直流輸電控制系統(tǒng)的組成及功能

王 昊

(遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

直流輸電是電力系統(tǒng)近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，直流輸電克服了電感損耗，只有導(dǎo)線電阻損耗，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離海底電纜、大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)絡(luò)輕型直流輸電等方面。直流輸電與交流輸電相互配合，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)需求的不斷增長(zhǎng)和提高，直流輸電受到廣泛的注意并得到不斷的發(fā)展。

隨著直流輸電技術(shù)的日趨成熟，電網(wǎng)對(duì)直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求逐漸提高，而直流輸電的核心就是直流輸電控制系統(tǒng)，直流輸電控制系統(tǒng)性能的好壞直接決定直流輸電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行［1］。

1 直流輸電控制系統(tǒng)

1.1 直流極控制系統(tǒng)

直流極控制系統(tǒng)是換流站控制系統(tǒng)的核心，主要功能是通過對(duì)整流側(cè)和逆變側(cè)觸發(fā)角的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的輸送功率或輸送電流。主要設(shè)備為極控主機(jī)PCP和分布式I/O。

1.2 直流輸電控制系統(tǒng)［2］

直流輸電和交流輸電技術(shù)的不同在于輸電過程對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的依賴性。直流輸電是建立在閥導(dǎo)通和截止控制上的一種電能傳輸方式，直流輸電控制系統(tǒng)運(yùn)行從不間斷，這與交流系統(tǒng)二次部分只在運(yùn)行狀態(tài)改變或故障時(shí)起作用是不同的。高壓控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的核心，直接決定直流輸電系統(tǒng)的性能。

直流輸電控制系統(tǒng)完成以下基本控制功能。

a． 直流輸電系統(tǒng)的啟?？刂?。

b． 直流輸電功率的大小和方向控制。

c． 抑制換流器不正常運(yùn)行及對(duì)所聯(lián)交流系統(tǒng)的干擾。

d． 發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)換流站設(shè)備。

e． 對(duì)換流站、直流線路的各種運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流及控制系統(tǒng)本身的信息進(jìn)行監(jiān)視。

f． 全換流站所有設(shè)備的監(jiān)控功能。

2 直流輸電控制系統(tǒng)組成

直流輸電控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)方控制中心 (如國(guó)調(diào)、網(wǎng)省調(diào))的接口子系統(tǒng)、運(yùn)行人員控制系統(tǒng)、交直流站控系統(tǒng)、直流極控制系統(tǒng)組成。

2.1 控制位置要求

控制位置要求有遠(yuǎn)方調(diào)度中心、集控中心、換流站主控室、控制系統(tǒng)就地、設(shè)備就地。

2.2 控制位置層次關(guān)系

分層結(jié)構(gòu)位置越低其控制優(yōu)先級(jí)越高。

2.3 控制位置切換

一般由運(yùn)行人員在主控室進(jìn)行，遠(yuǎn)方調(diào)度中心也可進(jìn)行控制位置切換，但一般不使用。

3 交直流站控系統(tǒng)

交直流站控系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行交直流設(shè)備的投切、啟停、運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、狀態(tài)監(jiān)視、測(cè)量等功能。主要包括站控系統(tǒng)主機(jī)、分布式現(xiàn)場(chǎng)總線和分布式I/O等設(shè)備。主要設(shè)備有交流開關(guān)場(chǎng)監(jiān)控ACC、交流濾波器場(chǎng)監(jiān)控AFC、站用電監(jiān)控SPC、輔助系統(tǒng)監(jiān)控ASC、直流開關(guān)場(chǎng)監(jiān)控DFT(極區(qū)域)、BFT(雙極區(qū)域)、換流變監(jiān)控 TFT、水冷系統(tǒng)監(jiān)控VCT。

站控系統(tǒng)主要功能:完成整個(gè)換流站范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集及信息處理，上送運(yùn)行人員控制系統(tǒng);全站范圍內(nèi)的開關(guān)、刀閘和地刀的操作控制;順序控制;聯(lián)鎖;同期;站控系統(tǒng)內(nèi)部及輔助系統(tǒng)事件生成和上傳至運(yùn)行人員控制系統(tǒng);在線諧波監(jiān)視;對(duì)輔助系統(tǒng)的監(jiān)控 (包括站用電系統(tǒng)的控制、監(jiān)視及對(duì)其它輔助系統(tǒng)的監(jiān)視功能)等。站控系統(tǒng)從I/O接口至系統(tǒng)主機(jī)整個(gè)環(huán)節(jié)均采用完全雙重化設(shè)計(jì)，雙重化設(shè)計(jì)確保不會(huì)因?yàn)槿我幌到y(tǒng)單重故障而發(fā)生停運(yùn)，也不會(huì)因?yàn)閱沃毓收隙?duì)換流站的監(jiān)視。站控系統(tǒng)具有完整的自身內(nèi)部監(jiān)視和自診斷能力，以便在故障時(shí)容易定位問題所在。站控系統(tǒng)具有足夠高的可靠性、可用率和可維護(hù)性。交流站控獨(dú)立配置，直流站控根據(jù)不同廠家的設(shè)計(jì)，可單獨(dú)配置，也可集成到直流極控中［3］。

