直流输电控制系统的组成及功能

王 昊

(辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

直流输电是电力系统近年来迅速发展的一项新技术，直流输电克服了电感损耗，只有导线电阻损耗，主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆、大城市地下电缆送电、配电网络轻型直流输电等方面。直流输电与交流输电相互配合，构成现代电力传输系统。随着电力系统技术经济需求的不断增长和提高，直流输电受到广泛的注意并得到不断的发展。

随着直流输电技术的日趋成熟，电网对直流输电系统安全稳定运行的要求逐渐提高，而直流输电的核心就是直流输电控制系统，直流输电控制系统性能的好坏直接决定直流输电系统能否安全稳定运行［1］。

1 直流输电控制系统

1.1 直流极控制系统

直流极控制系统是换流站控制系统的核心，主要功能是通过对整流侧和逆变侧触发角的调节实现系统要求的输送功率或输送电流。主要设备为极控主机PCP和分布式I/O。

1.2 直流输电控制系统［2］

直流输电和交流输电技术的不同在于输电过程对控制保护系统的依赖性。直流输电是建立在阀导通和截止控制上的一种电能传输方式，直流输电控制系统运行从不间断，这与交流系统二次部分只在运行状态改变或故障时起作用是不同的。高压控制保护系统是直流输电系统的核心，直接决定直流输电系统的性能。

直流输电控制系统完成以下基本控制功能。

a． 直流输电系统的启停控制。

b． 直流输电功率的大小和方向控制。

c． 抑制换流器不正常运行及对所联交流系统的干扰。

d． 发生故障时，保护换流站设备。

e． 对换流站、直流线路的各种运行参数，如电压、电流及控制系统本身的信息进行监视。

f． 全换流站所有设备的监控功能。

2 直流输电控制系统组成

直流输电控制系统由远方控制中心 (如国调、网省调)的接口子系统、运行人员控制系统、交直流站控系统、直流极控制系统组成。

2.1 控制位置要求

控制位置要求有远方调度中心、集控中心、换流站主控室、控制系统就地、设备就地。

2.2 控制位置层次关系

分层结构位置越低其控制优先级越高。

2.3 控制位置切换

一般由运行人员在主控室进行，远方调度中心也可进行控制位置切换，但一般不使用。

3 交直流站控系统

交直流站控系统负责执行交直流设备的投切、启停、运行方式转换、状态监视、测量等功能。主要包括站控系统主机、分布式现场总线和分布式I/O等设备。主要设备有交流开关场监控ACC、交流滤波器场监控AFC、站用电监控SPC、辅助系统监控ASC、直流开关场监控DFT(极区域)、BFT(双极区域)、换流变监控 TFT、水冷系统监控VCT。

站控系统主要功能:完成整个换流站范围内的数据采集及信息处理，上送运行人员控制系统;全站范围内的开关、刀闸和地刀的操作控制;顺序控制;联锁;同期;站控系统内部及辅助系统事件生成和上传至运行人员控制系统;在线谐波监视;对辅助系统的监控 (包括站用电系统的控制、监视及对其它辅助系统的监视功能)等。站控系统从I/O接口至系统主机整个环节均采用完全双重化设计，双重化设计确保不会因为任一系统单重故障而发生停运，也不会因为单重故障而失去对换流站的监视。站控系统具有完整的自身内部监视和自诊断能力，以便在故障时容易定位问题所在。站控系统具有足够高的可靠性、可用率和可维护性。交流站控独立配置，直流站控根据不同厂家的设计，可单独配置，也可集成到直流极控中［3］。

4 直流极控系统功能

极控系统包含以下控制功能模块:极功率控制/电流控制PPC、过负荷限制OLL、直流功率调制MODS、换流器触发控制CFC、控制脉冲发生单元CPG、无功功率控制RPC、开关顺序控制SSQ、模式顺序控制MSQ、准备顺序控制RSQ、电压角度参考值计算VARC、换流变压器分接头控制TCC、线路开路试验控制OLT、站间通信TCOM［4］。

4.1 无功控制RPC

无功控制的控制目标是满足换流器消耗无功需要，使直流系统与交流系统交换的无功为设定值，满足谐波滤波需要，使直流系统注入交流的谐波达到允许范围，控制交流电压在设定值［5］。无功控制模式分为无功控制投入、手动无功控制模式、自动无功控制模式、无功控制退出。最高、最低电压限制:监视交流母线稳态电压，避免稳态过电压引起保护动作。最大无功交换限制:根据当前运行状况，限制投入滤波器组数量，限制稳态过电压。最小滤波器容量要求:为满足滤除谐波的需要需投入的最小滤波器组。无功交换控制、电压控制:控制换流站与交流系统交换的无功量为设定参考值，控制换流站交流母线电压为设定参考值。

4.2 顺序控制与联锁 (SSQ、MSQ、RSQ)

顺序控制与联锁的控制目标是为实现直流系统平稳启动和停运，实现直流系统各运行状态之间的平稳转换，实现安全可靠操作断路器、隔离开关和接地刀闸，实现安全可靠的控制模式或运行方式转换。顺序控制主要内容有极顺序控制、闭锁顺序控制、双极顺序控制。极顺序主要处理极一层的顺序操作，主要包括模式转换、两站间的启停协调、极连接/隔离、极启动/停运、功率/电流模式控制、正常/反向功率方向、正常/降低直流电压、连接/隔离直流滤波器、空载加压试验、极隔离并接地/极不接地、阀厅钥匙联锁、阀厅接地刀闸顺序控制、准备充电顺序、充电/断电、准备运行顺序。闭锁顺序控制为处理极闭锁时的顺序操作及保护性闭锁。双极顺序控制为处理双极相关的顺序操作，主要包括控制极逻辑、主/从协调、大地/金属回线转换。

