U.D.C.:
工学硕士学位论文
基于PSCAD的直流输电
控制系统仿真研究
| 硕士研究生：杨帆 |
| 导师：王义军教授 |
| 申请学位级别：工学硕士 |
| 学科、专业：电力系统及其自动化 |
| 所在单位：电气工程学院 |
| 答辩日期：2014年3月 |
| 授予学位单位：东北电力大学 |
U.D.C.
A Dissertation for the Degree of Master Eng.
Simulation Research Based on PSCAD of HVDC Control System
| Candidate： | Yangfang |
| Supervisor： | Prof. Wangyijun |
| Academic Degree Applied for： | Master of Engineering |
| Speciality： | Electric Power System & its Automation |
| Date of Oral Examination： | March. 2014 |
| University： | Northeast Dianli University |
本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。
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论文作者签名：__________日期：______年______月______日
论文知识产权权属声明
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论文作者签名：__________日期：______年______月______日
导师签名：_________ _日期：______年______月______日
摘 要
直流输电具有输送容量大、输送距离远、线路造价低且控制方式灵活等优点，又由于可控硅制造成本的继续下降，电力电子技术得到极大的发展，使直流输电技术应用于远距离大容量输电和大区电网互联越来越多。直流输电在我国西电东送和国内电网互联中起着重要的作用。
高压直流输电系统快速可控，控制系统是直流输电系统的核心部分，直流输电系统是否能可靠运行取决于其控制系统的控制方式的有效配合。本文研究高压直流输电控制系统的主要控制方式，利用PSCAD仿真软件建立直流输电系统模型。在搭建的模型上，做控制器优化实验，验证控制方式在稳态运行时的的稳定性。为验证系统在故障时的快速调节性，仿真模型中做暂态运行时的研究。分析直流输电系统的一个常见故障换相失败，包括影响因素，减小换相失败的措施。将超导故障限流器应用于直流输电系统中，调试超导故障限流器的模型，研究其对直流电压电流尤其是对换相失败的影响。
仿真结果表明，本文建立的直流输电控制系统模型控制器在受到小干扰时各个控制器能适时投入使系统能够稳定运行。发生瞬时故障时能够快速恢复调节性，在加入故障换流器后能够使得在发生故障时减小故障电流，将逆变器的熄弧角在一定的范围内进而降低逆变器发生换相失败的几率。
关键词：直流输电；PSCAD；控制系统；逆变器故障限流器；
Abstract
With the rapid development of power electronic technology and continuous reduction of silicon controlled manufacturing cost，HVDC technology which has obvious advantages in large capacity and long distance of power transmission，low cost and flexible and fast control mode has been applied extensively in large capacity transmission over a long distance and regional power grid interconnection.HVDC plays an important role in west-east electricity transmission project and the domestic power grid interconnection.
High-voltage direct current transmission system is rapid controllable and control system is the core part of the dc transmission system，as well as whether a HVDC system is in reliable operation depends on the effective cooperation of control mode of the control system. In this paper，we study the main control mode of high-voltage direct current transmission control system and build HVDC system model with PSCAD simulation software.We make controller optimization experiment though the building HVDC system model to test and verify control method in the stability of the steady-state runtime.To verify rapid regulatory of transmission system when it is fault， we do the simulation research of transient operation though the building HVDC system model.A common fault Commutation failure is researched，including influence factors，the measures for decreasing the commutation failure.SFCL（superconducting fault current limiter）is applied in the dc transmission system.Though building and debugging the model of SFCL，itstudied the influence on dc voltage current especially commutation failure.
The simulation results show that each controller which is timely put in system can be in stable operation based on HVDC control system model controller that is set up in this paper When the system is subjected to small disturbance. Control system is able to quickly recover regulatory when transient fault occurs，as a result， SFCL that is brought in system can reduce the fault current as well as decrease the incidence of commutation failure of inverter When a fault occurs.
Key words：High Voltage Direct Current transmission， PSCAD ，Control system，SFCL