4 直流極控系統(tǒng)功能

極控系統(tǒng)包含以下控制功能模塊:極功率控制/電流控制PPC、過負(fù)荷限制OLL、直流功率調(diào)制MODS、換流器觸發(fā)控制CFC、控制脈沖發(fā)生單元CPG、無功功率控制RPC、開關(guān)順序控制SSQ、模式順序控制MSQ、準(zhǔn)備順序控制RSQ、電壓角度參考值計(jì)算VARC、換流變壓器分接頭控制TCC、線路開路試驗(yàn)控制OLT、站間通信TCOM［4］。

4.1 無功控制RPC

無功控制的控制目標(biāo)是滿足換流器消耗無功需要，使直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)交換的無功為設(shè)定值，滿足諧波濾波需要，使直流系統(tǒng)注入交流的諧波達(dá)到允許范圍，控制交流電壓在設(shè)定值［5］。無功控制模式分為無功控制投入、手動(dòng)無功控制模式、自動(dòng)無功控制模式、無功控制退出。最高、最低電壓限制:監(jiān)視交流母線穩(wěn)態(tài)電壓，避免穩(wěn)態(tài)過電壓引起保護(hù)動(dòng)作。最大無功交換限制:根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀況，限制投入濾波器組數(shù)量，限制穩(wěn)態(tài)過電壓。最小濾波器容量要求:為滿足濾除諧波的需要需投入的最小濾波器組。無功交換控制、電壓控制:控制換流站與交流系統(tǒng)交換的無功量為設(shè)定參考值，控制換流站交流母線電壓為設(shè)定參考值。

4.2 順序控制與聯(lián)鎖 (SSQ、MSQ、RSQ)

順序控制與聯(lián)鎖的控制目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)平穩(wěn)啟動(dòng)和停運(yùn)，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)安全可靠操作斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘，實(shí)現(xiàn)安全可靠的控制模式或運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換。順序控制主要內(nèi)容有極順序控制、閉鎖順序控制、雙極順序控制。極順序主要處理極一層的順序操作，主要包括模式轉(zhuǎn)換、兩站間的啟停協(xié)調(diào)、極連接/隔離、極啟動(dòng)/停運(yùn)、功率/電流模式控制、正常/反向功率方向、正常/降低直流電壓、連接/隔離直流濾波器、空載加壓試驗(yàn)、極隔離并接地/極不接地、閥廳鑰匙聯(lián)鎖、閥廳接地刀閘順序控制、準(zhǔn)備充電順序、充電/斷電、準(zhǔn)備運(yùn)行順序。閉鎖順序控制為處理極閉鎖時(shí)的順序操作及保護(hù)性閉鎖。雙極順序控制為處理雙極相關(guān)的順序操作，主要包括控制極邏輯、主/從協(xié)調(diào)、大地/金屬回線轉(zhuǎn)換。

4.3 功率/電流控制PPC

功率/電流控制的基本控制策略為正常工況下，整流側(cè)通過快速調(diào)節(jié)α角來保持直流電流恒定，逆變側(cè)為γ角控制。與快速控制相配合的換流變抽頭的慢速控制策略為正常工況下，整流側(cè)抽頭控制α角為 15°±2.5°，逆變側(cè)抽頭控制 Udio為 1±(1.25%)p.u.。當(dāng)逆變側(cè)控制電流時(shí)，逆變側(cè)的抽頭用于維持熄弧角γ為17°±2.5°參考值?？刂葡到y(tǒng)中具有過電壓限幅環(huán)節(jié)對(duì)過高的直流電壓進(jìn)行限幅，避免直流設(shè)備承受過應(yīng)力而損壞。功率/電流控制模式分為定功率控制和定電流控制［6］。

4.4 過負(fù)荷限制OLL

過負(fù)荷限制應(yīng)用于長(zhǎng)期過負(fù)荷、短時(shí)過負(fù)荷、晶閘管結(jié)溫限幅、功率回降。長(zhǎng)期過負(fù)荷即系統(tǒng)固有過負(fù)荷能力，與環(huán)境溫度、閥廳溫度、閥和換流變?nèi)哂嗬鋮s是否可用有關(guān)，一般小于1.1 p.u.。短期過負(fù)荷指在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度 (40℃)內(nèi)，冗余冷卻可用的情況下，一般具有3 s 1.5倍過負(fù)荷能力及2 h 1.1倍過負(fù)荷能力，不同的環(huán)境溫度下，具有不同的短時(shí)過負(fù)荷能力。閥冷卻與換流變冷卻的冗余系統(tǒng)可用/不可用的情況下，具有不同的短時(shí)過負(fù)荷能力。根據(jù)當(dāng)前過負(fù)荷電流值的不同，具有不同的過負(fù)荷運(yùn)行允許時(shí)間。根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的不同，具有不同的短時(shí)過負(fù)荷能力。晶閘管結(jié)溫限幅為實(shí)時(shí)計(jì)算晶閘管結(jié)溫，晶閘管結(jié)溫過高時(shí)，限制電流;冷卻水溫過高時(shí)，限制電流;每次將直流電流指令下降5%。在一定時(shí)間內(nèi)，溫度仍過高，直流電流指令繼續(xù)下降5%，直到晶閘管溫度下降到小于參考值或電流限幅器達(dá)到最小值。功率回降分為保護(hù)功率回降、冷卻系統(tǒng)溫度超標(biāo)功率回降、雙極功率平衡功率回降等。

