直流輸電控制系統的組成及功能

王 昊

(遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

直流輸電是電力系統近年來迅速發展的一項新技術，直流輸電克服了電感損耗，只有導線電阻損耗，主要應用于遠距離大容量輸電、電力系統聯網、遠距離海底電纜、大城市地下電纜送電、配電網絡輕型直流輸電等方面。直流輸電與交流輸電相互配合，構成現代電力傳輸系統。隨著電力系統技術經濟需求的不斷增長和提高，直流輸電受到廣泛的注意并得到不斷的發展。

隨著直流輸電技術的日趨成熟，電網對直流輸電系統安全穩定運行的要求逐漸提高，而直流輸電的核心就是直流輸電控制系統，直流輸電控制系統性能的好壞直接決定直流輸電系統能否安全穩定運行［1］。

1 直流輸電控制系統

1.1 直流極控制系統

直流極控制系統是換流站控制系統的核心，主要功能是通過對整流側和逆變側觸發角的調節實現系統要求的輸送功率或輸送電流。主要設備為極控主機PCP和分布式I/O。

1.2 直流輸電控制系統［2］

直流輸電和交流輸電技術的不同在于輸電過程對控制保護系統的依賴性。直流輸電是建立在閥導通和截止控制上的一種電能傳輸方式，直流輸電控制系統運行從不間斷，這與交流系統二次部分只在運行狀態改變或故障時起作用是不同的。高壓控制保護系統是直流輸電系統的核心，直接決定直流輸電系統的性能。

直流輸電控制系統完成以下基本控制功能。

a． 直流輸電系統的啟停控制。

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行及對所聯交流系統的干擾。

d． 發生故障時，保護換流站設備。

e． 對換流站、直流線路的各種運行參數，如電壓、電流及控制系統本身的信息進行監視。

f． 全換流站所有設備的監控功能。

2 直流輸電控制系統組成

直流輸電控制系統由遠方控制中心 (如國調、網省調)的接口子系統、運行人員控制系統、交直流站控系統、直流極控制系統組成。

2.1 控制位置要求

控制位置要求有遠方調度中心、集控中心、換流站主控室、控制系統就地、設備就地。

2.2 控制位置層次關系

分層結構位置越低其控制優先級越高。

2.3 控制位置切換

一般由運行人員在主控室進行，遠方調度中心也可進行控制位置切換，但一般不使用。

3 交直流站控系統

交直流站控系統負責執行交直流設備的投切、啟停、運行方式轉換、狀態監視、測量等功能。主要包括站控系統主機、分布式現場總線和分布式I/O等設備。主要設備有交流開關場監控ACC、交流濾波器場監控AFC、站用電監控SPC、輔助系統監控ASC、直流開關場監控DFT(極區域)、BFT(雙極區域)、換流變監控 TFT、水冷系統監控VCT。

站控系統主要功能:完成整個換流站范圍內的數據采集及信息處理，上送運行人員控制系統;全站范圍內的開關、刀閘和地刀的操作控制;順序控制;聯鎖;同期;站控系統內部及輔助系統事件生成和上傳至運行人員控制系統;在線諧波監視;對輔助系統的監控 (包括站用電系統的控制、監視及對其它輔助系統的監視功能)等。站控系統從I/O接口至系統主機整個環節均采用完全雙重化設計，雙重化設計確保不會因為任一系統單重故障而發生停運，也不會因為單重故障而失去對換流站的監視。站控系統具有完整的自身內部監視和自診斷能力，以便在故障時容易定位問題所在。站控系統具有足夠高的可靠性、可用率和可維護性。交流站控獨立配置，直流站控根據不同廠家的設計，可單獨配置，也可集成到直流極控中［3］。

4 直流極控系統功能

極控系統包含以下控制功能模塊:極功率控制/電流控制PPC、過負荷限制OLL、直流功率調制MODS、換流器觸發控制CFC、控制脈沖發生單元CPG、無功功率控制RPC、開關順序控制SSQ、模式順序控制MSQ、準備順序控制RSQ、電壓角度參考值計算VARC、換流變壓器分接頭控制TCC、線路開路試驗控制OLT、站間通信TCOM［4］。

4.1 無功控制RPC

無功控制的控制目標是滿足換流器消耗無功需要，使直流系統與交流系統交換的無功為設定值，滿足諧波濾波需要，使直流系統注入交流的諧波達到允許范圍，控制交流電壓在設定值［5］。無功控制模式分為無功控制投入、手動無功控制模式、自動無功控制模式、無功控制退出。最高、最低電壓限制:監視交流母線穩態電壓，避免穩態過電壓引起保護動作。最大無功交換限制:根據當前運行狀況，限制投入濾波器組數量，限制穩態過電壓。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交換的無功量為設定參考值，控制換流站交流母線電壓為設定參考值。

4.2 順序控制與聯鎖 (SSQ、MSQ、RSQ)

順序控制與聯鎖的控制目標是為實現直流系統平穩啟動和停運，實現直流系統各運行狀態之間的平穩轉換，實現安全可靠操作斷路器、隔離開關和接地刀閘，實現安全可靠的控制模式或運行方式轉換。順序控制主要內容有極順序控制、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，主要包括模式轉換、兩站間的啟停協調、極連接/隔離、極啟動/停運、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、極隔離并接地/極不接地、閥廳鑰匙聯鎖、閥廳接地刀閘順序控制、準備充電順序、充電/斷電、準備運行順序。閉鎖順序控制為處理極閉鎖時的順序操作及保護性閉鎖。雙極順序控制為處理雙極相關的順序操作，主要包括控制極邏輯、主/從協調、大地/金屬回線轉換。