目 录
第1章 绪 论
1.1 高压直流输电概述
在特定条件下，高压直流（HVDC）输电的优点超过交流输电。1954年，首HVDC输电线路连接瑞典与哥特兰岛之间[1]。这条线路将汞弧阀应用于系统中，20MW的功率通过90km的水下电缆送出。从这时开始，高压直流输电工程开始兴起。
1.1.1 直流输电的发展历史
人们更愿意应用高压直流输电主要原因是半导体器件晶闸管阀被发明出来。海底电缆输电是直流技术首先应用的工程领域，早期的工程有瑞典格兰特岛（Gotland，1954年）输电工程和意大利撒丁岛（Sardinia，1967年）输电工程;然后被应用于长距离输电，相应的工程有美国太平洋岸南北联络线（Pacific Intertie。1970年）工程和加拿大纳尔逊河直流输电工程（Nelson River，1973年）；这个时期直流输的换流器件是汞弧阀。直流输电技术进步的一个重大里程碑出现在1972年，将魁北克（Quebec）和新布伦兹维克（New Brunswick）非同步连接起来的伊尔河（Eel River）背靠背（BB）直流输电工程首次采用了晶闸管阀作为直流输电的换流器件，标志着晶闸管阀开始取代早期的汞弧阀。[1]晶闸管阀已经成为直流换流站的标准设备。换流设备的新发展使其体积小，成本低并且提高了可靠性。这些使得高压直流输电技术能够应用在各个领域。电力电子和计算机新技术的不断涌现使直流输电技术越来越完善，近年来，高压直流输电技术发展及其迅速，不仅是远距离大容量输电采用直流输电，大电网间的互联也经常采用直流隔离。到1975年，在全世界范围内只有11条直流输电工程投入运行，输电容量为5GW。根据官方的初步调查统计，截至2003年除我国以外全世界利用直流输电工程输送电量达到53281MW，总的线路/电缆长度为19399km，大概有70条直流输电线路已经投入运行，这其中用于联接两个非同交流电网的背靠背换流工程有28个。代表性的有：扎伊尔Inga-Shaba工程，输电线路1700km，±500kV，560MW（1982年）；巴西伊泰普直流输电工程，额定电压±600kV，额定容量2×3150MW，输电线路796km（Ⅰ回1986年，Ⅱ回1987年）；印度Chandrapur-Ramagundum等3个背靠背直流工程，额定电压为2×205kV，额定容量1000MW（分别为1997年，1998年，2002年）;魁北克-新英格兰多端（五端）直流输电工程，额定电压为±450kV，额定容量2250MW，输电线路长1507km（分别为1986年，1990年，1992年）；英法海峡工程，两回海底电缆73km，额定电压±270kV，输电容量2000MW（1986年）[1]。
1.1.2 我国高压直流输电的发展状况
我国高压直流输电工程起步较晚，但发展非常迅速。截至2012年底，我国已有多条直流输电工程投入运行了，工程情况如下：
舟山直流输电工程是我国依靠自己力量建设的第一项直流输电工程，第一期为单极金属回线方式，-100kV，500A，50MW，线路全长54km，19年正式投入运行，工程最终规模为±100kV，500A，100MW[2]。
天生桥-广州直流输电工程，采用±500kV的12脉波双极换流器，额定电流为1800A，额定输送容量为1800MW，该直流输电工程于2001年6月投入运行。是我国第一个交直流并联运行系统。该工程使得南方电网的运行可靠性更大。也是我国第一个能使交直流并列运行的大电网[3]。
三峡-常州是线路全长860公里的直流输电工程，也即三峡的龙泉换流站到江苏省常州市的正平换流站。额定输送容量3000MW，额定电流3000A，额定电压±500kV。该工程担负着三峡向华东送电3000MW的输电容量，是三峡输变电技术的里程碑，作为第一批三峡机组发电送华东的主要输电通道，同时也是连接华东与华中电网的主要输电线，担负四川用电四川出以及华东和华中电网电功率相互支援等重要任务，为目前世界输送容量最大，输送距离最长的直流工程[4]。
贵州-广东±500kV直流输电工程是我国第一个自主化依托工程。该工程的主要任务就是完成了系统的研究、成套设备的设计及制造制造等技术难题，此工程的综合自主化率达到了70%以上，是我国电力技术设备国产化工作取得了突破的重要标志[5]。
葛南（葛洲坝-上海南桥）±500kV是我国第一个引进的高压直流输电工程，该工程，采用双极联络线，额定容量1200MV，输电距离1080km[6]。
云南-广州±800kV直流输电工程，额定容量5000MW，是首个特高压直流输电工程[7]。
天广直流输电工程是“西电东送”的主要投资项目之一，双极输送容量1800MW，大量的新技术新设备应用于该项目其中存在一部分是在全球上初次应用于高压直流工程，如有源滤波器、直流光纤CT，合成材料穿墙套管等，全套设备由德国西门子公司引进[8]。
西北-华中联网灵宝背靠背换流站是我国首个大区域之间互联的直流背靠背换流工程，是我国第一个自主设计、制造、建设的直流工程。联网容量为，750MW，功率双向传送。华中侧交流电压等级为220kV，西北侧为330kV；直流电压等级为±220kV。该工程增强了西北电网与华中电网的联网能力，提高了电网的供电可靠性和系统的抗扰动性，也可以实现两个电网间的紧急功率支援[9]。
宝鸡-德阳±500kV直流输电工程，最大输送容量3000MW，是华中电网（四川）与西北电网的首个长距离联网工程。枯水期，为缓解由于煤炭产量不足造成的缺电及运输煤炭造成铁路运输能力不足，西北电网向四川电网输送火电电量；丰水期，该工程可以推动四川的资源优势变为经济优势，即把四川多余水电送至西北地区。该工程能够实现水电跨电网补偿、水火电相互补偿、减少电网备用容量，以及增强电网在恶劣自然条件下的调节能力[10]。
呼伦贝尔-辽宁±500kV直流输电工程师我国首个采用直流技术的煤电基地电力外送工程。，额定容量3000MW，额定电流3000A。该工程减少了线路损失、增强了输送容量，是对东北电网资源配置能力的一次大提升[11]。
宁东-山东±660kV直流输电工程线路全长1333kM，额定容量4000MW。该直流工程系统设计、集成、核心设备的研发、建设、运行调试都是一个新的电压等级，都是我国自主完成的。该工程完成了世界范围内换流变压器单台容量最大，单12脉动换流阀耐受电压最高的优秀成绩，体现了我国电力技术发展自主创新的能力和电工设备自主制造的竞争力，一个重大的新技术就是将1000mm3用大截面新材料导线应用于直流输电工程[12]。
中俄±500kV直流联网黑河背靠背换流站，额定功率750MW。该工程是中国首个与其他国家合作的联网项目工程，是通过两个国家间电网互联解决中国能源多方面供给的关键战略项目，是中俄两国开展能源领域合作取得的一项重大成果。[13]
向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程包括二站一线，起于四川省宜宾复龙换流站，止于上海奉贤换流站。全长11.6kM，先后跨越长江四次。换流容量为00MW，直流电流为4000A[14]。
东北-华北（高岭）背靠背直流工程，输送容量3000MW。这个工程项目的竣工和投产，是对我国电力设备制造业的创新能力的肯定。同时也标志我国直流输电设备的国产化水平有了大幅度的提升。这个为工程是我国高压直流输电设备国产化积累了珍贵的经验财富[15]。
锦屏-苏南±800kV直流输电工程是如今全球完成的输送容量最大、电压等级最高的直流输电工程，将特高压输送容量从00MW提升到7200MW，输电距离突破2000Km，创造了特高压直流输电的新纪录[16]。
此外我国还有多条在建的直流输电工程，如哈密北-重庆、宁东-浙江、锡盟-江苏泰州、蒙西-湖北、酒泉-湖南、呼盟-山东、溪洛渡-浙西、哈密-郑州、龙东-新余、糯扎渡-广东±800kV特高压直流输电工程，为适应我国对电力的需求，受国家电网公司已开展准东-四川±1100kV特高压直流输电工程可行性研究的工作。如图1-1可看出我国直流输电近些年的分布状况：
图1-1 2020年以前我国直流输电工程规划图
1.2 研究直流输电控制的重要意义
