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高压直流输电控制保护技术及其应用 |
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作者：国家电网公司北京网联直流输电系统工程公司 陶 瑜，韩 伟 来源：不详 | |
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对于无功控制，还有一些利用直流输电特点进行的辅助控制策略。如有些工程利用增大点火角致使换流器所需无功增加的原理帮助减少送入交流系统的无功，它一定程度地增加了无功控制的灵活性，但同时增大了换流器的应力，在换流器有足够设计裕度时，可酌情使用。三常直流输电工程中具备这种功能，称之为Qpc功能。另一种策略是力图减少交流滤波器（含电容器组）投/切引起交流电压的瞬间阶跃扰动，即当滤波器投入时，控制逆变侧的熄弧角瞬时提前增大几度然后按一定速率恢复；当滤波器需要切除时，控制逆变侧的熄弧角提前按一定速率增大几度，在滤波器切除瞬间立即恢复熄弧角至原值。三常直流输电工程中具备这种功能，称之为r-kick功能。这种策略的关键是熄弧角变化速率、滤波器投/切时间，以及交流系统电压变化时间常数之间的协调和匹配，否则可能反而增加系统不必要的扰动。
此外，对于双极直流系统，直流控制还可依据主设备参数设计，当一极故障时，在几十毫秒内健全极可自动过负荷运行以减少功率的损失；当直流线路故障，控制系统降功率尽快使直流线路去游离，并可根据一次主设备设计性能的要求，闭锁或不闭锁触发脉冲，一旦故障清除，或全压或降压运行，也可在几十毫秒内恢复输送功率。
在避免和降低对交流系统影响的同时，直流控制还承担了保护设备的重要作用，诸如地电流平衡控制可减少对接地极的腐蚀、系统不同状态和接线方式时断路器和隔离开关的顺序控制策略以及点火角在各种不同工况下的限制等等。
综上所述，直流控制在完成输送功率任务的同时，还必须克服自身的缺陷和弱点，避免和减少对交流系统的不良影响。
2.２ 降低和避免交流系统对直流系统造成的扰动
交流系统电压是换流变压器和换流器设计以及直流系统性能设计的重要条件，它的波动不仅直接影响点火角的控制，甚至使直流系统失去换相电压而无法运行，或者还可能威胁到换流变压器以至换流器的绝缘安全。
换流变压器分接头控制是解决这个问题的重要功能之一，它要根据系统设计确定换流变压器充电前、后以及直流加压/升流后分接头的位置。通常，分接头控制采用保持换流变压器阀侧空载电压不变的策略，以避免交流系统电压波动引起换流变压器阀侧电压的不安全。在三常直流输电工程中，在计及一次设备的设计裕度下，分接头控制的最高优先级是确保换流变压器阀侧空载电压不超出设定的上、下限范围。在此前提下，分接头控制还参与了交、直流系统动态工况时的稳定控制，即当稳态运行时，由于交流系统电压波动至使整流侧点火角偏离其额定值±2.5°时，分接头控制将发出降低/升高阀侧电压的控制指令以期直流电流稳定。这种分接头控制策略，可以保证直流设备的安全，增强直流系统的稳定性，但是否可采用，必须依据换流站设备成套设计决定。
交流系统对直流系统的另一重大影响是，如果交流系统故障导致直流系统电压过低，特别是逆变侧交流电压过低，将引起换流器换相失败，逆变换流器造成直流短路继而直流系统停运。避免换相失败应是目前常规换流技术中最受重视的课题之一。通常，在直流控制中将通过电流调节器能在10 ms左右将换相失败故障电流压至额定值或以下，以期维持渡过交流系统的扰动期。允许维持时间的长短取决于逆变侧交流电压降低的程度和整流侧点火角的大小。在三常直流输电工程中，加设了一个换相失败预测控制功能，即根据交流电压零序分量以及表明其矢量变化程度的α/β分量来预测单相/三相交流电压可能将发生故障，并因此来增大逆变侧的熄弧角以避免换相失败的发生。
如果整流侧交流电压降低致使其点火角已达下限而无法调节维持直流电流不变，继而将电流调节功能转至逆变侧时，直流控制的电流裕度补偿功能将同时增大整流/逆变两侧电流调节器指令值，以保证直流电流不受交流电压扰动的影响，避免了扰动期间直流输送功率的下降。
交流系统电压的不稳定还将从另一方面造成直流系统的不稳定。直流电流不仅要受防止电流过大引起设备过载和防止电流过小断续引起过电压的限制，还要受稳定运行电流的限制。当交流系统电压扰动导致直流电压不稳定时，电流调节器将调整直流电流满足定功率运行的要求，此时应避免低压大电流的运行工况以减小直流电流的调节量，增强直流系统稳定性。直流控制中通常均设有低压限流控制来完成此功能。
由上可知，直流控制中设置了许多主要功能用以抵御来自交流系统的干扰，增强自身的稳定性，同时也进一步改善交流系统的动态性能。
2.３ 提高应对通信故障的系统动态性能的控制策略
长距离直流输电工程，需要两端换流站之间具有快速可靠的通信通道来传输电流整定值、保护、顺控的设备状态等信号，以保证正常的运行。为了提高直流系统可靠性，三常直流输电工程在站间通信通道失去的情况下，仍允许整流侧按照直流功率或直流电流指令，逆变侧按照实际测量的电流为参考指令进行功率或电流的自动控制，只是变化的速率为预先设定值，以保证两端安全配合。当无站间通信而逆变侧系统需要紧急停运时，直流的顺序控制使逆变侧带旁通对闭锁、整流侧直流欠压保护闭锁，保证了系统的安全。增强站间通信失去时的控制功能，对提高直流系统的动态性能是十分重要的。
2.４ 直流附加控制
交、直流系统中，还通过快速灵活的直流控制来满足提高交流系统稳定运行性能的需求，以及避免交、直流系统之间发生次同步谐振。通常，在直流工程控制保护系统中均考虑增加附加控制的要求。
三常直流输电工程在控制软件中设置了4类11种不同传递函数形式的典型调制控制功能。第一类：根据交流系统电压的跌落和频率高于或低于标称值，调制直流功率以帮助互连交流系统的故障恢复。第二类：根据远方控制中心或直流控制系统对外部信号的响应，以适当、快速的速率提升或降低直流输送功率及停运，甚至实现潮流反转。第三类：根据远方控制中心或直流控制系统对外部信号的响应，以适当的速率提升或降低直流电流运行值。第四类：对直流电压施加一个调制量。
通常直流控制系统还预留软/硬件接口，以接收从外部要求的模拟量、开关量或数字信号等形式的附加调制控制信号。
直流控制的主要功能说明其对交、直流系统静态和动态性能具有十分重大的影响。在研究直流控制动态性能时，除了要考虑其功能是否完善外，还要计及系统对直流功率、直流电流、直流电压及熄弧角的控制指令发生阶跃变化时的时间响应及是否超调或欠调；在动态过程中，要考虑双极间相互影响的程度以及对输送功率影响的大小、恢复的快慢及是否稳定等判据。 |
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