高压直流输电控制保护装置
冗余与可靠性
王明新
中国电力科学研究院系统所
电力系统仿真中心及直流输电研究室
通信地址：北京市海淀区清河镇小营东路15号邮编：100085
摘要
本文参照我国电力系统保护装置的设计原则，结合自直流输电技术投入商业运行后,出现的微机控制保护装置特点，对“葛南”直流输电系统、“天广”直流输电系统，以及“三常”直流输电系统三个高压直流输电系统的控制保护装置的冗余配置进行了评价。本文认为，必须明确被控制和保护的设备与控制保护装置本身的不同冗余概念；“三取二”配置是微机保护设备的最佳冗余配置，因为它能有效地解决保护装置本身电子元件故障造成的误动与拒动。本文对直流输电各种二次系统冗余方式优、缺点进行的论述，仅供直流输电系统，以及电力系统控制保护装置的设计和运行维护参考。
关键字：系统的可靠性、电子设备冗余、控制保护配置
一．前言
对于任何系统及设备，它们的高可靠性和可用率是人们所期望的。为了提高一个系统或设备的可靠性，必须保证组成系统的各个设备及元件的高可用率，并且有相应的冗余，防止个别元件损坏，造成系统或设备不能运行。
电力系统的高可靠性，除了由一次设备的性能质量和系统结构的稳定性保证外，还要由二次控制保护系统保证；即：二次系统对一次系统设备进行控制和保护，自动切除故障部分，避免系统停运或设备损坏。
二次系统是由大量电子元件及微处理器构成，它们的可靠性是整个系统可靠性的重要组成部分。因此，控制保护系统除了保证相关一次设备的可靠性外，必须确保本身的高可靠性，这是本文重点讨论的问题。
由于控制保护系统使用了大量的电子元件，容易发生故障，仅一套设备不能保证系统长期运行的可靠性；因此，需要冗余配置。在当今电子技术高速发展时期，大规模集成电路和实时微处理器的广泛应用，给控制保护设备本身的冗余提供了可靠的技术保证。冗余方式的选择，需要根据具体设备在系统中的作用和对
可靠性、经济性的影响来确定。
二、电力系统保护的配置原则
电力系统继电保护，随着电力系统一同诞生，并随着电力系统的扩大而不断地发展，交流系统的继电保护从具体的电力系统设备，像发电机、变压器等元件保护和输电线路等系统保护，向着综合的系统保护方向发展，例如，电力系统安全稳定装置；由传统的继电器保护发展到微机保护。经过长期运行实践，积累了丰富的设计和运行经验，这些经验主要体现在以下的配置原则：
1〕灵敏性：保护的配置应该能够检测到所有可能的，致使设备处于危险情况的，以及对于系统运行来说不可以接受的故障和异常运行情况。
2〕快速性：元件保护采用不同原理的主、备保护配置，或双主、双备配置，以尽可能快的速度停运、隔离故障设备。
3〕可选择性：系统保护要求分区配置，没有遗漏，每个区域至少有一个主保护；
选择性强，便于故障识别。
4〕可维修性：保护的配置应该考虑到装置试验和维护时不会影响到系统的运行，便于保护退出和投入。为了便于检修，避免相互影响，保护装置与主设备分离，尽可能靠近主设备就地安置；随着微机化，逐渐演变成一定区域的集中安置。
5〕可靠性：保护装置冗余配置，每套冗余配置的保护有自己独立的硬件设备，包括专用电源及输入、输出电路。避免保护装置故障，引起主设备或系统停运。
6〕安全性：为了保证设备和人身的安全，保护及跳闸回路的配置宁可误动也不拒动。跳闸回路应为独立的双跳圈、双操作电源。
这些保护配置原则，主要是针对一次设备的保护而言的。直流系统保护配置的基本原则是从交流保护的原则得到的。为了保证直流系统的可靠性，主设备一般采用容量、元件的冗裕,辅助设备一般采用两套，轮换工作。直流系统保护的配置增加了以下原则：
1〕可控性：通过控制的方法减轻对设备的危害程度，以及切除故障的设备。2〕集中性：每个独立运行的换流系统的所有保护集中放置在一套保护装置中。