由以上对直流输电系统的发展状况可知。直流输电工程在我国已经占据着相当重要的位置，并且还会不断发展。由于高压直流输电的核心设备是换流器，核心器件是晶闸管，而晶闸管是一种开关器件。这种半导体器件的最大优点就是能够快速调节，可控性非常强大。基于以上优点可知控制系统是直流输电核心，也就是直流输电系统的大脑，控制着整流和逆变的整个过程。为实现直流输电系统期望的电压和功率值，控制系统需要调节的是几个主要的电气控制量，保证高压直流输电系统的稳定运行。
对高压直流控制系统进行精准有效的研究，包括其分层结构、定电流、定电压、定熄弧角等控制策略的配合等，不仅能控制直流输电系统本身使其更稳定可靠还能对所联交流系统进行控制。为交流系统的安全稳定高效运行提供便利条件。
因此仔细研究高压直流系统控制的分层结构、调节功能还有其在使用不同控制策略时对高压直流系统运行的调节作用，不仅对直流系统的稳定运行有利，还能提高与其相联的交流系统的安全快速可靠运行。因此对直流输电控制系统进行研究具有重要的意义。
高压直流输电系统的投入在带来各种优势的同时也引入了新的问题，换相失败就是逆变侧换流器所面临的最常见故障之一。某些情况下换相失败可以自行恢复，某些情况下换相失败不能自行恢复便会引发后继的换相失败，连续换相失败可能引起直流输电系统闭锁，导致直流传输功率中断，使得整个系统失去稳定，对电网的安全运行造成更大危害。因此研究引起直流输电系统发生换相失败的原因，判断系统发生换相失败的方法，特别找到一种可以减小发生换相失败的几率的方法对工程实际有这重要的意义。
由于实际高压直流输电系统直接应用于实际且结构复杂，而电力系统运行的稳定性及可靠性程度应精较高，不能在短时间内获取大量的实际电力系统中的数据进行实验分析、论证，但是电力系统仿真就可以在短时间内做到。
PSCAD/EMTDC是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，它可以进行电力系统时域或频域计算仿真，很好地对非线性换流器开关器件进行模拟，它即可以研究交直流电力系统问题，又是一种能完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能工具。特别是对于高压直流输电领域，其应用更是有针对性。因此PSCAD/EMTDC仿真平台上建立直流输电仿真模型并对其控制策略进行设计分析是非常有效的，也是很有必要的。
1.3 研究的主要内容
本文通过研究高压直流输电的换流技术，确定控制直流输电系统的几个关键控制量，分析控制特性、分层结构。在PSCAD/EMTDC仿真环境中针对控制系统中核心控制环节换流器触发控制建立仿真模型并通过控制器优化实验进行仿真验证。并在建立的模型中加入故障限流器，研究其对在故障时本论文的主要研究内容包括：
1）分析直流输电系统的原理接线图，其主要元件，建立直流输电系统的电路模型及其稳态数学模型。
2）基于高压直流输电基本原理及控制系统分层结构，研究高压直流输电控制.系统的主要控制方式，利用PSCAD仿真软件搭建CIGRE标准模型。
3）研究直流输电的控制系统的分层结构，分析各层之间的配合，利用PSCAD软件搭建CIGRE标准模型，在搭建的模型上，做控制器优化实验，验证控制方式在稳态运行时的的稳定性。
4）基于搭建的PSCAD模型，做暂态运行时的仿真，观察图形，证明控制系统对线路故障时的快速调节性。
5）研究直流输电系统的换相失败，包括影响因素，减小换相失败的措施。将超导故障限流器应用于直流输电系统中，搭建调试超导故障限流器的模型，研究其对换相失败的影响。
1.4 本章小结
本章主要介绍了直流输电的历史背景，包括国外直流输电的历史发展状况，我国直流输电的各项工程的大致状况及项目建设的意义。阐述了直流输电中控制系统的重要作用及对直流输电控制系统进行研究的重要意义。说明了电力系统的两种仿真方法，物理仿真和数字仿真。比较两种仿真方法的优缺点，说明选择数字仿真方法建立直流输电控制系统模型的适用性。另外还介绍了本课题研究的主要内容，包括搭建模型仿真验证等。
第2章 高压直流输电原理及换流技术
2.1 高压直流输电的基本结构
高压直流输电系统是由整流器、逆变器，两侧交流系统和直流输电线路组成的，图2-1为直流输电模型的基本结构[17]：
图2-1 高压直流输电系统基本结构
1、换流变压器 2、换流器 3、平波电抗器 4、控制系统
5、交流滤波器 6、直流滤波器 7、无功补偿装置
在高压直流输电工程中，把整流器称为整流站，逆变器称为逆变站，整流站和逆变站统一称为换流站。整流站的主要工作是将始端整流侧交流系统的交流电转换为直流电，而逆变器则是将直流输电系统中的直流电转换为受端所需的交流电。由上定义，换流器也可以分为整流器和逆变器两种类型，换流器则是由一个或几个换流桥通过串联或者并联的方式组成，而换流桥是由相关的电力电子器件晶闸管经过特定的结构连接而成的，因此它具有晶闸管的单向导通的性质，而换流器也主要是利用它的这一性质而实现了交直流间转换的功能，该换流桥又称为阀或者阀臂[18]。
上图2-1 HVDC结构中，送端交流系统经过直流输电系统和受端交流系统相连接。两端交流系统既可以是大规模的复杂交流系统，也可以只包含一台同步发电机的系统，它属于整个输电系统的电源部分，它是确保换流站正常工作的前提。高压直流输电系统的工作原理为：首先由送端输出交流电经过变压器送到整流器内，接着通过整流器把交流电变为直流电，然后把直流电通过输电线路输送到逆变器内，逆变器再将直流电逆变为交流电，接着经过变压器把交流功率送给受端，这样就完成了长距离和大容量的电能输送。两端直流输电系统一般有三种类型[19]，它们分别是单极系统（正极或者负极）、双极系统（正负两极）和背靠背直流系统。
高压直流输电过程中，经过换流站的整流之后，系统中会产生大量的谐波电流和谐波电压，因此我们为了减小这些谐波成分，一般情况下可以采用在每极和换流站的连接处串联电抗器的方式。它不仅能消除谐波，还可以避免系统出现直流电流发生断续的现象。
平波电抗器的电感值本文一般设置为0.4H左右，与每极串联有如下的作用：
(1)起到减少经过整流之后直流电流和直流电压中谐波分量的作用[20]；
(2)减小系统逆变侧发生换相失败的几率；
(3)避免直流电流发生不连续的现象。
直流输电控制系统通过换流器及换流变压器实现期望的功率传输和达到直流电压值，控制系统的关键用处就在于能够保证直流输电系统的安全、稳定运行。而整流侧和逆变侧的协制是整个控制系统的及其关键的一部分。在直流系统出现短时间的瞬时故障时控制系统主要通过调节换流器的触发角来控制电压电流的稳定，可使系统故障后快速恢复正常运行。控制部分是直流输电系统的大脑，保证系统安全可靠运行，是研究高压直流输电系统的重要研究内容。
2.2 换流器的工作原理
在高压直流输电模型中，换流器可以分为整流器和逆变器两类。整流器的主要功能是将交流转换为直流，而逆变器的主要功能则是将直流转换为交流，即换流器完成了供电和输电的电流转换过程，因此它在整个高压直流输电系统中起到了不可或缺的作用[21]。在系统的直流侧中，两个6脉动的换流器经过串联方式可以构成一个12脉动的换流器，而这两个换流器是经过并联接入交流系统中的。在变压器的接线方式中，它有星形接线和角形接线，而这两种接线方式使得这两个6脉动的换流器将会具有的相位差的相电压值。12脉动的换流器是有12个换流阀构成，它是通过用12个间隔为的触发脉冲来控制该12个换流阀的导通次序来进行工作的。从上述的12脉动的换流器结构来看，它是基于6脉动换流器的基础上改进而来的，而且经过它转换之后的直流电压质量也明显高于6脉动换流器的，而且也能起到改善谐波性能的作用，其所含的谐波分量更少，因此它比6脉动的换流器更具工程使用价值。
2.2.1 12脉动整流器的工作原理及工作状态
不管是12脉动还是6脉动换流器其工作基本原理都是依靠连接在整流侧和逆变侧的交流系统的短路电流来完成换相。
图2-2 12脉动换流器原理接线图
工作状态[22]：(1)“4-5”工况，是12脉动换流器的工作情况，也就相当于6脉动换流器的“2-3”工况，“2”表示换流桥中两个阀组导通，串联于直流线路中形成环流。“3”工况表示换相时换流桥中3个阀组同时导通与交流系统形成短路环流，完成换相过程。由此可知12脉动的“4-5”工况的就是两个换流器的“2”工况和“3”工况交替进行。此时换相角。
