直流控制系统模型详解

与交流系统相比，高压直流系统的一个显著特点是其可以通过对两端换流器的快速调节与控制，快速改变输送功率的方向与大小。高压直流控制系统是直流输电系统的核心，直流输电系统的性能，在很大程度上取决于其控制系统。直流控制系统模型是否完善，直接决定了操作过电压仿真的准确性。

16.2.2.1　需实现的主要控制功能

对于直流系统操作过电压仿真分析，需要实现的高压直流控制系统的主要功能有：

1）直流系统启动与停机控制

2）直流系统输送功率控制

3）监测直流系统运行参数

4）故障保护控制

16.2.2.2　直流控制分层结构

直流控制系统涉及的系统状态参数复杂，在设计中将其控制功能按等级分为若干层次，使控制系统结构清晰，故障影响范围缩小，也提高了系统的可靠性。在直流系统建模中，也遵循这样的按功能等级分层的结构思想，可以降低模型调试的工作量，同时提高模型的可靠程度。直流输电控制系统一般设有六个层次等级：

1）系统控制级

该控制级是整个系统中最宏观的控制层次，主要功能有：与调度系统联系、接收调度指令、紧急功率支援、潮流转移、调节交流系统频率等。这部分控制不在操作过电压控制中起作用，因此该部分控制不在操作过电压仿真模型中体现。

2）双极控制级

该控制对直流系统两极运行进行协调，根据系统控制级给出的功率值，决定两极各自的输送功率，对两极电流根据设定值进行平衡，根据交流母线电压对无功补偿设备投切进行控制。该控制在直流系统正常运行时起作用，需在操作过电压仿真模型中予以实现。

3）极控制级

该控制对直流系统单个极运行进行控制，包括根据双极控制级给定的功率指令或者人工设置的功率指令向换流器控制级提供直流电压、电流整定值，与对站同极进行远动通信协调，故障处理如移相停运、自动重启及低电压限流控制等。该控制级是操作过电压仿真中重要的控制，必须在仿真模型中实现。

4）换流器控制级

该控制级对单个换流器进行运行控制，根据极控制级传来的电压、电流整定值，控制换流阀的触发相角，从而实现定电流、定关断角、定电压、换流器单元闭锁以及解锁控制。该控制级是操作过电压仿真中重要的控制环节，必须在仿真模型中实现。

5）单独控制级

在直流换流站中，除了对换流器直接进行控制外，换流器周边其他设备同样需要相应的控制以配合换流器的运行，如换流变分接头控制，滤波器组投切控制，交直流开关场断路器、隔离开关控制，以及换流器阀组冷却系统控制及监测等。这部分控制任务由单独控制级完成。该控制级控制的设备在操作过电压保护中起一定的作用，如交直流开关场断路器、隔离开关控制、滤波器控制等，需要在仿真模型中实现。

6）换流阀控制级(www.xing528.com)

该控制将控制器送来的阀触发信号进行变换放大并输送到晶闸管触发极上，并监测晶闸管的运行情况，包括阀组温度、通过电流等运行参数。该部分控制主要是硬件操纵控制，在操作过电压仿真模型中不需专门考虑实现。

16.2.2.3　建模需要实现的关键控制环节

根据上述对特高压直流系统控制分层的介绍，在特高压直流系统操作过电压仿真模型建模过程中，需要实现以下关键控制环节：

1）定关断角控制环节

该环节是逆变侧控制的主要环节，也是直流控制系统的核心环节之一，其不断比较逆变侧关断角实际测量值与参考值，从而配合电压控制环节给出相应的触发角，控制逆变侧换流器的运行。在逆变侧采用定关断角控制方式的直流输电工程中，该环节往往有两个，一个根据给定的关断角进行控制，另一个限制最小关断角值。

2）电压控制环节

该环节是直流控制系统的核心环节之一，其不断比较换流器输出电压与给定电压参考值，在整流侧与电流控制环节配合给出相应的触发角，在逆变侧与定关断角控制环节配合给出触发角。在逆变侧采用定电压控制方式的直流输电工程中，该环节直接控制直流系统电压。

3）电流控制环节

该环节是直流控制系统的核心环节之一，其在运行中不断比较整流侧输出电流值与给定电流参考值，在整流侧给出相应的触发角。在逆变侧，当电流降到一定值以下时，对阀组的直流控制权会移交到该环节。

4）阀触发脉冲生成环节

阀触发脉冲生成环节是特高压直流系统操作过电压仿真模型的关键控制环节之一，该环节实现的准确性关系到直流控制系统控制的稳定性。其任务是根据触发角命令，参考交流三相电压相角，在准确的时间点给出触发脉冲，并发送到阀触发门极。该控制环节最直接的方案是与三相电压相角进行实时比较，在到达所需的相角后，及时生成触发脉冲。这种直接方案在系统正常运行，且谐波分量很小时准确度很高，但在系统发生故障或者谐波分量很大造成参考交流电压波形畸变时，该方式生成的脉冲将完全不准确，会造成系统控制失效，从而加剧系统运行的混乱程度。实际系统中采用等相位间隔控制法产生触发脉冲，对于12脉冲换流器而言，一个交流周期内将有12个触发脉冲产生，则脉冲触发环节就采用每个交流周期产生12个触发脉冲，两个脉冲间隔时间控制在30°相角左右的时间，下一脉冲触发间隔时间参考前两次脉冲触发间隔时间，这样就避免了因交流波形畸变造成参考相位剧烈变化引起的触发角不准确的问题。

5）阀关断角测量环节

阀关断角测量环节也是特高压直流系统操作过电压仿真模型的关键环节之一，该环节实际的准确性直接决定了逆变侧电压控制的稳定性以及直流系统能否平稳启动。该环节的任务是准确测量出阀的关断角，并将其反馈回控制系统，然后控制系统根据测量出的关断角，限制逆变侧系统触发角最大值，避免在故障暂态情况下逆变侧出现换相失败导致电压翻转，引起系统直流电压大振荡。

6）低电压限流环节

该环节是直流控制系统中的关键环节之一，当换流器输出电压降低到一定程度时，相应的电流控制器参考值也要按照一定规则降低，以保持控制系统对直流系统的控制能力，避免系统失控出现大的振荡。

16.2.2.4　仿真模型中控制环节间的配合

上面小节已经介绍，换流站控制系统主要有三个核心控制环节：定关断角控制环节、电压控制环节和电流控制环节。这三个控制环节在直流系统运行时也同时在运行，在任一时刻只有一个控制环节起控制作用，另外两个控制环节处于备用状态，在发生故障或者系统调节时，系统的控制权在几个环节之间根据预设的规则进行切换。其基本切换规则如下：

整流侧换流站在正常运行时，电流控制环节起直接控制作用。当系统电压升高到一个预设值时，整流侧触发角控制权被移交到电压控制环节，从而限制直流系统电压不致过高；在系统电压降低到一个预设值时，电流控制环节中电流预设定值被低电压限流环节调低。定关断角控制环节在换流器运行状态为整流状态时不起作用。

采用定关断角控制方式的逆变侧换流站在正常运行时，定关断角控制环节起直接控制作用。当系统电压升高到一定预设值时，逆变侧触发角控制权被移交到电压控制环节，从而限制直流系统电压不致过高；当系统关断角过小时，逆变侧触发角控制权被移交到另一个定关断角环节，限制系统触发角不再增大；当系统直流电流降低到一定值以下时，一般是电流设定值的0.9倍，逆变侧触发角控制权被移交到电流控制环节。