4.5 調(diào)制控制MODS

調(diào)制控制功能分為功率提升、功率回降、頻率控制、阻尼次同步振蕩。

功率提升在逆變側(cè)損失發(fā)電功率或整流側(cè)甩負(fù)荷故障時(shí)起作用，提供5個(gè)功率級(jí)別的功率提升，功率提升指令由安穩(wěn)裝置提供。功率回降在整流側(cè)交流系統(tǒng)損失發(fā)電功率或逆變側(cè)交流系統(tǒng)甩負(fù)荷的情況下起作用，提供5個(gè)功率級(jí)別的功率回降，功率回降指令由安穩(wěn)裝置提供。

4.6 換流變分接頭控制TCC

換流變分接頭控制模式分為手動(dòng)與自動(dòng)控制。手動(dòng)控制是對(duì)單相換流變抽頭調(diào)節(jié)或?qū)λ袚Q流變抽頭進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。自動(dòng)控制分為空載控制、定α角控制、定Udio控制、定γ角控制、Udio限幅、抽頭自動(dòng)同步。

4.7 觸發(fā)器控制CFC

觸發(fā)器控制的作用是對(duì)兩側(cè)12脈動(dòng)閥組進(jìn)行控制，兩側(cè)閥組均可作為整流側(cè)和逆變側(cè)運(yùn)行，具有低壓限流環(huán)節(jié) (VDCL)，并有閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、修正的γ控制器3個(gè)基本控制器。閉環(huán)電流控制的作用是控制輸入變量，輸入變量是將測(cè)量到的實(shí)際直流電流和VDCL環(huán)節(jié)后的電流指令相減的差值?？刂破黝愋蜑楸壤e分 (PI)控制器，整流和逆變側(cè)均配置，逆變側(cè)電流指令=整流側(cè)電流指令－電流裕度。電壓控制器在整流側(cè)和逆變側(cè)均配置，整流側(cè)用于過電壓的限制，逆變側(cè)用于定電壓控制，個(gè)別工程逆變側(cè)也用作過電壓限制，整流側(cè)電壓參考值略高于逆變側(cè)電壓參考值。γ控制器在正常工況下，逆變側(cè)為定γ角控制，采用預(yù)測(cè)性開環(huán)控制原理，并用AMAX控制，使外特性在暫態(tài)情況下具有正斜率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4.8 空載加壓試驗(yàn) (OLT)

空載加壓試驗(yàn)是為測(cè)試直流極在停運(yùn)后較長(zhǎng)時(shí)間或檢修后的絕緣水平。試驗(yàn)條件是在整流側(cè)進(jìn)行，且當(dāng)前直流電壓低于0.1 p.u．，本站或?qū)φ镜闹绷骶€路隔離刀閘打開，另一側(cè)未投入空載加壓試驗(yàn)。

模式分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制。手動(dòng)控制的步驟是手動(dòng)解鎖、設(shè)定電壓參考值＜1.05 p.u.、電壓上升、設(shè)定電壓參考值到0、電壓下降、手動(dòng)閉鎖。自動(dòng)控制的步驟是自動(dòng)解鎖、電壓上升到1.05 p.u.保持一段時(shí)間、電壓自動(dòng)下降到最小值、閉鎖［7］。

5 結(jié)束語

高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離大功率輸電、系統(tǒng)非同步互聯(lián)、跨海輸電等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)是我國(guó)今后幾十年電力工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，其經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。如何保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，充分利用直流控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和調(diào)制功能，提高整個(gè)西電東送系統(tǒng)的穩(wěn)定性和極限輸送能力是需要深入研究的課題。

［1］ 趙畹君．高壓直流輸電工程技術(shù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．

［2］ 李興源．高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制［M］．北京:科學(xué)出版社，1998．

［3］ 韓民曉．高壓直流輸電原理與運(yùn)行［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［4］ 韓民曉，文 俊，徐永海．電網(wǎng)換相直流輸電的運(yùn)行特性與系統(tǒng)控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［5］ 劉澤洪．直流控制保護(hù)系統(tǒng) ［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2009．

［6］ 吳 磊，王銀樂，胡新欣．高壓直流輸電系統(tǒng)自適應(yīng)粒度控制［J］．東北電力技術(shù)，2005，26(12):1－3．

［7］ 嚴(yán)干貴，韓來文，孫效偉．呼遼高壓直流輸電系統(tǒng)全電壓?jiǎn)?dòng)過電壓的研究［J］．東北電力技術(shù)，2007，28(1):9－12．