(2)“5-6”工况：“5”是12脉动换流器的两个阀组中只有一个阀组在换相，一个是三个阀导通，一个是两个阀导通。“6”工况是指两个阀组都处于换相过程，都有三个阀是导通的，此时两个换流桥有6个阀组是导通的。此时换相角为。时，就会一直有6个阀同时导通，这种情况是不允许长时间运行的。
一般情况下，都是运行在“4-5”工况的，的情况值出现在换流器负荷过大或有过低的交流电压的时候。
下面只对“4-5”工况的具体导通过程进行理论分析，12个阀臂的开关顺序如表2-1所示。
表2-1 12脉动整流器阀组开通顺序表
| 时间段 | 4个阀臂的导通 | 5个阀臂的导通 |
| Ⅰ | VT11、VT12、VT21、VT22 | VT11、VT12、VT21、VT22、VT13 |
| Ⅱ | VT12、VT21、VT22、VT13 | VT12、VT21、VT22、VT13、VT23 |
| Ⅲ | VT21、VT22、VT13、VT23 | VT21、VT22、VT13、VT23、VT14 |
| Ⅳ | VT22、VT13、VT23、VT14 | VT22、VT13、VT23、VT14、VT24 |
| Ⅴ | VT13、VT23、VT14、VT24 | VT13、VT23、VT14、VT24、VT15 |
| Ⅵ | VT23、VT14、VT24、VT15 | VT23、VT14、VT24、VT15、VT25 |
| Ⅶ | VT14、VT24、VT15、VT25 | VT14、VT24、VT15、VT25、VT16 |
| Ⅷ | VT24、VT15、VT25、VT16 | VT24、VT15、VT25、VT16、VT26 |
| Ⅸ | VT15、VT25、VT16、VT26 | VT15、VT25、VT16、VT26、VT11 |
| Ⅹ | VT25、VT16、VT26、VT11 | VT25、VT16、VT26、VT11、VT21 |
| Ⅺ | VT16、VT26、VT11、VT21 | VT16、VT26、VT11、VT21、VT12 |
| Ⅻ | VT26、VT11、VT21、VT12 | VT26、VT11、VT21、VT12、VT22 |
1、VT11、VT12、VT21、VT22导通阶段
以上是四个阀开通，直流电流流过直流线路、四个阀臂和交流线路形成闭合回路，因此这种情况对应“4-5”工况中的“4”状态。换流变变比设为如下数值，交流电流可表示为式（2-1）～（2-4）
型换流变变比：
型换流变变比：
1）型换流变网侧和阀侧电流：
| （2-1） |
| （2-2） |
| （2-3） |
| （2-4） |
2、P13时刻
P13为VT13的触发信号，是阀VT13阴阳极电极之间的电位差，电位差的值应该大于0，这是达到晶闸管阀导通的条件，阀臂VT13开通，形成VT11、VT12、VT21、VT22、VT13同时导通，此乃工况“4-5”之“5”状态。
3、VT11、VT12、VT21、VT22、VT13导通阶段
图2-3 12脉动换流器短路电流
从对应电路图2-3可知，交流系统的两相短路电流是由12脉动整流器桥1的上半桥中阀臂VT11和VT13、及交流系统的相联的环路生成的，是换流变压器。假设是这个环路里的短路电流，如图，电流方向为箭头所指方向，则型变压器交流系统侧和换流器侧电流表达式为：
| （2-5） |
| （2-6） |
| （2-7） |
| （2-8） |
| （2-9） |
| （2-10） |
桥1换相时，其整流电压如图 2-4 中的小齿部分，表达式为
| （2-11） |
4、VT12、VT21、VT22、VT13导通阶段
VT11向 VT13换相过程完成时，VT11上的电流变为零，使VT11不导通，只有 VT12、VT21、VT22、和VT13有电流流过。桥 1 的整流电压，桥2的整流电压也是，则双桥整流器的整流电压变为两桥电压之和，这期间正是”4-5”工况的“4”运行阶段。
根据以上对换相过程的描述，12脉动的“4-5”工况时与“2-3”工况的整流电压波形一样，这里要注意，12脉动的电压波形其实是单桥的电压波形。
如图中所示桥1和桥2的整流电压波形有的电角度差，这是因为换流变压器和的连接组别不同而引起在两个单桥的换相电压之间产生的角度差这样12 脉动整流器的直流电压波形为两个单桥整流电压波形的叠加，如图2-4所示。
图2-4 双桥整流器直流电压波形图
相关计算[23-24]：
1）型换流变压器阀侧电流、网侧电流和型换流变压器阀侧a相电流傅里叶级数展开式：
| （2-12） |
| （2-13） |
| （2-14） |
（a）~（c）不计及换向过程（d）计及换向过程
图2-5 12脉动整流器交流电流波形
由以上电流计算公式可以得到以下结论：
1）换流变压器换流阀一侧和交流电网一侧的电流中均次谐波（k为自然数），即含有5，7，11，13，17，19，23，25等次谐波，这些谐波电流的有效值为
| （2-15） |
| （2-16） |
由于换流变压器交流电网侧的电流中次谐波电流的大小相等，极性相反，所以双桥整流器交流电流中谐波大量的减少，见式（2-12）和式（2-13）
这样也就使得谐波电流只在和两台换流变压器之间环流，不会进入交流系统。
2、直流电压值计算公式
12脉动整流器一个桥在“4-5”工况时的波形与6脉动整流器在“2-3”工况相同，因此12脉动整流器的电压即为6脉动整流电压乘以2，即双桥整流器整流电压平均值表达式是
| （2-17） | ||
| （2-18） | ||
| （2-19） |
| （2-20） |
2.2.2 12脉动逆变器的工作原理及工作状态
逆变器是将直流电转换为交流电的换流设备。目前直流输电工程所用的逆变器大部分为有源逆变器，有源逆变就是逆变器与交流系统相联，交流系统提供给逆变器电压电流用于换相，即受端交流系统必须有交流电源。12脉动逆变器与整流器时对称的也是由两个6脉动换流器串联，通过换流变与交流系统并联而形成。与由于双桥逆变器的触发角在之间，所以有将直流电流变为交流电流的作用。但是其过程与双桥整流器相似，谐波电流也与整流侧一样。
这里我们只说明一下12脉动整流器和逆变器不一样的特性。
1）如果要完成逆变，12脉动逆变器要以一下几点为前提才能工作：
（1）提供换向电压的有源交流系统；
（2）一个反极性的直流电源以提供连续的单相（即通过开关器件从阳极流向阴极）电流。
（3）一个提供触发延迟超过的全控整流。
2）双桥逆变器直流电压值
（1）以表示的直流电压公式
| （2-21） |
（2）以表示的直流电压公式
| （2-22） |
由以上的理论分析可知，大部分直流输电工程都采用12脉动换流器换流是因为其有一下两个原因：
（1）减少直流电压中的谐波，12脉动换流器中有12k次的谐波电压，6脉动换流器中有6(2k+1)次的谐波电压。两种谐波电压可以相互抵消、消除谐波。提高了直流电压的性能。
（2）减少交流电中的谐波电流，与12脉动换流器相联的交流系统中由于换流器的非线性运行使得交流电流中有次的谐波，与6脉动换流器相联的交流电流中有次的谐波，两种谐波相互抵消后剩下的谐波在两个变压器回路间环流不流进交流电网，所以与12脉动直流系统相联的交流系统的交流电流谐波少。
2.3 换流器的稳态数学模型
由于在运行过程中不断变换阀的导通状态，换流器是一个典型的时变电路，因此要对其任何工作状态都建立数学模型是不现实的，目前只能在理想条件下对换流器的稳定运行工况进行建模并导出其解析表达式。本小节所描述换流器的数学模型仅针对交流侧的基波分量和直流侧的直流分量，没有包括谐波分量的表达式[25]。
图2-6 直流输电换流器等效计算电路
稳态数学模型有3个输入变量，5个输出变量，其输入输出关系如图
图2-7 换流器稳态数学模型的输入输出关系
由图2-7可知实际运行时，换流器的数学稳态模型中有4个是角度变量，其中描述运行状态的两个量是，换相重叠角和熄弧角，熄弧角是判断换流器运行时是否会发生换相失败的唯一特征量。触发延迟角或越前触发角是直流输电控制系统需要控制的两个量。
换流器稳态模型的建立是在以下几个假设条件下进行的：
(1)在逆变器和整流器处的交流系统包含对称阻抗后的完全正弦的、频率不变的对称电压源。这就要求滤波器的作用使得换流系统所产生的所有谐波电流和电压不会进入交流系统。
(2)换流变压器不饱和；
(3)直流电流是平直的，不含波纹电流；