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，整流側通過快速調節α角來保持直流電流恒定，逆變側為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，整流側抽頭控制α角為 15°±2.5°，逆變側抽頭控制 Udio為 1±(1.25%)p.u.。當逆變側控制電流時，逆變側的抽頭用于維持熄弧角γ為17°±2.5°參考值。控制系統中具有過電壓限幅環節對過高的直流電壓進行限幅，避免直流設備承受過應力而損壞。功率/電流控制模式分為定功率控制和定電流控制［6］。

4.4 過負荷限制OLL

過負荷限制應用于長期過負荷、短時過負荷、晶閘管結溫限幅、功率回降。長期過負荷即系統固有過負荷能力，與環境溫度、閥廳溫度、閥和換流變冗余冷卻是否可用有關，一般小于1.1 p.u.。短期過負荷指在設計環境溫度 (40℃)內，冗余冷卻可用的情況下，一般具有3 s 1.5倍過負荷能力及2 h 1.1倍過負荷能力，不同的環境溫度下，具有不同的短時過負荷能力。閥冷卻與換流變冷卻的冗余系統可用/不可用的情況下，具有不同的短時過負荷能力。根據當前過負荷電流值的不同，具有不同的過負荷運行允許時間。根據當前已經過負荷運行時間的不同，具有不同的短時過負荷能力。晶閘管結溫限幅為實時計算晶閘管結溫，晶閘管結溫過高時，限制電流;冷卻水溫過高時，限制電流;每次將直流電流指令下降5%。在一定時間內，溫度仍過高，直流電流指令繼續下降5%，直到晶閘管溫度下降到小于參考值或電流限幅器達到最小值。功率回降分為保護功率回降、冷卻系統溫度超標功率回降、雙極功率平衡功率回降等。

4.5 調制控制MODS

調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。

功率提升在逆變側損失發電功率或整流側甩負荷故障時起作用，提供5個功率級別的功率提升，功率提升指令由安穩裝置提供。功率回降在整流側交流系統損失發電功率或逆變側交流系統甩負荷的情況下起作用，提供5個功率級別的功率回降，功率回降指令由安穩裝置提供。

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與自動控制。手動控制是對單相換流變抽頭調節或對所有換流變抽頭進行同步調節。自動控制分為空載控制、定α角控制、定Udio控制、定γ角控制、Udio限幅、抽頭自動同步。

4.7 觸發器控制CFC

觸發器控制的作用是對兩側12脈動閥組進行控制，兩側閥組均可作為整流側和逆變側運行，具有低壓限流環節 (VDCL)，并有閉環電流調節器、電壓調節器、修正的γ控制器3個基本控制器。閉環電流控制的作用是控制輸入變量，輸入變量是將測量到的實際直流電流和VDCL環節后的電流指令相減的差值。控制器類型為比例積分 (PI)控制器，整流和逆變側均配置，逆變側電流指令=整流側電流指令－電流裕度。電壓控制器在整流側和逆變側均配置，整流側用于過電壓的限制，逆變側用于定電壓控制，個別工程逆變側也用作過電壓限制，整流側電壓參考值略高于逆變側電壓參考值。γ控制器在正常工況下，逆變側為定γ角控制，采用預測性開環控制原理，并用AMAX控制，使外特性在暫態情況下具有正斜率，有利于系統的穩定。

4.8 空載加壓試驗 (OLT)

空載加壓試驗是為測試直流極在停運后較長時間或檢修后的絕緣水平。試驗條件是在整流側進行，且當前直流電壓低于0.1 p.u．，本站或對站的直流線路隔離刀閘打開，另一側未投入空載加壓試驗。

模式分為手動控制與自動控制。手動控制的步驟是手動解鎖、設定電壓參考值＜1.05 p.u.、電壓上升、設定電壓參考值到0、電壓下降、手動閉鎖。自動控制的步驟是自動解鎖、電壓上升到1.05 p.u.保持一段時間、電壓自動下降到最小值、閉鎖［7］。

5 結束語

高壓直流輸電在遠距離大功率輸電、系統非同步互聯、跨海輸電等方面具有無可比擬的優勢，在電力系統中的應用越來越廣泛。西電東送、全國聯網是我國今后幾十年電力工業發展的主要趨勢，其經濟效益非常明顯。如何保證系統的安全可靠運行，充分利用直流控制系統的快速響應能力和調制功能，提高整個西電東送系統的穩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［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［2］ 李興源．高壓直流輸電系統的運行和控制［M］．北京:科學出版社，1998．

［3］ 韓民曉．高壓直流輸電原理與運行［M］．北京:機械工業出版社，2009．

［4］ 韓民曉，文 俊，徐永海．電網換相直流輸電的運行特性與系統控制［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［5］ 劉澤洪．直流控制保護系統 ［M］．北京:中國電力出版社，2009．

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

［7］ 嚴干貴，韓來文，孫效偉．呼遼高壓直流輸電系統全電壓啟動過電壓的研究［J］．東北電力技術，2007，28(1):9－12．