[科普中国]-高压直流输电控制系统

高压直流输电控制系统通过调节主要控制量实现系统预期的输送功率或直流电压。高压直流输电控制系统是保持高压直流输电系统稳定运行的重要手段，换流器触发控制和换流变压器分接头控制是高压直流输电控制系统的核心部分，其通过控制高压直流输电系统中关键换流设备，保证高压直流输电系统的正常运行以及故障后的迅速恢复。1

具体内容高压直流输电系统通过换流设备实现交直流系统联网，高压直流输电控制系统通过控制换流设备以协调高压直流输电系统的整流和逆变过程，保证高压直流输电系统的稳定运行，因此高压直流输电控制系统是高压直流输电系统的核心部分。

当直流输电系统受到外界扰动或发生瞬时故障时，高压直流输电控制系统通过转换控制方式减小或避免扰动或故障引起的过电压、过电流等，减少对系统的危害，同时控制系统能够保证扰动消失或故障清除后快速恢复系统至稳定运行。当系统电压或电流发生长时间的缓慢变化时，直流输电控制系统通过检测实测值与预期值之间的差值实施调节，保证系统在额定运行范围内工作。高压直流输电控制系统不仅能对直流输电系统本身进行相关调节提高直流输电系统运行性能，保证直流输电系统的可靠运行，提高高压直流输电系统运行安全性，还可以对与其相联的交流系统实施附加控制进行外部调节，有效增强交流系统的运行性能，改善交直流联网系统的运行性能。1

基本原理高压直流输电控制系统分层结构高压直流输电控制系统根据功能、优先级等原则将所有控制环节划分为不同的等级层次。采用分层结构利于对复杂的高压直流输电控制系统进行分析、提升运行系统维护和操作的灵活性并降低了单个控制环节发生故障对系统其它环节的影响， 增强系统运行的稳定性和安全性。

高压直流输电控制系统分层结构如图3-2所示，分为系统控制、双极控制、极控制、换流器控制、单独控制以及换流阀控制几部分。高压直流输电系统控制作用 于换流站，换流站通过双极控制环节控制正负两个换流极，每个换流极通过极控制实现正常运行。极控制包括换流器控制及单独控制，换流器控制环节控制换流阀的 运行状态实现交直流转换，换流阀控制与单独控制作用于被控对象，如晶闸管、换 流变压器等设备。各层的控制作用采用单向传递方式，高层次等级控制低层次等级。

系统控制级是高压直流输电控制系统的最高层次等级，其主要功能为通过通信系统上传直流输电系统运行参数并接收电力系统调度中心运行指令，根据额定功率指令对各直流回路的功率进行调整和分配以保持系统运行在额定功率范围内，实现潮流反转控制以及功率调制、电流调制、频率控制、阻尼控制等控制方式，当出现故障或特殊情况时还可以进行紧急功率支援控制。
双极控制级的主要功能是同时控制并协调高压直流输电系统的正负极运行，根 据系统控制级输出的功率指令，计算分配正负极的功率定值并在运行过程中控制功率的传输方向，平衡正负极电流并控制交直流系统的无功功率、交流系统母线电压等。

极控制级根据双极控制系统输出的功率指令，计算输出电流值，并将该电流值作为控制指令输出至换流器控制级进行电流控制，控制正极或负极的启动、停运以及故障处理。极控制级还可以实现不同换流站同极之间的电流指令值、交直流系统运行状态、各种参数测量值等信息的通信等。

换流器控制级的主要功能是控制换流器的触发以保持系统正常运行，并根据实际运行要求实现定电流控制、定电压控制等控制方式。换流器是高压直流输电系统实现交直流转换的重要设备，换流器触发控制通过调整换流器触发角控制高压直流输电交直流转换过程并保证高压直流输电系统输出预期的功率或直流电压，对高压直流输电系统的安全稳定运行具有重要作用。因此换流器触发控制是换流器控制级的核心部分，是高压直流输电控制系统的重要研究内容。

单独控制级的主要功能是控制换流变压器分接头档位切换以调节换流变压器输 出电压，并监测和控制换流单元冷却系统、辅助系统、交直流开关场断路器、滤波器组等设备的投切状态。单独控制级的核心部分是换流变压器分接头控制，换流变压器分接头控制通过调整换流变压器的换流阀侧(简称阀侧)电压保持高压直流输电系统换流器触发角或直流电压的稳定，提高高压直流输电系统的运行效率。由于换流变压器在高压直流输电系统中起到隔离交直流系统的作用，并对高压直流输电系统的稳定运行具有重要作用。因此，换流变压器分接头控制是高压直流输电控制系统的重要研究内容。

换流阀控制级将换流器控制级输出的触发角信号转换为触发脉冲来控制换流器中晶闸管的导通关断，并监测晶闸管等元件的运行状态，生成显示、控制、报警等信号。

根据上述高压直流输电控制系统分层结构的分析可知，换流器触发控制与换流变压器分接头控制是高压直流输电控制系统的核心组成，对高压直流输电系统的稳定运行具有关键性作用。