为换流站交流母线电压也即换相电压，取换流变压器的漏抗作为时的换相电抗。
已知输入变量为、和，求3组输出变量、直流侧变量已经在上一节介绍。、换向角和关断角两个换流器的运行特征变量。、基波有功功率和基波无功功率交流侧变量。
图2-8 换流器等效电路
换流器运行特征向量的计算公式为：
| （2-23） | ||
| （2-24） |
| （2-25） | ||
| （2-26） |
2.4 本章小结
本章主要介绍了高压直流输电系统的主要元件及其作用，分析了12脉动换流器的主要工作原理及其工作状态，特别说明了12脉动整流器的一般工作状态4-5工况的换流阀开通顺序，给出了其电压电流的计算方法。建立了直流输电系统中的非线性元件即换流器的数学模型，为以下控制量的选择提供依据。
第3章 高压直流输电控制系统
为了能实现在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建高压直流输电控制系统模型并进行电磁暂态仿真研究的目的，有必要对直流输电控制系统的工作原理、基本结构、控制特性、及各项控制功能进行详细分析。掌握高压直流控制的核心控制环节对进行直流系统动态行为的仿真验证有重要意义。
3.1 高压直流输电控制系统的功能
在典型的连接交流系统的直流输电系统中，直流控制的主要功能是[26]：
1）两端之间的潮流控制；
2）保护设备免受由故障产生的过电压过电流；
3）在直流系统的任何运行方式下稳定所连接的交流系统；
直流系统的两端都有其单独的就地控制器。调度中心会向其中的一端发送功率发送指令，这一端就起到“主控制器”的作用，主控制器具有协调整个直流系统控制功能的职责。除了主要功能之外，还希望直流控制具有以下特性：
1）最大直流电流 考虑到晶闸管管阀承受过电流的热惯性较小，最大直流电流一般在1.2pu以下，并持续限定的一段时间。
2）输电过程中维持最大直流电压 这样可以降低输电损耗，并使阀的容量和绝缘得到优化。
3）使无功消耗最少 这意味着换流器必须运行在最小触发角下。一般情况下换流器将消耗其额定容量值50%~60%的无功功率。这个数量的无功功率占到换流站成本的15%，并消耗其功率损耗的约10%。
4）其他特性 如控制孤立系统给出的频率以加强输电系统的稳定特性。
除了上速期望得到的特性之外，直流控制必须能够满足直流系统给出的稳态和动态要求
表3-1 对直流系统的要求
| 稳态要求 | 动态要求 |
| 非特征谐波的产生 | 直流电流或直流功率的阶跃变化 |
| 保持被控制变量的精度，即直流电流或恒定的关断角 | 启动或故障引起的暂态过程 |
| 克服由于网络拓扑改变引起的交流系统阻抗的正常变化 | 潮流反转 |
| 所连接的交流系统的频率变化 |
图3-1是一个两端直流输电系统，直流线路采用电感L和线路电阻R来表示，电感L的值包含了两端平波电抗器和直流线路上的电感，而R包含了两端平波电抗器电阻值和直流线路电阻值。
图3-1 两端直流输电系统
根据欧姆定律，图中直流系统中的直流电流可由下式表示：
| （3-1） |
图3-2 高压直流输电系统等效电路图
| 整流侧： | （3-2） |
| 逆变侧或 | （3-3） |
| 或者 | （3-4） |
| （3-5） |
1）改变整流器的角。由于是电子型控制，它的速度特别快，可以在半个周波内完成（8~10ms）。
2）调节逆变器的或角。这也是电子型控制，速度快，可以在半个周期内完成。
3）通过调节换流变压器的分接头来调节整流侧的交流电压。这个过程比较缓慢，通常需要数十秒的时间。
4）通过调节换流变压器的分接头来调节逆变侧的交流电压。这个过程比较缓慢，通常需要数十秒的时间。
控制策略的选择应该保证直流系统能够响应快速且稳定地运行，同时能够使所产生的谐波、所消耗的无功功率以及输电引起的损耗最小。整流器角和逆变器角是通过调节加到换流阀控制级的触发脉冲相位来实现的。直流输电的主要控制方式就是换流器触发角控制和换流变压器分接头控制相互配合。开始时应用换流器角度控制以保证速度，之后用分接头调节将换流器控制角恢复到正常范围。
3.2 直流输电系统的基本控制方式及控制特性
图3-3 换流器触发控制特性
3.2.1 整流器控制特性
（1）整流小侧的最小角特性
由换流器的数学模型可知
| （3-6） |
（2）定电流特性
定电流控制，就是为保证直流输电系统稳定工况而保持极线电流为整定值的一种控制方式。依据对电流的整定来协调直流输送功率完成直流功率控制，使交流系统的运行性能良好。当系统出现故障时，电流控制可以在非常短的时间内故障电流的激增，保护好换流设备。所以直流输电控制系统控制性能的优良主要看直流电流控制器的稳态和暂态性能。
一般情况下，换流器的电流不能超过，是由于换流阀的热惯性使得其不能承受超过额定电流太多的大电流。定电流特性在图中是直线BC，途中也给出了其运行区域。
（3）VDCOL特性[27-28]
VDCOL特性是用来修正控制策略以提高系统受扰动时的稳定性。因为某种扰动而使与整流站相联的交流系统电压或直流电压降低到某一时，由于交流系统要要保持直流系统的输电功率不变，需要采用低压限流控制特性，此特性描述了是直流电压随着直流电流的变化，还有一种特性是在某些情况下描述交流电压和直流电流的曲线关系的。如图中的LC为整流侧的VDCOL特性。
（4）最小电流特性
这个特性的典型值为0.2~0.3pu，用以保证直流电流有一个最小值，如果晶闸管中的电流低于其限定的最小值可能导致直流电流不连续，此现象在谐波叠加在较小的直流电流上时可能瞬时出现。这种电流中断会引起阀上出现极高的过电压。最小直流电流的受所用平波电抗器的大小的影响。
3.2.2 逆变器的控制特性
（1）定熄弧角运行特性[29]
熄弧角即阀的关断角，如换向过程从（触发延迟角）时开始，到时结束，为熄弧角。交流换相电压从负变正过零点就决定了角的终点。逆变器最常用的一种控制方式就是定熄弧角控制。角是判断逆变器是否发生换相失败的唯一标准，也是保证逆变器不发生换向失败的控制量。工程上规定一般为，保证最小熄弧角。
| （3-7） | ||
| （3-8） |
| （3-9） |
（2）定电流特性
逆变器的定电流特性可由图中直线HG表示。交点P为整理器与逆变器运行曲线的交点，同时整流器和逆变器的交点只能有一个才能保证直流系统稳定运行。为了达到这样的效果即必须在有一个电流裕度的设定，这个裕度是整流侧和逆变侧电流之间的电流裕度。
当整流侧直流电压跌落的很大或逆变侧直流电压升高很大时，整流侧的最小触发角控制启动，此时逆变侧应该把其定电流特性加入系统中，否则一般情况下不启用定电流控制器。
（3）逆变器的运行时的最小角模式
通常逆变器是不允许在整流区域运行的，即使是暂态情况下也不例外。比如因为大意而使得电流裕度正负发生变化造逆变器进入整流运行状态，这种情况是一定不可以发生的。直线FG是逆变器的最小角特性曲线。最小角一般在，采用最小角的目的除了防止逆变器进入到整流器运行模式，此外这个值还能为逆变器的启动提供一个直流电压，这个直流电压能使逆变器快速启动。
（4）电流偏差区域
逆变侧所要求的电流通常比整流器所要求的电流小一个电流裕度，通常为0.1pu。如果不设置，因为存在谐波电流HG整流侧的定电流控制特性和BC逆变侧的定电流特性就会相互叠加，因此的设置就是电流裕度的设置，称为电流裕度法。在特性曲线上的区域就是电流偏差区域。
当逆变器接与弱交流系统运行时，定关断角（CEA）特性曲线H′R倾斜过大，其延长线可能会与整流器的定触发角控制曲线有一个以上交点。为了不发生这种有多个运行点的情形，所以逆变器的CEA特性在电流变差区域要么被修正为定角特性H〞P要么被修正为定电压特性HP。
（5）低压限流控制
逆变侧的低压限流环节都是为了配合整流侧的低压限流环节的，包括电压定值、电流定值、时间常数上的配置都是需要和整流侧相配合的。图中LC为逆变侧的低压限流控制。
（6）最大触发角
因为，所以角的大小与逆变器是否发生换向失败也是有关的。角过大可能会引起换向失败，对超前触发角进行是有必要的，因此要设置其最大变化范围，一般规定为150°～160°之间。
3.2.3 直流输电系统控制方式切换逻辑
由以上对控制特性的分析，直流输电系统的主要控制方式有三种:
表3-1 直流输电系统的切换方式
控制方式
| 换流器 | CG方式 | AC方式 | AG方式 |
