整流器和逆变器联合控制实现优化

图4-13中所示的整流器、逆变器采用定电流控制和定关断角控制是直流输电最基本的运行方式。如图4-12c所示，直流输电运行点（I_d和中点直流电压V_M）由整流侧电压V_r1m=f（I_d）和逆变侧电压V_i2m=f（I_d）两条自然特性的交点A或N点决定，A点对应首端整流、末端逆变从首端向末端正向输电，I_d为正，V_M为正。N点对应反向输电，末端整流，首端逆变，从末端向首端反向输电，I_d为正，V_M为负。当交流系统电压V₁、V₂改变时，V_r1m=f（I_d）和V_i2m=f（I_d）两条直线斜率不变，上下平移，如图4-12a和图4-12b所示。这时调控触发延迟角α₁、α₂，就有可能实现由整流器控制定电流运行且维持逆变器的定关断角运行，如4.4.3节所述。但是当交流电源电压变化过大，特别是当V₁、V₂严重下降时，固定逆变器关断角不变，仅靠调节整流器的触发延迟角α，可能直到α达到直流输电晶闸管安全、可靠运行的极限值α_min和α_max时仍不能达到整流器定电流I_d^∗=I_r^∗=1.0运行，这时就需要逆变器参与在其指令电流I_d∗_i=I_r∗-ΔI_d=0.9<I_r∗=1.0，或逆变器在α_2min工况下，或在低压限流I_r^∗<1.0下运行。所以直流输电实际运行中除整流器定电流I_d∗=I_r∗=1.0、逆变器定关断角δ^∗运行外，在V₁、V₂改变时还可能有其他运行方式。

如果正常稳态运行点为图4-14中A点，A点是图4-12a和图4-12b中首端换流器整流工况自然特性直线⑩（V₁₀、α₁₀）和末端换流器逆变工况自然特性直线(20)（V₂₀、δ₂∗）的交点，这时I_d=I_A=1.0=I_r∗，V_M=V_r1m=V_i2m=V_A。当V₁、V₂改变时直流输电系统中整流器、逆变器的联合协调控制特性如下：

1.首端换流器的交流电压V₁升高（V₂不变）时的运行工况特性

稳态工作点为整流器特性⑩与逆变器特性(20)的交点A时，若V₁从V₁₀升高，在α₁=α10未改变前，将使式（4-37）中的I_d>I_r^∗=1.0。图4-13整流器的电流调节器在电流误差e₁=I_r^∗-I_d=1.0-I_d<0作用下，其输出α₁不停地增大，cosα₁不停地减小，直到V₁ cosα₁=V₁₀ cosα₁₀为止，I_d下降到I_d=I_r∗=1.0，整流器电流调节器定电流I_d=I_r∗=1.0调节过程结束后，工作点又回到A点。因此V₂不变，V₁升高时仅靠整流器的定电流调节增大α₁，减小cosα₁即可实现定电流运行。稳态工作点可维持A点不变。

图4-14 直流输电两个换流器联合协调控制特性

2.末端逆变器的交流电压V₂下降（V₁不变）时的运行工况特性(www.xing528.com)

在A点稳态工作时，当V₂下降而α₁=α₁₀未改变前，I_d>I_r∗=1.0，这将使整流器电流调节器在I_d>I_r∗=1.0的电流差作用下其输出的α₁角不停地增大，cosα₁不停地减小，直到cosα₁的减小量抵消V₂的减小量时，I_d回降到I_d=I_r∗=1.0为止。但这时由于α₁>α₁₀，V₂<V₂₀，故直流电压V_M=V_r1m将低于V_A，即工作点为图4-14中的G点。当V₂继续下降时工作点继续下降到K点后，由于V_K较低，为了不使V₂继续下降、直流电压V_M下降而危害电力系统的安全运行，从K点开始，将电流调节器的电流指令I_r∗随V₂的下降而减小，即输电系统从定电流I_d=I_r∗=1.0运行改变为低压限流运行。如图4-14中斜线KJ所示。当到达最小运行电流限值I_d=I_dmin时，将电流调节器的指令I_r∗固定为I_r∗=I_dmin≐0.2，防止谐波电流的存在可能使电流i_d瞬时值变为零，电流中断引起过电压危害运行安全。因此V₁不变，V₂下降时，仅靠整流器电流调节器调控I_d、V_d的运行特性轨迹是图4-14中的AGKJL。

