，用来调制时钟的频率，并使用一个比较器和一个D型触发器来产生PWM的模式。两次开关之间的最小时间间隔受时钟频率的限制，典型原理图如下图。

（2）滞环（HB）
当和间的误差超过的某一固定比例（典型值为5％～10％）时，滞环（HB）将调制换流器的开关。在这种情况下，开关频率不是固定的，而是随的值、滞环宽带和负荷的电感而变化，典型原理图如下图。

(3) 三角载波（TC）技术
三角载波技术将和之间的误差与一固定频率、固定幅值的三角载波作比较。并采用一组PI（比例、积分）调节器在反馈回路中提供静态和动态补偿。这种方法比其他两种方法实现起来更为复杂，因为需要选择PI控制器的增益，典型原理图如下图。

在EMTDC软件中，换流器控制系统取触发脉冲的同步信号的技术是采用上述技术方法。
4 电力换流器的同步技术
静止换流器的触发脉冲产生单元对换流器的暂态性能具有重要影响。在直流输电系统中换流器晶闸管的脉冲触发过程中，将涉及到脉冲触发的同步问题。在现代直流输电控制技术中，应用采用新的同步触发技术，即：压控振荡器（VCO）与锁相环（PLL）相结合用以产生等间隔触发脉冲，这样，即使对于较弱的交流系统也可以获得令人满意的暂态特性。根据现有两种基于脉冲频率控制（PFC）的门极触发单元（CFU）的设计方法，进行有价值研究分析，对以后应用EMTP或EMTDC软件对设计的直流输电控制系统的进行系统构建，并对其系统的动态性能进行评估，将起到示范和引导的作用。VCO（Voltage Controlled Oscillators、电压控制振荡器）；PLL(Phase Locked Loop、相位锁定环节)。
4.1 关于GFU的概述
晶闸管的门极控制触发技术是换流器控制系统的关键技术环节，GFU(Grig Firing Unit、门极触发单元)是换流器同步触发设计技术。有两种已被广泛应用的GFU样式，一种基于按相控制（IPC、Individual Phase Control），另一种基于等间隔脉冲控制（EPC、Equi-Distant Pulse Control）。
4.2.1 按相控制（IPC）单元
以IPC形式设计GFU的样式，现已过时，其主要机理是：脉冲触发是直接从换相电压的过零点导出的，从而触发脉冲对波形的谐波污染非常敏感。IPC控制单元的主要缺点是产生非特征谐波，从而引起谐波不稳定问题，在此不予以关注。
4.2.2 等间隔脉冲控制（EPC）单元
等间隔脉冲控制（EPC）系统在稳态时只产生特征谐波。有两种控制方式，脉冲频率控制（PFC）型、脉冲相位控制（PPC）型，分别描述如下：
（1）脉冲频率控制（PFC）型
为了避免触发脉冲对换相电压过零的直接依赖，采用一个VCO紧跟一个环形计数器的方法。该方法的本质特征是，输入VCO的直流控制信号能够改变VCO的振荡频率。因此，这种GFU被称为脉冲频率控制（PFC）型。
当VCO自由运行时，它产生一系列短脉冲，脉冲重复的频率与直流控制电压成正比。例如，若控制电压被调整到使振荡器的频率为交流供电频率的6（或12）倍，那么，脉冲之间的间隔将精确地等于60°（或30°），这就是等间隔触发脉冲这个术语地来历。环形计数器被用来将这个脉冲列分离从6组或12组脉冲，分别对应于6或12脉波换流器。
也可以采用一种间接地方法使VCO地输出频率与交流供电频率同步。将换流器的直流电流或关断角作为反馈信号得到一个误差信号，当误差信号为零时，GFU处于稳态（自由运行或以中心频率运行），此时VCO的输出频率等于供电频率。当误差信号不为零时，VCO将加速或减速以校正该误差。
（2）脉冲相位控制（PPC）型
在这种类型的GFU中，直流控制电压使VCO输出的相位发生变化而不是频率发生变化。因此这种类型GFU的传递函数是比例型的而不是积分型的。为了确保VCO输出的频率与交流供电频率同步，采用了一种慢动作频率误差反馈回路。这种类型的GFU也不允许以单个脉冲的方式来调制触发脉冲。

4.2 GFU的设计与分析
GFU的传递函数框图如图4.2-1所示。

图4.2－1 GFU的传递函数框图
在此电路中，假设换相电压为，将其乘以一个反馈信号，可得输出电压误差如下式所示：

上式的第一项表示由同步电压和换相电压之间的频率偏差和相位偏差所造成的误差。在稳态下，同步电压将锁定于换相电压，此时，且，上式的第一项为零。式中的第二项是多余的交流分量，稳态下其频率为2 。为了分离出直流误差信号并滤掉多余的交流分量，采用了一个低通滤波器，其传递函数为。滤波器的输出被送入到一个传递函数为的积分器，而积分器的输出用来调制一个自由运行的正弦－余弦振荡器的相位和频率，以产生输出信号。在稳态条件下，反馈信号与换相电压同相且同频率。这样，可作为稳定的无污染的信号用来导出换相电压的过零点时刻，以作为GFU的时间参考点。
从传统型GFU中各信号的波形。可以看出，误差信号包含一个二次谐波的主导交流分量，该分量通过低通滤波器滤掉，以减少它对整个系统运行的影响。另外换相电压和同步电压两个信号为了帮助看清两相位的不同，的幅值特意增加了20％。
5. 初步结论
直流输电系统有别于交流输电系统的主要特点是它的可控性。而直流输电系统的核心技术是它的控制系统。对直流输电系统的控制系统研究，是配合SSO研究项目的一个重要分支。通过对直流输电系统控制系统的研究，使我们对直流输电系统的控制系统，这一未知的领域有了比较深入了解，并通过这一过程，可构建新的仿真平台－EMTDC/PSCAD。
直流输电系统的控制系统的结构，通常分三级控制结构，即：主控制级、极控制级、阀组控制级。其中以极控制级为关键控制环节。
极控制级－即极控级是本次直流输电系统的控制系统研究的重点，主要分析研究直流输电系统两侧的整流测和逆变侧控制过程的机理，以古典传递函数为分析手段，对其中参数选取作进一步分析，配合对直流输电系统的主回路的动态行为分析研究。
对同步技术的关注和研究，是为了开阔我们的视野，更多的关注直流输电系统的控制系统的最新发展。

zyf7232 · 发表于 2007-7-4 09:43:12

垃圾，是不是综述哦，比我写的综述差多了，分析的也很肤浅，如果这都能上期刊的话，那杂志也太差了。

^_^ · 发表于 2007-8-14 11:14:10

内容还是丰富di，但看不到附图

ieee3000 · 发表于 2008-12-25 19:51:40

还好学习一下啊谢谢楼主

davidwpj · 发表于 2009-3-12 19:28:41

可惜没图啊

sargent · 发表于 2009-3-13 08:24:07

路过看一下

shenguiluan · 发表于 2009-3-20 10:01:39

很不错的东西感谢楼主分享

mimidoudou27 · 发表于 2009-4-27 15:56:26

写的挺好的啊，可惜就是看不见图

lincoln19860829 · 发表于 2009-4-27 23:40:45

直流输电越来越火，学习学习！

suner1986 · 发表于 2009-5-1 10:24:56

写得还行吧，看不到图

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