| 整流侧 | 定电流控制 | 定电流控制 | 定触发角控制 |
| 逆变侧 | 定熄弧角或定电压控制 | 定触发角控制 | 定关断角控制 |
（1）当时，采用CG方式；否则说明，整流侧不再有电流调节的欲度，进入AC方式。
（2）设电流整定值为，逆变侧预留整定值欲度为。当直流电流时，采用CG方式；当时，采用AG过渡方式；而当时，采用AC方式。
（3）当直流电流时，采用CG方式；当时，采用AG过渡方式；当时，采用AC方式。
3.3 高压直流输电系统的分层结构
为使高直流输电系统运行安全、维护方便、操作灵活进而不危及设备的安全将其分层控制，分层控制包括换流站和直流线路的所有控制功能。这样可以减小每一个控制层发生故障对另一层产生的影响，避免发生更大的故障。
图3-4 直流级控制系统分层结构
高压直流输电控制系统通常被分为双极控制级、极控制级、阀组控制级3个层次[30]。如图3-3所示双极控制确定电流指令，并提供协调的电流指令给极控制。极控制主要的控制对象就是换流桥。从电流控制器到触发角控制的切换、分接头控制和一定的保护序列式由极控制来处理的。阀组控制确定一个换流桥内阀的触发时刻，并确定和极限。
3.4 双极控制级控制功能
双极控制级也即为主控制级是控制系统的最高控制等级，也就是控制两个极的控制层次。双极控制层根据从换流站运行人员那里接收指令的形式来控制双极的运行，包括控制双极的功率定值、传输方向、平衡两极的电流、控制换流站无功功率和电流母线电压等。
如图3-2双极控制包括以下三个模块。第一个模块接收功率指令（Pset），这个指令是从换流站的现场人员控制中心发出的。第二个模块是调度控制和快速功率变化控制，第三个模块是电流指令计算模块，这个电流指令就是直流电流的期望值，得到的电流指令就是双极控制系统的输出，输出到极控制系统。
为双极控制系统从上一层也就是运行人员那里的来的功率指令值，为避免系统在功率期望值突变时受到冲击，要使先经过一个变化率器，然后加入到功率调制和快速功率变化控制环节。得出的值要输入到一个最大值最小值环节。这样得出的值除以就得到了极控制系统的输入量即直流电流指令值。
直流功率调制和分配各个直流回路的功率以使得系统的功率在额定范围内运行，平衡正负极电压并调制无功功率等。如果是交直流并列系统，功率调制能够提高交流系统机电振荡阻尼。如果是用于连接两个非同步电网的背靠背换流站，功率调制参与两个交流系统的调频。
功率升高和功率下降都是快速功率变化模块需要控制的情况，主要用于两端交流系统紧急功率支援。
图3-5 直流输电双极控制功能框图
根据给定的功率指令计算直流电流指令是直流输电双极控制级的一个重要任务，在一般运行情况下，直流电流指令值等于双极功率比双极电压。其模块框图如图3-5虚线框内，为了使直流电流指令平滑变化，需要使得先输入到一个阶惯性环节这样就不会随着突然变化而变化。为了避免交流电压或直流电压为零或过低的情况下除零问题在惯性环节之后加一个逻辑选择器，当出现电压过低情况时，逻辑选择器就选择双极电压标称值来除功率指令值以得到想要的电流指令值。典型的逻辑选择如下：当下降到低于0.7时选择，只有当上升到高于0.85时才重新选择，即选择逻辑带有时滞特性。
图3-5 直流输电双极控制功能框图
3.5 极控制级控制功能
直流输电系统的控制和调节功能主要通过换流站里的交、直流站控和极控等控制系统来实现，其中极控制系统是换流站的控制核心，在整流站和逆变站的集控系统协制下，控制直流系统的电流和电压来完成直流系统的调节和控制任务，实现减小直流系统量的扰动；控制直流电流的最大值，预防换流器过载；最小直流电流，防止电流的不连续引起的电压过大；尽量避免逆变器发生换向失败；减小换流器无功消耗；维持正常运行时直流电压在额定范围内等目的。极控系统一般由直流功率/电流控制、定电流控制、定电压控制、定熄弧角控制、电流平衡控制、电流裕度补偿控制、极间功率转移控制、过负荷控制、暂态稳定控制（包括功率回降、功率提升、频率控制、双频调制等控制）、变压器分接头控制等十几个环节组成，核心控制器是由定电流控制器、定电压控制器和定熄弧角控制器三个基本控制器组成的。
在实际运行中，整流站和逆变站的启动控制器不同，虽然两个站的控制器配备的是一样的。但是其参数都是不同的，从而可以实现期望的特性。为在任何一种状态下都满足直流系统的运行稳定，还有对触发角幅度的的，所以最基本的极控系统应该具有下面几个控制器：
图3-6 极控制级功能框图
3.5.1 低电压限电流环节VDCOL
VDCOL 是某些故障情况下，当直流电压低于某一值时，自动降低直流电流调节器的电流整定值，待直流电压恢复后，又自动恢复电流整定值的控制功能。VDCOL由交流电压启动和直流电压启动两种方式。如果只想减小无功的消耗，可以用交流电压启动的VDCOL特性，但很有可能在直流故障时不启动。但是运行时我们需要在交流电压跌落和直流故障时VDCOL特性都能启动，此时能有效电流指令值。因此由直流电压启动的VDCOL特性在长距离直流输电工程中应用更广泛。
图3-7 直流电压启动的VDCOL特性
低压限流控制主要有一下作用[31-32]：
（1）减小换向失败发生的可能性；
当逆变侧的交流系统发生故障时，交流电压会大幅度的下降，此时没有达到晶闸管的开断条件，如果没有VDCOL控制器逆变器将会发生换向失败并且不会自行消除。加入VDCOL特性是为了改进整流器和逆变器的控制特性，使其在发生电压过低时电力的大小，晶闸管能够正常导通，就不会发生换向失败。
（2）降低直流功率同时减少对交流系统无功的需求；
如果换流器的电压下降幅度过大，甚至超过30%，远距离换流器的无功需求将增加，这对交流系统是没有好处的。远端的或必须更高以控制电流，因而引起无功功率的增加。交流电压的降低将显著地减小滤波器和电容器所提供的无功功率，无功功率很多都是由滤波器和电容器提供给换流器的。因此，直流输电系统中加入VDCOL控制能够减少换流器对无功的需求。
（3）VDCOL控制帮助交流系统电压的稳定恢复：
在交流系统发生不大的波动或波动去除后使系统恢复稳定。在发生故障后，VDCOL控制准备好使直流系统的快速恢复正常运行的有利条件。这里有一点说明，针对弱的交流系统，必须要等交流电压恢复到额定值了其输送功率才能恢复，否则换流器对于无功的需求太大，影响交流电压的恢复。
VDCOL控制器的使用都需要设定不同的时间常数以使得电流指令值能够平稳的变化。一般情况下，VDCOL启动的时间常数都比退出时的时间常数小。典型值对于整流器启动的时间常数是10ms，退出为40ms;逆变侧加入时间是10ms退出为70ms。在图3-7中，根据直流电压时上升还是下降，T取不同的值。VDCOL启动电压是线路上的哪一点的电压是由即复合电阻决定的
图3-8 典型的VDCOL模型
通过分析系统在扰动或故障条件下的运行特性，可以确定低压限流控制特性曲线上的各个拐点的坐标，及其启动和退出的时间。由以上分析可知，低电压限电流特性能有效改善因为交流系统的故障而引起的直流系统运行不正常运行的情况，使电压的恢复特性良好。
3.5.2 电流偏差控制
为了使系统在发生扰动或故障时，逆变侧的熄弧角控制和定电流控制可以稳定转换，需要在控制系统中加入电流偏差控制器，控制器结构如图3-8所示。
图3-9 电流偏差控制器
在逆变侧的换相电抗大于整流侧的换相电抗的系统中，此时若发生整流逆变两侧都失去对的控制，就会使得直流电流无稳定运行点。在系统中加入电流偏差控制器就可以避免发生这种情况当实际电流小于整流侧电流整定值时提高关断角的整定值来达到预期的稳定运行时电流偏差控制器的基本原理。一般情况下，1A的电流偏差值提高的关断角的值。
3.5.3 定电流控制器
定电流控制器是极控制系统广泛应用。基本原理是将直流电流互感器测得的实际直流电流与整定值进行比较，当出现偏差时，就改变触发角，以减少或消除电流偏差。定电流控制的主要任务是控制换流器的触发角，维持直流电流为恒定值。
在整流侧，定电流控制器的输入实际电流与电流参考值的偏差，将这个偏差输入到PI调节器中其输出就是触发角信号，通常该输出就直接作为触发延迟角的指令值。在逆变侧，定电流控制器的整定值通常比整流侧小一个电流裕额，正常情况下，实际电流要大于逆变侧的电流参考值，所以逆变侧的定电流控制器会调节直流电流使其减小，所以角通常到最大值，从而定电流控制器的输出一直被排除在外。
图3-10 定电流控制器及其典型参数
