關(guān)于高壓直流電源控制系統(tǒng)的研究

黃運杰

[摘要]高壓直流輸電(HVDC)作為一種新興的輸電技術(shù)，目前已經(jīng)得到了廣泛的重視和應(yīng)用。隨著“西電東送”和“全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略規(guī)劃的實施，我國將出現(xiàn)越來越多的直流輸電工程。主要介紹高壓直流輸電的特點，并且著重針對高壓直流電源控制系統(tǒng)的運行特點進行研究。

[關(guān)鍵詞]高壓輸電直流輸電控制系統(tǒng)

中圖分類號：TB1文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610014-01

一、引言

利用高壓直流系統(tǒng)固有的快速、大范圍可控制的輸送電能的特點，可以借助交直流系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)節(jié)的手段來提高與直流系統(tǒng)相連接的交流系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)這一目的，必須在直流輸電系統(tǒng)主控制器上附加特殊的穩(wěn)定控制器。文章基于此在介紹了高壓直流輸電的特點的基礎(chǔ)上對高壓直流電源控制系統(tǒng)的運行特點進行了研究。

二、高壓直流輸電的特點

1、功率傳輸特性。隨著輸送容量不斷增長，穩(wěn)定問題越來越成為交流輸電的制約因素。為了滿足穩(wěn)定的要求，常需要采用串補、靜補、調(diào)相機、開關(guān)站等措施，有時甚至不得不提高輸電電壓。但是這將增加很多電器設(shè)備，代價昂貴。直流輸電沒有相位和功角的問題，當(dāng)然也就不存在穩(wěn)定問題，只要電壓降、網(wǎng)損等技術(shù)指標符合要求，就可以達到傳輸?shù)哪康?，無須考慮穩(wěn)定的問題，這是直流輸電的重要特點，也是它的一大優(yōu)勢。

2、對線路故障的自防護能力好。交流線路單相接地后，其消除過程一般約0.4-0.8s，加上重合閘時間，約0.6—1s恢復(fù)。直流線路單極接地，整流、逆變兩側(cè)晶閘管閥立即閉鎖，電壓降到零，迫使直流電流降到零，故障電弧熄滅不存在電流無法過零的困難，直流線路單極故障的恢復(fù)時間一般在0.2-0.35s內(nèi)。若線路上發(fā)生的故障重合(對直流輸電系統(tǒng)為再啟動)過程中重燃，交流線路就三相跳閘了。直流輸電系統(tǒng)則可以用延長留待去游離時間及降壓方式來進行第二、第三次再啟動，創(chuàng)造線路消除故障、恢復(fù)正常運行的條件。對于單片絕緣子損壞，交流系統(tǒng)必然三相切除，直流系統(tǒng)則可降壓運行，而且大多能取得成功。

3、潮流和功率控制可實現(xiàn)自動化。交流輸電的潮流取決于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、發(fā)電機與負荷的運行方式，控制難度較大，需由值班人員調(diào)度。直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸可全部自動控制。

4、對短路容量無影響。兩個電網(wǎng)以交流互聯(lián)時，將增加兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量，有時會造成部分原有斷路器不能滿足遮斷容量要求而需要更換。如果兩電網(wǎng)以直流系統(tǒng)互聯(lián)(背靠背方式)，無論哪里發(fā)生故障，在直流線路上增加的電流都是不大的，因此不會影響交流系統(tǒng)的斷路容量。

5、調(diào)度管理簡便。由于通過直流系統(tǒng)互聯(lián)的兩端交流系統(tǒng)可以有不同的頻率，輸送功率也可保持恒定(恒功率、恒電流等)。對于送端而言，整流站相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個負荷。對于受端而言，逆變站則相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個電源。兩個電網(wǎng)相互之間的干擾和影響小，運行管理簡單方便，對我國當(dāng)前發(fā)展的跨大區(qū)互聯(lián)、合同售電、合資辦電等形成的聯(lián)合電力系統(tǒng)非常適用。

三、高壓直流輸電控制系統(tǒng)的特點

高壓直流輸電系統(tǒng)的快速潮流控制能力以及其高度可控性在世界上的很多工程中得到了充分應(yīng)用。它的有效運用決定于適當(dāng)利用它的可控性以保證電力系統(tǒng)的所需性能。以提供高效而穩(wěn)定的運行、最大限度地提高功率控制的靈活性而不危及設(shè)備的安全為目標。以下將主要論述高壓直流輸電控制系統(tǒng)的特點。