双极部分的保护也应配置在每个极保护中，并有自己的测量回路。采用集中完全冗余配置。
3〕独立性：每套冗余保护装置的功能应相同，硬件和电源应该是完全分开的、独立的。保护尽量不依赖于两端换流站之间的通信；必须采取措施以避免一端换流器故障时引起另一端换流器的保护动作。
4〕全面性：所有可能的故障必须有两套以上的冗余保护装置可以保护。保护的区域要重叠，对于每种故障，要有一个范围确定的快速保护作为主保护，一个范围扩大的慢速保护，或是降低灵敏度的保护作为后备保护。如果可能，主后备保护最好采用不同的原理。
5〕唯一性：双极部分的故障引起保护动作，不应造成双极停运。双极站内直接接地运行方式时，某一极的故障必须停运双极，以避免较大的电流流过站接地网。本极的关于极或双极部分的保护无权停运另外的极。
随着科学技术的进步，直流控制保护系统对主设备不同区域、不同原理的控制保护功能可以放在同一个实时并联多处理器系统中实现。为了保证整个系统运
行的可靠性，落实对主设备保护的配置原则，同时防止控制保护设备本身故障的影响，控制保护设备也要冗余配置；即，集中冗余配置，包括了对被保护系统的冗余，这样控制保护设备的冗余就更加重要了。
三、直流控制保护装置的冗余配置
总结“葛南”直流线十年的运行，“天广”直流调试，以及“龙政”直流设计，控制保护的冗余配置可以从以下几个方面说明：
1．直流保护装置的冗余配置
直流系统的保护基本属于系统保护，它包括换流器、直流开关场、中性母线、直流线路及交流开关场保护等不同保护区域的保护功能。直流保护功能作为直流控制功能的后备，它们动作后,将闭锁相应的换流器并将其隔离。保护装置本身故障，一般仅以误动的形式表现，降低了系统的可靠性；但是，在被保护的设备故障时，也可能发生拒动，这是危险的。
1.1保护冗余的基本概念
直流保护的冗裕用于提高保护装置本身的可靠性，最终达到提高整个系统可靠性的目的。
从实物分析，仅一套保护装置，如果装置本身故障，不是造成保护误动，就是拒动。两套相同的保护通道，硬件、电源各自独立，假设它们同时发生故障的概率很小；而且，保护误动与拒动的可靠性逻辑不同。如果两个保护输出逻辑相“与”（二取二），可以防止一套保护装置本身故障造成误动，但不能避免拒动；如果两套保护输出逻辑相“或”（二取一），保护不会拒动，但容易发生误动。三套硬件和电源独立的，功能完全相同的保护通道，假设其中两套保护同时发生故障的概率很小；输出采用“三选二”方式，可以避免任何一套保护装置本身故障造成的保护设备误动和拒动；即，一个保护通道故障误动，另两个通道正常，保护不会出口；一个保护通道故障拒动，另两个通道仍能正确动作，保护不会拒动。如果四个相同的保护通道，输出逻辑的方式不同，作用也不同；如果采用两两先“或”，然后输出再“与”的四取二方式，也可在一定程度上解决误动与拒动的矛盾，但是不如三取二方式。
1.2 保护系统的可靠性分析
根据可靠性分析的马尔可夫过程原理，一般说来，如果一套保护的不可用率为0.1；两套相同保护并联备用，不可用率相乘为0.01；串联备用，不可用率相加为0.2(0.19)。三套相同保护并联备用, 不可用率为0.001；串联备用，不可用率相加为0.3(0.271)。
但是, 可靠性计算逻辑误动与拒动不同；根据不同的保护输出逻辑，分别计算误动率和拒动率可得到：假设一套保护故障误动率和拒动率各为0.005；则两套相同保护相“与”输出，误动率相乘为0.000025,拒动率相加为0.01(0.009975)。而两套相同保护相“或”输出则相反，误动率相加为0.01(0.009975)，拒动率相乘为0.000025。三套相同保护输出三取二，则误动率为0.000075(0.00007499812)，拒动率0.000001(0.00000099252)。四套相同