图中，KI的典型值为，KP的典型值为，绝大多数高压直流工程所采用的电流裕度都是0.1pu，对这个值得要求是选择的不能太小，这样可以避免调节方式的经常转换，但同时也不能太大，太大可能造成功率损失过大超出交流系统的承受范围。
3.5.4 定关断角控制器
定关断角控制[33-34]即限定熄弧角小于一个值，这个值主要确保能够在此时间段内使晶闸管关断，还有留有一定的裕度。定关断角控制逆变侧的主要控制方式，可以使换向失败发生的次数变少，确保逆变器稳定运行。熄弧角值的设定不能太大，这样可以提高逆变器的功率因数。要想使系统运行在定熄弧角运行特性上，就要将熄弧角控制器装设于逆变侧。
控制熄弧角的方式按原理可分为预测控制和实测控制两类。实测行定熄弧角控制与定电流控制相似，是采用负反馈控制来实现的。将熄弧角的实测值与整定值进行比较，把误差经放大处理后送到相位控制电路，使触发角改变以减小或消除偏差，原理如图3-10，其中KI的典型值为，KP的典型值为。
图3-11 实测型定关断角控制器
按照公式
| （3-10） |
| （3-11） |
图3-10 预测型定角控制器
3.5.5 定电压控制器
定电压控制器与定电流控制器的唯一不同是输入信号不同，定电压控制器输入的是电压信号，其主要任务就是稳定直流电压，其控制特性为一水平线。
整流侧的定电压控制器是一种动态限值控制。在额定运行状态下，电压控制器不启动。但是一些特别的情况时，比如因为直流线路断开使得直流电压升高太，整流侧的定电压控制器就要启动加入调节控制，通过控制器输出的控制信号增大触发角，从而避免电压过大。定电压控制器的整定值一般为1.05p.u~1.1p.u，略高于额定直流电压值。
图3-12 定电压控制器
3.6 换流阀控制级
换流阀控制，即阀和晶闸管单元的控制。此控制层的输入信号是一个触发脉冲来自于上级控制层即极控制，这个脉冲控制换流桥中晶闸管的开断，也就是决定换流器中晶闸管的触发时刻。这一控制级还有监视、测量、控制换流阀基本单元即晶闸管的工作情况，如有异常会发出图像或声音报警信号等。阀组控制是控制系统分层结构中最低一级的控制层，它的响应速度是最快的。
下面来简单介绍一下阀组控制的控制器结构，其中有变压器分接头控制和换向失败控制。这两个控制器都是的，互相不产生影响。
换流变压器控制对电压的调节没有触发角控制对电压的调节快，响应时间时间大数百毫秒。因为本身调节变压器分接头就是一个很慢的动作。这个控制器通过对变压器分接头的调节来控制电压，从而可以触发角在规定范围内。角度保持规范，换流器消耗的无功就不会大，所以换流变压器分接头控制是阀组控制系统的重要一环。
通过监测交直流电流，换相电压可以知道换流器是否会发生换相失败，换向失败控制器就是具有这种功能的一种控制其。除了监测以上三个量之外，换向失败控制器还可以跟踪触发角的变化，有助于发生换向失败后系统的快速恢复。
3.7 本章小结
本章首先阐明了直流输电控制系统的基本原理，根据基本原理研究控制直流系统的基本控制量，分析整流和逆变的基本控制特性和直流输电控制系统的分层结构。详细介绍了直流输电分层结构中的各个典型控制器的组成及功能，特别是极控制功能的控制结构。根据高压直流输电控制系统分层结构的分析可知，极控制层主要控制换流器是高压直流输电控制系统的核心控制环节。为接下来建立直流输电极控制系统的仿真模型奠定理论基础。
第4章 直流输电控制系统仿真建模
4.1 在PSCAD仿真平台上建立特高压直流输电系统模型
图4-1 高压直流输电仿真模型图
图4-2 直流输电控制系统极控制总体框图
本仿真模型的参数是参照CIGRE标准模型[35-36]经过调试建立的，极控制层是直流输电控制系统分层结构中最关键的一环，且其中控制方式复杂多变。所以这里我们只对极控制系统的各个控制器进行搭建模型，对于双极控制和阀组控制不做详细分析，阀控制系统直接将软件自带的模型加入其中。极控制系统的基本控制方式是整流侧定电流控制和最小触发角控制；逆变侧配有定电流控制和定关断角控制，这里建立的控制系统模型只是控制系统分层结构中的极控制系统，双极控制在这里没有模拟。没有加入定电压控制，另外整流逆变侧都加入了VDCOL控制，逆变侧加入电流偏差控制。极控制系统的控制器的总体框图如图4-2所示。
图4-3 极控制系统控制器详细框图
从图中4-2和4-3可以看出，直流输电控制系统的输入量有从双极控制层传来的整流侧电流整定值信号，从直流测量系统得到的整流侧直流电流、逆变侧直流电流、逆变侧直流电压，以及逆变侧关断角；直流控制系统的控制输出量为整流侧触发角和逆变侧触发角。
4.2 控制器结构
以下对整个控制系统各个控制器的结构做详细分析。
1、测量环节
测量环节用来模拟电流和电压的测量过程[37-38]，测量环节用一个一阶惯性环节来模拟。惯性时间常数T反映设备的响应速度，增益G将电流和电压的实际值变换为无量纲的标幺值。本系统的单极额定直流电压为500KV，直流功率为1000MW，单极直流电流为2kA。电流电压的惯性时间常数T分别为0.0012s和0.02s，增益为0.5和0.002.
2、补偿电阻RV
图4-4 补偿电阻RV
本测试系统的控制特性要求基于线路中点的电压和电流值，为了得到线路中点的电压，引入补偿电阻RV，再根据逆变侧电流和电压来计算电路中的电压。
3、VDCOL控制特性
本系统的VDCOL控制框图如图。VDCOL的输出是整流侧的电流整定值。而逆变侧的电流整定值比整流侧的电流整定值小10%。本系统未投入与退出的时间，因此投入与退出都是瞬时完成的。
图4-5 模型中的VDCLO结构图及U-I曲线
4、电流偏差控制
电流偏差控制用来在逆变侧定关断角控制和定电流控制之间进行平滑过渡，避免控制方式的不确定与来回摆动。其输入为整流侧的电流整定值与实际电流的偏差，输出为定控制的角增量。在正常工况小本环节不起作用。
图4-6 电流偏差控制框图及特性曲线
5、整流侧定电流控制
整流侧的定电流控器采用PI控制，PI控制器的结构如图。PI控制器的输出为超前触发角，它与触发角的关系为。整流侧定电流控制器的详细框图如图所示，超前触发角在30-175 触发角的最小值就在5度。本控制采用PI控制，PI 控制器的输出为触发超前角𝛽，PI环节参数为：
K=1.09 T=0.01092 =3.05 =0.52
图4-7 PI控制环节框图
图4-8 整流侧定电流控制结构
6、逆变侧定电流控制
图4-9 逆变侧定电流控制结构
逆变侧定电流控制也采用PI控制，其输出为触发超前角PI参数为：
K=0.63 T=0.0544 =1.92 =0.52。
7、逆变侧定关断角控制
图4-10 逆变侧定电流关断角控制结构
8、逆变侧的控制模式选择
定电流控制器与定关断角控制器的输出都是角，但在任何时刻两个控制器的输出只有一个被选中，根据逆变器运行的特点，对两个控制器输出的角进行取大选择是合理的，如图所示。根据，从而得到逆变侧触发角延迟角。
图4-11 逆变侧的控制模式选择
4.3 控制器优化试验
稳态运行时，此HVDC系统有两个控制器工作：整流侧是电流控制器；逆变侧是电流控制器或角控制器。
在进行任何动态试验之前，这三个控制器要进行优化，首先单独优化，然后整体优化，以使整个系统能够获得满意的暂态性能。优化的目的是为三个PI控制器选择增益系数以及。对于这个优化过程采用以下实验。
4.3.1 电流指令的阶跃变化
（1）整流器电流指令值做10%的负阶跃变化
将电流整定值做-0.1个标幺值阶跃变化，t=0时，电流参考值为1.0pu。可以测试整流侧电流控制器的性能，为更有效的研究整流侧电流控制器的性能而不受逆变侧电流控制器的影响，电流欲度暂时设置成0.2pu（既大于0.1pu的欲度）阶跃变化在0.4s时加入并持续0.2s。如图2-1响应曲线变化平稳而且性能优良。仿真试验得到的曲线可以看出电流参考值发生变化，整流侧和逆变侧的直流电流能够跟着很好的平稳变化。可以注意到整流侧和逆变侧直流电流的谐波存在微小差异，这是直流线路和直流滤波器的特性引起的。图2-1也给出了直流侧和逆变侧的直流电压直流电压基本保持恒定，因为它是由逆变器的角控制器控制的，同样也能观察到两侧直流电压的谐波存在微小差异。整流侧的指令值同样显示出随电流的阶跃变化，从约20o -30 o。最终稳定在22 o左右，此时对于0.9pu的电力指令。逆变侧的指令信号（稳定在140o左右）表明逆变侧的电流控制器在控制逆变侧电流方面没有起作用，而是由角控制器控制逆变侧的电压。