(一)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。直流輸電控制系統(tǒng)通常被分為三個層次，第一層為主控制級，也稱為雙層控制級。通常包含3個模塊，分別是接受調(diào)度中心發(fā)來的輸送功率指令的模塊、功率調(diào)制和快速功率變化控制的模塊和計算直流電流指令值的模塊，即期望的直流電流值，電流控制的期望值從這個模塊被傳送到第二層次的控制系統(tǒng)，即極控級。第二層為極控制級。直流輸電極控制級中各控制器的目標是使直流輸電系統(tǒng)按照某種特定的特性曲線來運行。極控制級的主要控制功能是經(jīng)過控制運算以后發(fā)送一個觸發(fā)角指令給第三層次閥組控制級的各個閥組控制單元。第三層為閥組控制級。閥組控制級主要有兩個功能：取觸發(fā)脈沖的同步信號和產(chǎn)生滿足要求的觸發(fā)脈沖系列以觸發(fā)晶閘管閥。觸發(fā)脈沖的同步信號應(yīng)嚴格與換流站交流母線電壓頻率保持確定的倍數(shù)關(guān)系，以滿足當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障，換流站交流母線電壓大幅度跌落時仍能正常工作的要求。直流輸電的閥組控制主要涉及系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。

(二)高壓直流輸電控制方式。直流小方式調(diào)制控制；小方式調(diào)制的目的主要是阻尼一種或多種模態(tài)的振蕩，控制信號一般加于直流基本控制的電流指令環(huán)節(jié)。由于調(diào)制功率幅值不大的緣故，小方式調(diào)制無需兩端換流站之間的通信。直流大方式調(diào)制控制：大方式調(diào)制控制旨在擴展系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限，從而保障系統(tǒng)在大擾動下的安全?？刂谱饔命c通常取為直流基本控制的功率直流環(huán)節(jié)。相對于小方式調(diào)制控制，大方式調(diào)制對直流功率改變幅度較大，作用時需要與對端換流站通信。有的大方式調(diào)制控制信號取為兩端交流系統(tǒng)的頻率偏差，這樣的控制器也可被稱為頻率調(diào)制控制器，因為由它的控制作用可以提高兩側(cè)交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。Y角調(diào)制：對于直流聯(lián)系的弱交流系統(tǒng)，直流功率調(diào)制的功效將大大削弱。假設(shè)整流側(cè)調(diào)制作用使得直流電流上升，由于直流電壓是由逆變側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)以及換流站交流母線電壓決定的，隨著電流的上升逆變側(cè)無功功率的需求量將增加。該問題的一種解決方法是在逆變側(cè)引入Y角調(diào)制從而保障整流側(cè)功率調(diào)制的有效性。

(三)鋼鐵企業(yè)直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展。在鋼鐵企業(yè)中積極有序地推進節(jié)電技術(shù)與管理對提高企業(yè)的節(jié)能水平尤為重要。在供配電環(huán)節(jié)，變壓器等電能基礎(chǔ)設(shè)施配置、更新及高效運行：傳統(tǒng)的節(jié)電方法和渠道已經(jīng)在鋼鐵企業(yè)廣泛采用，并取得一定成效。在此基礎(chǔ)上鋼鐵企業(yè)如何采取新的舉措，開辟新的節(jié)電渠道，挖掘節(jié)電潛力。成了企業(yè)當(dāng)務(wù)之急。伴隨著全球性的通脹，電價上漲將是一個長期趨勢，生產(chǎn)用電成本的上升只能靠企業(yè)加強用電管理，提高節(jié)電水平來逐步消化。其中，在技術(shù)層面的節(jié)電技術(shù)發(fā)展較快，已經(jīng)或者正在鋼鐵企業(yè)中得到大力的推廣和應(yīng)用。

四、結(jié)論

HVDC系統(tǒng)的基本控制在整流側(cè)基本采用恒定電流控制和α限制控制相結(jié)合的方式；逆變側(cè)多采用恒定熄弧角控制或恒定電壓控制，以保證系統(tǒng)獲得正常的直流電壓，也配合有特殊情況下的恒定電流控制。直流基本控制的環(huán)節(jié)眾多、控制過程相對較復(fù)雜。在這種基本控制的作用下的直流系統(tǒng)并不能直接提高整個交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此常常需要附加控制來拓展直流聯(lián)絡(luò)線的控制能力，以提高交流系統(tǒng)的動態(tài)性能。