高压直流输电系统智能控制器的设计
2013-04-25范智平肖金良
范智平， 肖金良
我国经济的快速持续发展，与此同时电力需求量也迅速增长，因此电力系统的发电、输电规模也不断扩大。但是，我国很多地方电网发电和当地所需电力不相适应，特别是我国大部分电力装机都在西部水电基地和北部火电基地，这就要实现电力西电东送、南北互供、全国联网[1]。由于交流输电在远距离输电方面受到同步运行稳定性、短路容量等方面的限制，使得高压直流输电技术在电力输送中越来越重要。
随着科学技术的不断发展，电力电子技术也得到了高速发展，这使高压直流输电变得可行，且能充分的发挥其各方面的优点。高压直流输电(HVDC)是指将发电厂交流发电机组所发出的三相交流电整流成直流电，然后通过直流输电线路逆变成三相交流电的输电方式。高压直流输电在远距离输电、大容量输电、对通信干扰等方面具有优越性，因此被广泛应用于电力系统联网和海底电缆输电等领域[2]。
1 高压直流输电系统的基本原理
电力系统中的发电和用电绝大部分均为交流电，需要进行整流和逆变将电能输送到受端交流系统中，高压直流输电系统主要包括：换流站(整流站和逆变站)、双侧滤波器、换流变压器、无功补偿装置以及控制装置等构成[3]。其中换流站主要完成了交流和直流之间的变换，它是高压直流输电系统的核心。图1所示为高压直流输电系统的结构图。
图1 高压直流输电系统的结构图
高压直流输电系统智能控制器要求具备良好的稳定性、较高的准确性、较快的响应速度。基于稳准快的要求，设计高压直流输电系统智能控制器原理如图2所示。
图2 高压直流输电系统智能控制器原理图
高压直流输电系统智能控制器的核心部分是控制器，由于直流输电系统的结构和参数不能完全掌握，本设计采用PI控制器。PI控制器主要是根据系统的变量误差，利用比例和积分计算出控制量进行控制。比例控制器的输出误差信号与输入误差信号成比例关系，若系统出现了偏差，比例调节用以减小偏差，积分控制控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，若系统进入稳态后存在稳态误差，积分则可以消除稳态误差[4]。
2 系统仿真
通过调试，选取合适的参数，运行出预期的波形图，将直流电整流成为理想的直流电，以便高压直流输电的传输。高压直流输电系统中，三相交流变压器将二次侧的绕组一个采用Y形联结和另一个采用△形联结，使两组电压构成30°相位差，整流器采用2个6脉波整流器串联12脉动整流器结构，触发角 置为0，换流器所需的无功功率由一组交流滤波器提供，选择的无功功率补偿为240MVA。
对300km直流输电线路和平波电抗器的输入输出电压和电流的波形进行比较。(其中 是300km直流输电线路的输入电压， 是300km直流输电线路的输出电压， 是300km直流输电线路的输入电流， 是300km直流输电线路的输出电流。 是平波电抗器上的电压， 是平波电抗器上的电流。)
2.1 无故障仿真结果
在未加故障之前，通过0.1s的仿真，观察在两种不同控制状态下的快速性及超调量的情况。
对不使用任何控制器的高压直流输电系统进行仿真，其仿真波形图如图3、图4所示。
图3 不使用任何控制器输电线路的电压、电流波形图
图4 不使用任何控制器平波电抗器的电压、电流波形图
对使用PI控制器的高压直流输电系统进行仿真，其仿真波形图如图5、图6所示。
图5 使用PI控制器输电线路的电压、电流波形图
图6 使用PI控制器平波电抗器的电压、电流波形图
2.2 对地故障仿真结果
在高压直流输电系统控制器交流和直流对地故障仿真时，设直流对地故障时间为[0.05s 0.06s]，交流对地故障时间为[0.15s 0.16s]，整个仿真的时间为0.3s。
对不使用任何控制器的高压直流输电系统对地故障进行仿真，其仿真波形如图7、图8所示。
图8 不使用任何控制器对地故障平波电抗器的电压、电流波形图
对使用PI控制器的高压直流输电系统对地故障进行仿真，其仿真波形图如图9、图10所示。
图9 使用PI控制器对地故障输电线路的电压、电流波形图
图10 使用PI控制器平波电抗器的电压、电流波形图
3 结论
通过仿真图形观察比较可以得出：由于PI控制器结构简单、容易实现、控制效果好、稳定性较好，使得高压直流输电系统在无故障正常运行时，无论从快速性方面还是超调量方面都比不使用任何控制器好，同时高压直流输电系统在对地故障时，使用PI控制器能够很快的恢复正常运行。
[参 考 文 献]
[1] 刘文杰．高压直流输电及其应用前景[J]．内蒙古科技与经济，2008(5)：67-68．
[2] 赵婉君．高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2004．
[3] 孙 瑜.与中国电力事业共成长——记ABB签约中国“三-上”高压直流输电工程电力设备[J] ．电力设备，2004(8).
[4] 舒迪前.自适应控制[M].沈阳：东北大学出版社，1993.