高压直流输电控制原理为便于分析高压直流输电系统的控制原理，根据直流输电原理做出高压直流输电系统等效电路，如图3-3所示，等效电路包括整流器、直流输电线路和逆变器三部分，整流器将交流电流转换为直流电流Id，Id通过直流输电线路送至逆变器转换为交流电。为便于后续研究，以N点为界将高压直流输电等效电路分为两部分，N点左侧为整流侧，N点右侧包括输电线路和逆变器(简称逆变侧)。

高压直流输电控制系统主要通过调节换流器触发角以及整流侧和逆变侧交流系统电势来控制高压直流输电系统的直流电压及电流。

高压直流输电控制方式基于高压直流输电控制系统分层结构及控制原理分析可知，换流器触发控制与 换流变压器分接头控制是高压直流输电系统的主要控制方式，换流器触发控制通过调节换流器触发角控制换流器的运行状态，换流变压器分接头控制通过调节换变压器分接头位置控制整流侧与逆变侧交流系统电势，保证高压直流输电系统的稳定运行。

换流器触发控制换流器触发角是高压直流输电控制系统的重要控制量。控制系统通过分别调节整流侧和逆变侧换流器触发角玟和口实现对直流电压及直流电流的控制作用。换流器触发控制方式响应速度很快，调节时间一般为1～4ms，并且调节范围较大，是高压直流输电系统的主要控制方式。当高压直流输电系统因扰动或故障引起电压电流快速变化时，换流器触发控制发挥快速调节作用使系统恢复正常，当出现特殊情况时换流器触发控制可以提前将触发角置于预定值以保证系统运行的安全可靠。

换流变压器控制换流变压器分接头控制方式响应速度比较缓慢，通常分接头位置调节一次时间为3～10s，并且由于变压器的分接头位置以及变压器设备本身的容量等限制使得换流变压器分接头控制的调节范围较小，是直流输电系统的辅助控制方式。当系统发生快速的暂态变化时由换流器触发控制作用，换流变压器分接头调节不参与调节过程；当系统电压发生较长时间的缓慢变化或由于换流器触发控制调节导致触发角长时间超出额定范围时，换流变压器分接头控制发挥调节作用使系统逐渐恢复正常运行状态。 换流器触发控制与换流变压器分接头控制相互配合，保证高压直流输电系统稳定运行及发生故障时控制系统的快速调节作用，改善并提高高压直流输电系统的运行性能及效率。

基本组成换流器触发控制基本组成换流器触发控制主要由触发角控制、电流控制、电压控制及裕度控制组成。触发角控制包括整流侧最小触发角控制和逆变侧最大触发角控制，电流控制包括电流限制控制和定电流控制，电压控制也称为定电压控制。

高压直流输电系统换流器触发控制的控制特性如图3-4所示，整流侧由定电流控制和最小触发角控制构成，逆变侧由定电流控制和定电压控制构成。高压直流输电系统正常运行时采用整流侧定电流、逆变侧定电压的控制方式。当整流侧和逆变侧的交流系统发生故障引起直流电压变化时，控制系统通过转换整流侧和逆变侧控制方式，保持直流电压和直流电流稳定，实现对高压直流输电系统的快速控制。

换流变压器分接头控制基本组成换流变压器分接头控制通过调整高压侧分接头位置来改变交流侧电势，换流变压器分接头调节原理如图3-5所示。换流变压器分接头控制主要用于保持换流器触发角或直流电压处于参考值附近，提高高压直流输电系统运行效率并保护换流设备。换流变压器分接头控制分为定角度控制和定电压控制。1

前景展望高压直流输电(HVDC)技术在大功率长距离输电、海底电缆送电、大电网互联等方面具有广阔的应用前景。

一个现代化的高压直流输电二次系统，包括以下几部分设备：
1)壹流控制保护系统；
2)运行人员控制和换流站监视系统；

3)顺序控制、联锁及同期系统；

4)远动与通信系统；

5)直流线路故障录波系统；

6)能量计费系统；

7)交流保护系统。

在上述设备，最关键的部分是直流控制保护系统，对整个工程的性能具有关键影响。直流输电和交流输电技术的差异之一在于输电过程对控制系统的依赖性。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，一个稳定、可靠和性能良好的控制系统是直流输电中不可缺少的部分。直流输电的控制系统运行从不阐断，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。高压直流输电系统往往和交流输电系统相互连接。从而形成交、直流系统之间的相互作用，尤其是与弱交流系统连接时，会带来电压不稳定性、暂态不稳定性、动态过电压和谐波不稳定等一系列问题。随着高压直流输电系统的发展，还可能形成多端和多馈入直流系统。这些将有效的增强电网的稳定性、提高电网的可控性、优化电网的结构、保证供电质量，但也会给高压直流输电系统的分析和研究带来一系列有别于纯粹的交流系统的问题和困难。高压直流输电的研究大有可为。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所