兩端高壓直流輸電控制系統

兩端高壓直流輸電控制系統是對高壓直流輸電進行控制的系統。直流輸電系統的控制根據層級的不同可以分為三個層面，即現場控制層、過程控制層、運行人員控制層。運行人員控制層主要完成對運行人員控制系統的基本功能，過程控制層是直流輸電控制系統的核心部分， 包括極控系統和交流 / 直流站控系統。 交流 / 直流站控系統執行交流控制和UHVDC 換流站直流系統相關的功能。現場控制層提供了交直流主設備就地控制的可能性。

基本介紹

• 中文名：兩端高壓直流輸電控制系統
• 外文名：two terminal HVDC control system
• 套用：柔性直流輸電

概述

直流輸電

直流輸電系統由直流線路、逆變站、整流站、交流側電力濾波器、直流側電力濾波器、換流變壓器、無功補償裝置、直流電抗器以及保護、控制裝置等構成，通常是兩端直流輸電系統，其中整流站和逆變站屬於換流站，通過整流站和逆變站能夠實現交流電力和直流電力的轉換，換流站是直流輸電系統比較重要的組成部分。首先由交流系統的送電端將交流功率通過換流變壓器送到整流器，完成交流功率到直流功率的轉化，然後將直流功率通過線路傳輸到逆變器，逆變器又會將直流功率轉化為交流功率，最終傳輸到交流電力系統的受電端。

直流輸電控制系統

直流輸電系統的控制根據層級的不同可以分為三個層面，即現場控制層、過程控制層、運行人員控制層。

現場控制層使得交直流主設備能夠在就地進行控制，通過硬線將交直流主設備與較近距離的設備接口進行連線，通過現場匯流排將交直流主設備與較遠距離的設備接口進行連線。通過分散式的 I/O 控制單元實現現場控制，包括高壓裝置的聯鎖、輸出控制命令、控制命令的監控、SER 事件的產生、自診斷、二進制模擬量的預處理等功能。通過現場控制層面能夠實現控制系統的分層式、分散式，來自調度中心的控制命令經由高速 LAN 和現場匯流排進行傳達，監控系統的實時數據在逐層反饋，保證主系統、從系統的循環數據傳輸過程。

過程控制層包括交流/直流站控制系統和極控系統，是直流輸電控制系統的核心組成。交流/直流站控制系統的任務是順序控制交流場和換流站直流系統，為了避免系統故障和系統維護導致的直流輸電系統不可用，所以直流/交流站控制多採用冗餘結構，因其具有雙重化配置，能夠包含各個層面的系統。極控系統在運行人員下達命令後，發出穩定、有效、正確的功率定值，執行與雙極、換流器相關的所有功能，為閥和換流器提供全部控制功能。而極控系統包括三方面，即換流器控制（也稱閥控系統）、極控制、雙極控制，其中雙極控制能夠實現與雙極運行相關的所有控制功能，在接收到運行人員的命令以後，通過給極控制層傳送相應的電流、極功率參考值，實現兩極之間的功能協調，包括電流平衡控制、功率傳輸方向控制、穩定控制、極間電流轉移、運行人員功率參考值設定等功能。

極控制能夠實現與極相關的功能空中，接收的命令來自於雙極控制層，然後產生換流器閉環控制的直流電壓、電流、熄弧角控制參考值，最後完成極電流協調、換流器協調、分接頭控制、極解鎖閉鎖、空載加壓、故障恢復等功能。閥控系統由漏水檢測、避雷檢測、光接收發射、電源及接口、反向恢復保護控制單元等硬體組成，包括觸發準備、負電壓檢測、反向恢復保護、關狀態四個階段。

運行人員控制層實現運行人員的控制，包括常見的基本功能：用戶管理、曲線顯示、保護信息處理、諧波監控、報表處理、圖形頁面顯示、自動功率控制、事件順序記錄、控制操作等。對於 UHVDC 系統來說，其啟停、狀態、運行、故障以及輔助操作也可通過運行人員層面實現。閥控工作站、運行人員工作站、遠動工作站均採用冗餘配置實現雙工作站，兩個工作站相互配合，一個負責進行控制，另外一個負責刷新實時數據，在主設備出現故障後可自動將備用的切換為主狀態，同時完成調度的接口切換。

主流控制方式

主流的直流輸電控制系統分定熄弧角控制與定電壓控制。不同技術路線的控制系統在換流器控制層中採用了不同的設計思路，其中定電壓控制常採用閉環型的控制系統，通過採集一次系統相關電氣量(電壓測量值、電流測量值、熄弧角測量值)，與參考值進行比較，通過閉環控制產生換流器的觸發指令。它充分發揮了反饋的重要作用，排除了難以預料或不確定的因素，使校正行動更準確。

已經投產的天廣、貴廣等長距離直流工程採用定直流電壓控制，常規運行方式下，逆變側換流器採用定電壓控制策略，並與變壓器分接頭相互配合將逆變側的熄弧角控制在15。～19。範圍內，若熄弧角超出範圍則調整分接頭檔位。

