浅谈关于高压直流电源控制系统的研究

　　[论文关键词]  高压输电　直流输电　控制系统

　　[论文摘要]  高压直流输电(HVDC)作为一种新兴的输电技术，目前已经得到了广泛的重视和应用。随着“西电东送”和“全国联网”战略规划的实施，我国将出现越来越多的直流输电工程。主要介绍高压直流输电的特点，并且着重针对高压直流电源控制系统的运行特点进行研究。 

　　一、引言 

　　利用高压直流系统固有的快速、大范围可控制的输送电能的特点，可以借助交直流系统联合调节的手段来提高与直流系统相连接的交流系统的运行稳定性。为了实现这一目的，必须在直流输电系统主控制器上附加特殊的稳定控制器。文章基于此在介绍了高压直流输电的特点的基础上对高压直流电源控制系统的运行特点进行了研究。 

　　二、高压直流输电的特点 

　　1、功率传输特性。随着输送容量不断增长，稳定问题越来越成为交流输电的制约因素。为了满足稳定的要求，常需要采用串补、静补、调相机、开关站等措施，有时甚至不得不提高输电电压。但是这将增加很多电器设备，代价昂贵。直流输电没有相位和功角的问题，当然也就不存在稳定问题，只要电压降、网损等技术指标符合要求，就可以达到传输的目的，无须考虑稳定的问题，这是直流输电的重要特点，也是它的一大优势。 

　　2、对线路故障的自防护能力好。交流线路单相接地后，其消除过程一般约0.4-0.8s，加上重合闸时间，约0.6—1s恢复。直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，电压降到零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭不存在电流无法过零的困难，直流线路单极故障的恢复时间一般在0.2-0.35s内。若线路上发生的故障重合(对直流输电系统为再启动)过程中重燃，交流线路就三相跳闸了。直流输电系统则可以用延长留待去游离时间及降压方式来进行第二、第三次再启动，创造线路消除故障、恢复正常运行的条件。对于单片绝缘子损坏，交流系统必然三相切除，直流系统则可降压运行，而且大多能取得成功。 

　　3、潮流和功率控制可实现自动化。交流输电的潮流取决于网络参数、发电机与负荷的运行方式，控制难度较大，需由值班人员调度。直流输电系统的功率传输可全部自动控制。 

　　4、对短路容量无影响。两个电网以交流互联时，将增加两侧系统的短路容量，有时会造成部分原有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换。如果两电网以直流系统互联(背靠背方式)，无论哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大的，因此不会影响交流系统的断路容量。 

　　5、调度管理简便。由于通过直流系统互联的两端交流系统可以有不同的频率，输送功率也可保持恒定(恒功率、恒电流等)。对于送端而言，整流站相当于交流系统的一个负荷。对于受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源。两个电网相互之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，对我国当前发展的跨大区互联、合同售电、合资办电等形成的联合电力系统非常适用。

　　三、高压直流输电控制系统的特点 

　　高压直流输电系统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应用。它的有效运用决定于适当利用它的可控性以保证电力系统的所需性能。以提供高效而稳定的运行、最大限度地提高功率控制的灵活性而不危及设备的安全为目标。以下将主要论述高压直流输电控制系统的特点。 

　　(一)控制系统基本结构。直流输电控制系统通常被分为三个层次：

第一层为主控制级，也称为双层控制级。通常包含3个模块，分别是接受调度中心发来的输送功率指令的模块、功率调制和快速功率变化控制的模块和计算直流电流指令值的模块，即期望的直流电流值，电流控制的期望值从这个模块被传送到第二层次的控制系统，即极控级。

第二层为极控制级。直流输电极控制级中各控制器的目标是使直流输电系统按照某种特定的特性曲线来运行。极控制级的主要控制功能是经过控制运算以后发送一个触发角指令给第三层次阀组控制级的各个阀组控制单元。

第三层为阀组控制级。阀组控制级主要有两个功能：取触发脉冲的同步信号和产生满足要求的触发脉冲系列以触发晶闸管阀。触发脉冲的同步信号应严格与换流站交流母线电压频率保持确定的倍数关系，以满足当系统发生严重故障，换流站交流母线电压大幅度跌落时仍能正常工作的要求。直流输电的阀组控制主要涉及系统硬件电路的设计。 

　　(二)高压直流输电控制方式。直流小方式调制控制；小方式调制的目的主要是阻尼一种或多种模态的振荡，控制信号一般加于直流基本控制的电流指令环节。由于调制功率幅值不大的缘故，小方式调制无需两端换流站之间的通信。直流大方式调制控制：大方式调制控制旨在扩展系统暂态稳定极限，从而保障系统在大扰动下的安全。

控制作用点通常取为直流基本控制的功率直流环节。相对于小方式调制控制，大方式调制对直流功率改变幅度较大，作用时需要与对端换流站通信。有的大方式调制控制信号取为两端交流系统的频率偏差，这样的控制器也可被称为频率调制控制器，因为由它的控制作用可以提高两侧交流系统的频率稳定性。Y角调制：对于直流联系的弱交流系统，直流功率调制的功效将大大削弱。假设整流侧调制作用使得直流电流上升，由于直流电压是由逆变侧电压控制环节以及换流站交流母线电压决定的，随着电流的上升逆变侧无功功率的需求量将增加。该问题的一种解决方法是在逆变侧引入Y角调制从而保障整流侧功率调制的有效性。 

　　(三)钢铁企业直流输电系统的发展。在钢铁企业中积极有序地推进节电技术与管理对提高企业的节能水平尤为重要。在供配电环节，变压器等电能基础设施配置、更新及高效运行：传统的节电方法和渠道已经在钢铁企业广泛采用，并取得一定成效。在此基础上钢铁企业如何采取新的举措，开辟新的节电渠道，挖掘节电潜力。成了企业当务之急。伴随着全球性的通胀，电价上涨将是一个长期趋势，生产用电成本的上升只能靠企业加强用电管理，提高节电水平来逐步消化。其中，在技术层面的节电技术发展较快，已经或者正在钢铁企业中得到大力的推广和应用。 

　　四、结论 

　　HVDC系统的基本控制在整流侧基本采用恒定电流控制和α限制控制相结合的方式；逆变侧多采用恒定熄弧角控制或恒定电压控制，以保证系统获得正常的直流电压，也配合有特殊情况下的恒定电流控制。直流基本控制的环节众多、控制过程相对较复杂。在这种基本控制的作用下的直流系统并不能直接提高整个交直流混合系统的稳定性，因此常常需要附加控制来拓展直流联络线的控制能力，以提高交流系统的动态性能。