| 图4-12（a）整流侧定电流控制电流指令 | 图4-12（b）有10%阶跃变化的电流指令 | |
图4-12（c）整流侧直流电流图4-5 | 图4-12（d）整流侧直流电压 | |
图4-12（e）逆变侧直流电流图 | 4-12（f）逆变侧直流电压 | |
图4-12（g）整流侧指令值 | 图4-12（h）逆变侧指令值 | |
图4-12（i）逆变侧测量值 | ||
为测试逆变侧电流控制器的性能，首先将整流侧的交流电源电压降低约5%，迫使整流侧控制器以角最小值运行（约9o这样就可以只研究逆变侧电流控制器的性能而不受整流侧电流控制器的影响。考虑到0.1pu的电流裕度。实际的电路指令为0.9pu。0.4s时，在逆变侧的电流指令值上做5%的阶跃变化如图4-6（b），可见，阶跃响应稳定且控制性能良好，响应时间约为80ms。仿真试验得到的曲线可以看出电流参考值发生变化，整流侧和逆变侧的直流电流能够跟着很好的平稳变化。如图4-6所示。图中也给出了整流侧和逆变侧的直流电压，它们基本上在约1.1pu处保持恒定，因为整流侧的指令被在最小值9 o。这样，逆变侧的电流控制器就控制了直流系统的电流。
| 图4-13（a）逆变器电流指令值 | 图4-13（b）逆变侧5%阶跃的电流指令值图 | ||
图4-13（c）整流侧直流电流 | 图4-13（d）逆变侧直流电流 | ||
图4-13（e）整流侧电压 | 图4-13（f）逆变侧电压 | ||
图4-13（g）整流侧指令值 | 图4-13（h）逆变侧指令值 | ||
图4-13（i）逆变侧测量值 | |||
1）逆变器角指令做的阶跃变化
为测试逆变侧角控制的性能，在角参考值上做的阶跃变化，即在1s时将角从初始值增加到，仿真中输入的是0.2618弧度制，增加0.0436，1.3s时从恢复到。如图4-7所示。可见，响应稳定且具有良好的控制性能，响应时间为50ms，由于角增大，整流侧和逆变侧的直流电压都下降，此外，还能够看到短时间的直流电流变大的情况，作为控制量，提升整流侧的整定值以保证直流系统电流不变。
| 图4-14（a）整流侧电流测量值 | 图4-14（b）整流侧电压测量值 |
图4-14（c）逆变侧电流测量值图 | 4-14（d）逆变侧电压测量值 |
图4-14（e）整流侧指令值 | 图4-14（f）逆变侧指令值 |
图4-14（f）逆变侧指令值和测量值 | |
4.4.1 逆变侧1个周波单相故障（单次换相失败）
通过在逆变侧交流母线上施加一个持续时间为1个周波的单相故障，来模拟逆变器的换向失败，如图4-8所示。所引起的换向失败使得直流平波电抗器和换流变压器阻抗的。此故障引起VDCOL动态部分动作，并将直流电流到最小值.直流电流回归平稳几乎在故障消失后马上开始，并使短路电流按VDCOL特性爬升。指令被在逆变区域即左右，用于制约直流短路电流的最大值；同时，逆变器的整定值被到最小值。在恢复过程中，还能观察到电流控制从逆变侧转换到整流侧的过程。
| 图4-15（a）整流侧电流（pu） | 图4-15（b）整流侧电压 |
图4-15（c）逆变侧直流电流 | 4-15（d）逆变侧直流电压 |
图4-15（e）整流侧指令值 | 图4-15（f）逆变侧指令值 |
图4-15（g）逆变侧测量值 | |
为研究逆变器连续换向失败时直流系统的响应，t=1.1s时，在逆变侧交流母线上施加一个单项故障，持续时间5个周波，如图4-9所示。故障初始阶段逆变侧直流电流过冲到2.4pu，直流电压崩溃，这与单次换向失败的情况类似。因为直流甩负荷后会使得交流电压过大，换流变压器磁饱和，最后致使逆变侧的交流电压发生特别大的畸形，如图4-9（a）。逆变侧的角控制器被强迫运行于最小运行角，原因在上一节换向失败试验中已提到。故障消失后，VDCOL动作，保证从零缓慢提高至符合电流指令值的故障前的值。在故障恢复过程中，可再次看到电流控制从逆变侧转换到整流侧的过程。由于整流侧运行于大角，产生的谐波升高，这可以在直流电压信号上清楚地看到，如图4-9（c）和4-9（e）。
| 图4-16（a）逆变侧交流电压畸变 | |
图4-16（b）整流侧直流电流 | 图4-16（c）整流侧直流电压 |
图4-16（d）逆变侧直流电流 | 图4-16（e）逆变侧直流电压 |
图4-16（f）整流侧指令值 | 图4-16（g）逆变侧指令值 |
图4-16（h）逆变侧测量值 | |
系统在这种三相对称故障下的响应特性与5周波单相不对称故障下的响应特性几乎相同，如图4-10所示。唯一明显的是逆变侧的直流电压，由于直流输电线路的反射作用，这里存在几次振荡。VDCOL的作用能够使系统快速恢复到稳态，其控制性能与前述相同。
| 4-17（a）整流侧直流电流图 | 4-17（b）整流侧直流电压 |
图4-17（c）逆变侧直流电压图 | 4-17（d）逆变侧直流电流 |
图4-17（e）整流侧指令值 | 图4-17（f）逆变侧指令值 |
图4-17（g）逆变侧测量值 | |
在整流器的直流线路侧施加直流线路故障，持续时间为1.1-1.4s，如图故障导致直流电压崩溃，整流侧直流电流迅速上升到1.7pu，这是此类故障的一个特征。直流故障电流的峰值仅受到平波电抗器的。由于直流故障位于整流侧，故障期间整流侧的直流电压为零。但是在直流侧可以看见直流电压的反射。随后的VDCL动作将电流在从1.3s到1.4s，整流侧角，即进入逆变区域运行以熄灭故障电流并使故障电流去游离，与此同时，逆变器被强制到最小值运行。故障消除后由于VDCOL的恢复作用，直流电流开始回升。
| 图4-18（a）整流侧直流电流 | 图4-18（b）整流侧直流电压 |
图4-18（c）逆变侧直流电流 | 图4-18（d）逆变侧直流电压 |
图4-19（e）整流侧指令值 | 图4-19（f）逆变侧指令值 |
图4-18（g）逆变侧测量值 | |
在PSCAD仿真环境中，以CIGRE标准模型做参考搭建双极是直流输电仿真模型，对控制系统的仿真模型搭建过程进行详细分析，并通过控制器优化实验优化控制性能。通过对直流输电系统的动态仿真，验证控制器能够在发生故障时稳定控制电压电流。
结 论
本文对直流输电系统进行了研究。建立了直流输电系统的电路模型，换流器的稳态数学模型。由其数学模型确定控制直流输电系统的几个控制量，及其主要控制方式。分析各个控制器的控制功能，包括定电流、定电压、定熄弧角等控制器的结构和基本控制功能。
在PSCAD仿真环境中，搭建CIGRE标准模型并对控制系统进行详细建模，设置每个控制器的参数。为验证搭建的控制器的控制性能，对整个控制系统做控制器优化实验，即验证整个系统在控制量有小幅波动时的稳定性能，包括电流的指令的小波动，熄弧角指令的小波动。从仿真图像上可以看出整个控制器的控制性能良好，直流电压电流都能很好的跟踪控制指令的变化，对直流输电系统的稳定运行有良好的控制作用。
在搭建的模型上做暂态故障仿真，包括整流侧、逆变侧的交流系统的单次换向失败、多次换向失败、三相故障等交流系统的瞬时故障分析。还包括直流输电系统的故障。从暂态仿真图形上可以分析，在发生短路故障时各控制器可以快速启动并且在故障发生后能使系统快速恢复稳定运行状态。可以证明搭建的控制系统模型在系统发生瞬时故障时能有效控制直流输电系统，使其稳定运行。
本文对直流输电系统的一个常见典型故障换相失败进行了详细研究，包括影响因素，减小换相失败的措施，其中一个方法就是在逆变侧的交流系统中加入超导故障限流器。首先基于一般的桥路型SFCL的原理，验证其限流性能。结果表明桥路型SFCL在一般的交流电路中限流效果良好。然后将其加入到直流输电系统的模型中。研究发现将超导故障限流器应用于直流输电系统中可以有效故障时的短路电流的大小进而避免因交流系统短路而使逆变器换相失败的发生。
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致 谢
本论文是在导师教授的指导下完成的，老师丰富的专业知识、严谨的治学态度和非凡的敬业精神，使我在学习和科研生活中受益匪浅。在此，谨向老师致以衷心的感谢和诚挚的敬意。
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