已投產的三廣、三常、三滬等直流工程的控制系統採用定熄弧角控制，該控制策略的逆變側採用預測型定熄弧角控制，變壓器分接頭調節U出。從而使換流器電壓控制在設定值附近。預測型技術路線的控制系統，通過對一次系統相關電氣量進行計算得到期望的控制指令值。已投運的向上、錦蘇、哈鄭和溪浙4個特高壓直流工程，觸發指令統一由極層控制層發出，實現硬同步。但在分層接入方式下，由於接人不同電網的換流器相對獨立，需將極控制中的直流電流，直流電壓及熄弧角控制下放到閥組層，才能滿足控制系統的控制要求。

定電壓控制

分層接人方式下換流器控制層接收來自極控層的參考值，完成對12脈衝換流器的獨立控制。控制器主要包括直流電壓閉環控制器、直流電流閉環控制器、熄弧角閉環控制器等。控制器產生的觸發角並將其送到閥控接口單元。其中整流側設定電壓控制器與電流控制器，兩套控制器共用一套PI調節器，並通過邏輯選擇環節選擇與其相適應的PI控制器參數。整流側與逆變側中不同邏輯的控制器間配合過程相似。逆變側還需增設最小熄弧角控制器以限制熄弧角，並且除電流控制器的電流定值需要保證一定的閾度外，為保證控制邏輯切換過程中直流系統有穩定的運行點，還需配置電流偏差控制(CEC)。

該模組通常在電流偏差量大於2%時投入，偏差量達到6%時達到輸出最大值。而對於整流側的電壓控制器也常設有閾度，使整流側在常規運行狀態下選擇電流控制器。

熄弧角控制

熄弧角控制系統中配有起定熄弧角控制作用的最大觸發角控制器(AMAx)。該控制器在常規的直流系統中常配置在極控制層，根據換流母線的電壓與直流電流計算出換流器需要的觸發角。直流分層接人後，由於受端分別接人不同電壓等級的交流電網，熄弧角控制需要設定在換流器控制層中實現相對換流器的獨立控制。換流器控制層中還包括電壓調節器(VCAREGVoltage Regulator)與電流控制器(CCA)。兩者的本質為比例積分控制器，

根據輸入的偏差量進行調節。逆變側的電壓調節器主要用於降壓運行方式，起到控制直流電壓的作用。若
直流電壓快速上升，也可以配合變壓器分接頭對直流電壓加以限制。電流控制放大器是最基本的輸出單元，其輸出為換流器的觸發角指令值。三類控制器以限幅的方式相互聯繫，完成不同控制器之間的相互配合。

不同點

定電壓控制系統中的最小熄弧角控制。故障發生後，直流電壓降低，電壓控制為提升電壓將增大觸發角，但減小了換相面積對換相過程不利。因此該技術路線加裝最小熄弧角控制器，並當熄弧角跌落到一定程度時切換為熄弧角控制。熄弧角控制為實測型閉環控制系統，熄弧角測量值來自VBE系統的EOC信號與鎖相的電壓過零信號的比較。系統發生換相失敗後，熄弧角控制將接管逆變側的控制，測量值變為零，快速將觸發角移動到上限以提高換相裕度，幫助故障後快速恢復。

定電壓控制中的電流誤差控制。定電壓控制技術中配有電流誤差控制環節，故障後逆變側當向電流控制變側切換時，電流誤差控制啟動。作為逆變站電壓控制器的一部分，電流誤差控制環節為控制系統特性提供一段斜率較小的直線，並有助於控制系統從電壓控制向電流控制切換。

定熄弧角控制中的最大觸發角控制。最大觸發角控制器起定熄弧角控制的作用。故障後，逆變側從熄弧角控制向電流控制方向轉換，切換過程當中AMAX中補償環節啟動，為逆變側特性曲線呈現正向斜率，有助於控制系統向電流控制方式進行切換。

柔性直流輸電控制系統構成

柔性直流輸電控制及保護系統的核心單元是工控機。根據不同的硬體配置，控制及保護程式可以分為CPU主程式和板卡程式。

主程式運行於CPU中，包括控制功能模組、保護功能模組和監測功能模組，主要實現VSC外環控制器、保護系統的上層套用以及系統監測功能等。

DSP板的程式設計主要實現數據的高速運算處理，同時實現控制及保護功能的底層套用以及與CPU主程式的接口。DSP板控制部分的程式設計主要實現鎖相環(PLL)功能、VSC的內環控制器功能以及PWM功能。

DSP板保護部分的程式設計可以實現對保護系統需要的模擬量進行高速採集和實時運算，並將計算結果傳送至主程式中的保護功能模組。DSP板保護部分的程式設計是冗餘配置的，可以實現保護系統的啟動功能。

通信管理板的程式設計可以實現冗餘配置的工控機之間的實時通信功能。當前備用的工控機實時跟隨值班工控機的運行狀態和控制參數。當值班系統出現故障時，備用工控機可以快速切換為值班狀態。