3.首端整流器交流电压V₁降低（V₂不变）时运行工况特性

V₂不变，V₁从V₁₀降低后，在α₁仍为α₁₀未变时，V₁减小使I_d<I_r∗=1.0，一旦I_d<I_r^∗=1.0，则整流器定电流调节器输出α₁从α₁₀减小，cosα₁增大，若V₁减小，cosα₁增大后能使V₁ cosα₁增大到等于原值V₁₀ cosα₁₀，则I_d=I_r^∗=1.0，这个调节过程中V_M=V_i2m=未变，故工作点仍为图4-14中的A点。如果V₁下降较多，以致α₁减小到极限值α_1min=5°时，仍小于原值V₁₀ cosα₁₀，则α₁从α₁₀减小到限值α_1min时I_d仍小于I_r^∗=1.0，即I_d<I_r^∗，工作点为特性(20)上的E点。当V₁继续下降时I_d继续下降，工作点在逆变器电压自然特性(20)上向I_d减小方向移至T点，T点是α₁=α_1min=5°、V₁减小到V₁₁后整流器自然特性(11)与逆变器自然特性(20)的交点。在T点V_M=V_T，但I_d∗_i=I_r∗-ΔI_d=0.9，这时当V₁再减小，以致使I_d小于I_d∗_i=0.9时，逆变器的定电流调节器输出触发延迟角α₂将从α₂₀=180°不停地减小，当α₂减小到小于图4-13中的α_2δ（α_2δ=140°～150°）时，触发延迟角选择环节3的输出就选择α₂，即末端逆变器的触发延迟角α₂∗=α₂，当V₁下降使I_d<I_d∗_i=0.9时，α₂∗=α₂不停地减小，cosα₂不停地增大，δ₂=180°-α₂-γ₂不停地增大，cosδ₂不停地减小直到I_d回升到I_d∗_i=0.9，因此这时就靠逆变器的触发延迟角α₂、关断角δ₂的改变使I_d=I_di=0.9定电流运行。这时由于δ₂随V₁的下降不断增大，cosδ₂不断减小，直流电压不断降低，工作点从T点向下移至W点。若到达W点时α₂已降至110°～100°，则从W点开始保持α₂=α_2min=110°～100°不变，因此随着V₁的再下降，I_d将从I_d=I_d∗_i=0.9减小，而直流电压（R₂-0.5R_L）I_d随V₂的下降继续下降，如图4-14中直线WZ所示。对逆变器限制α₂不小于α_2min=110°～100°是为了使逆变器运行时绝不容许α₂小于90°而变为整流工况，限制α₂为110°～100°可留有余地确保即使有不利的扰动存在也能防止换流器在逆变器工况时错误地转为整流工况（α₂<90°），引发事故。所以当V₂不变V₁下降时，直流输电V_d、I_d运行特性轨迹是图4-14中的AETWZ。

4.末端逆变器交流电压V₂升高（V₁不变）时运行工况特性

在A点稳态工作时，若V₁不变，V₂上升到V₂₂时，逆变器自然特性由直线(20)改变为直线(22)，工作点从⑩、(20)的交点A变为⑩、(22)的交点B。这时I_d=I_B<I_r∗=1.0，因此整流器的定电流调节器输出触发延迟角α₁从α₁₀不停地减小，cosα₁增大，使整流器特性从α₁₀时的特性⑩不停地、平行地向上移，工作点则从B点沿直线(22)向I_d增大的右边移动，直到C点I_d=I_r∗=1.0为止，稳定在C点（I_d=I_r∗=I_A，但V_C>V_A）。当V₂再从V₂₂继续增高时，工作点从C点在I_d=I_r∗=1直线上继续上移至D点。D点是V₁=V₁₀、α₁=α_1min时的整流器自然特性工作点。此后当V₂再增高时，由于α₁已达到极限值α₁=α_1min不能再减小，而固定为α₁=α_1min、V1=V10不变，故工作点只能在特性(12)上从D点沿特性(12)向左上方移动直到H点时，I_d减小到I_H=I_d∗_i=0.9。当V₂再升高到V₂₃时，直线(23)与(12)的交点F的电流I_d<I_d∗_i=0.9。这时逆变器的电流调节器输出的触发延迟角α₂就不停地减小。当α₂减小到比图4-13中的α_2δ更小时，末端逆变器的触发延迟角指令值α₂∗就选取α₂。随着α₂不停地减小，δ₂=180°-α_2-γ₂不停地增大，cosδ₂不停地减小，使V₂ cosδ₂保持定值，工作点从F向H移动，I_d=I_d∗_i=0.9不变，即靠逆变器电流调节器调控α₂、δ₂，在H点I_d=I_d∗_i=0.9下定电流运行。所以在V₁不变V₂升高时，直流输电V_d、I_d运行特性轨迹是图4-14中的ACDHFH。