4.3 功率/电流控制PPC

功率/电流控制的基本控制策略为正常工况下，整流侧通过快速调节α角来保持直流电流恒定，逆变侧为γ角控制。与快速控制相配合的换流变抽头的慢速控制策略为正常工况下，整流侧抽头控制α角为 15°±2.5°，逆变侧抽头控制 Udio为 1±(1.25%)p.u.。当逆变侧控制电流时，逆变侧的抽头用于维持熄弧角γ为17°±2.5°参考值。控制系统中具有过电压限幅环节对过高的直流电压进行限幅，避免直流设备承受过应力而损坏。功率/电流控制模式分为定功率控制和定电流控制［6］。

4.4 过负荷限制OLL

过负荷限制应用于长期过负荷、短时过负荷、晶闸管结温限幅、功率回降。长期过负荷即系统固有过负荷能力，与环境温度、阀厅温度、阀和换流变冗余冷却是否可用有关，一般小于1.1 p.u.。短期过负荷指在设计环境温度 (40℃)内，冗余冷却可用的情况下，一般具有3 s 1.5倍过负荷能力及2 h 1.1倍过负荷能力，不同的环境温度下，具有不同的短时过负荷能力。阀冷却与换流变冷却的冗余系统可用/不可用的情况下，具有不同的短时过负荷能力。根据当前过负荷电流值的不同，具有不同的过负荷运行允许时间。根据当前已经过负荷运行时间的不同，具有不同的短时过负荷能力。晶闸管结温限幅为实时计算晶闸管结温，晶闸管结温过高时，限制电流;冷却水温过高时，限制电流;每次将直流电流指令下降5%。在一定时间内，温度仍过高，直流电流指令继续下降5%，直到晶闸管温度下降到小于参考值或电流限幅器达到最小值。功率回降分为保护功率回降、冷却系统温度超标功率回降、双极功率平衡功率回降等。

4.5 调制控制MODS

调制控制功能分为功率提升、功率回降、频率控制、阻尼次同步振荡。

功率提升在逆变侧损失发电功率或整流侧甩负荷故障时起作用，提供5个功率级别的功率提升，功率提升指令由安稳装置提供。功率回降在整流侧交流系统损失发电功率或逆变侧交流系统甩负荷的情况下起作用，提供5个功率级别的功率回降，功率回降指令由安稳装置提供。

4.6 换流变分接头控制TCC

换流变分接头控制模式分为手动与自动控制。手动控制是对单相换流变抽头调节或对所有换流变抽头进行同步调节。自动控制分为空载控制、定α角控制、定Udio控制、定γ角控制、Udio限幅、抽头自动同步。

4.7 触发器控制CFC

触发器控制的作用是对两侧12脉动阀组进行控制，两侧阀组均可作为整流侧和逆变侧运行，具有低压限流环节 (VDCL)，并有闭环电流调节器、电压调节器、修正的γ控制器3个基本控制器。闭环电流控制的作用是控制输入变量，输入变量是将测量到的实际直流电流和VDCL环节后的电流指令相减的差值。控制器类型为比例积分 (PI)控制器，整流和逆变侧均配置，逆变侧电流指令=整流侧电流指令－电流裕度。电压控制器在整流侧和逆变侧均配置，整流侧用于过电压的限制，逆变侧用于定电压控制，个别工程逆变侧也用作过电压限制，整流侧电压参考值略高于逆变侧电压参考值。γ控制器在正常工况下，逆变侧为定γ角控制，采用预测性开环控制原理，并用AMAX控制，使外特性在暂态情况下具有正斜率，有利于系统的稳定。

4.8 空载加压试验 (OLT)

空载加压试验是为测试直流极在停运后较长时间或检修后的绝缘水平。试验条件是在整流侧进行，且当前直流电压低于0.1 p.u．，本站或对站的直流线路隔离刀闸打开，另一侧未投入空载加压试验。

模式分为手动控制与自动控制。手动控制的步骤是手动解锁、设定电压参考值＜1.05 p.u.、电压上升、设定电压参考值到0、电压下降、手动闭锁。自动控制的步骤是自动解锁、电压上升到1.05 p.u.保持一段时间、电压自动下降到最小值、闭锁［7］。

5 结束语

高压直流输电在远距离大功率输电、系统非同步互联、跨海输电等方面具有无可比拟的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。西电东送、全国联网是我国今后几十年电力工业发展的主要趋势，其经济效益非常明显。如何保证系统的安全可靠运行，充分利用直流控制系统的快速响应能力和调制功能，提高整个西电东送系统的稳定性和极限输送能力是需要深入研究的课题。

［1］ 赵畹君．高压直流输电工程技术［M］．北京:中国电力出版社，2004．

［2］ 李兴源．高压直流输电系统的运行和控制［M］．北京:科学出版社，1998．

［3］ 韩民晓．高压直流输电原理与运行［M］．北京:机械工业出版社，2009．

［4］ 韩民晓，文 俊，徐永海．电网换相直流输电的运行特性与系统控制［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［5］ 刘泽洪．直流控制保护系统 ［M］．北京:中国电力出版社，2009．

［6］ 吴 磊，王银乐，胡新欣．高压直流输电系统自适应粒度控制［J］．东北电力技术，2005，26(12):1－3．

［7］ 严干贵，韩来文，孙效伟．呼辽高压直流输电系统全电压启动过电压的研究［J］．东北电力技术，2007，28(1):9－12．