保护输出逻辑先“或”后“与”，则误动率为0.0001(0.0000995)，拒动率0.00005(0.0000499994)。
这些计算说明，在不计保护装置本身的监护功能的作用，两个相同保护通道，不论采取什么输出逻辑，不能同时解决误动与拒动间的矛盾，而三取二方式误动率和拒动率都较低，很好地解决了此矛盾。四套相同保护，输出先“或”后“与”方式的误动和拒动率，都比三取二方式差一个数量级。
1.3 不同直流工程直流保护的冗余方式
葛南直流、天广直流的直流保护的冗余方式一样，都是三取二配置，在一套保护故障时，剩下的两个通道自动变成二取一。葛南的三套直流保护与选择回路一起安放在同一个设备柜中，每套保护有自己专门的电源模块，由处在保护柜中的两套三取二硬件回路，选取测量回路相应的一次或二次线圈的输入和跳闸输出分别启动两条紧急停运总线。天广的直流保护分别放在三个独立的机柜中，测量量通过光纤直接取自一次回路，两套三取二选择硬件电路分别安放在其中两个保护柜中，输出与其他装置的保护跳闸信号一起分别送给换流器控制的两个通道及变压器保护柜的两套跳闸回路。
葛南直流十多年的运行实践说明，没有因直流保护装置故障，发生直流系统强迫停运，三取二配置是成功的。需要注意，直流系统的保护功能应尽可能放在三取二的保护装置中；保护输出逻辑电路在硬件上应与保护设备分开，也应采取冗余措施。
龙政直流线合同书介绍，直流保护采用同纳尔逊河直流工程一样的四取二方式。通过联合设计了解，所谓的四取二是结合直流换流器控制系统的冗余通道切换组成的，每个换流器控制通道有两套功能不相同的直流保护处理器，安置在一个设备柜中。一个保护功能动作先启动换流器控制通道切换，如果另一换流器控制通道的保护也动作，才执行紧急停运。这种冗余方式由于同一设备柜的两套保护功能不完全相同，而且采用同一个电源供电；因此，根据保护的配置原则，这种方式实际为二取二（与），不能很好地防止因保护设备故障造成的拒动，需要保护装置有很好的自检功能。另外，任何一套保护中的阀短路保护或换流变压器保护动作，为了快速停运直流，不经过控制通道切换就立即出口，这样保护系统就相当失去了冗余，当一套保护装置本身故障时，很可能造成直流系统停运。
2．直流控制装置的冗余配置
直流系统的控制主要由换流器控制（也称为阀控或极控）、站控制组成。换流器控制是直流输电系统的控制核心，决定输电线路的运行方式和输送功率。站控制在换流器控制的指挥下，提供运行人员操作和交、直流开关场开关的具体操作功能。
2.1控制冗余的物理意义
目前，各个直流输电工程换流器控制的冗余配置，都是采用两套硬件和软件功能完全相同的控制通道，一个工作，一个热备用。
换流器控制工作通道负责直流控制信息的计算和输出；为了避免两个通道各种误差引起系统扰动，采用备用通道时刻跟随工作通道，并随时准备接替故障的工作通道。
站控工作通道负责交、直流场的开关操作，构成直流及交流滤波器的各种连接方式。备用站控通道跟随工作通道的控制状态。
为了保证故障的工作通道正确退出运行，备用通道立即转为工作，控制系统通道，需要有完善的自检功能。至少包括：
7〕供电电源监视
8〕硬件监视
9〕软件监视
a)存储器周期检查
b)外围模块周期检查
c)检测通讯通道中的故障
d)检测后备电池的故障
10〕点火角不一致测量
11〕用户程序和检测的故障及报警
a)直流电流监视(换流器直流侧与交流侧电流之差)
b)直流功率监视(交流功率与直流功率之差)
c)同步电压监视
d)电流过零点监视(例如,熄弧角小于3o)
e)电压过零点监视(例如,熄弧角大于18o)
f)电流互感器的光连接监视
12〕非正常运行范围监视
13〕现场总线和局域网监视
这些监视发现故障,将通过通道切换逻辑进行通道转换。从检测故障到通道切换完成的时间将影响系统的可靠性。即，当故障控制信息输出时间短于通道转换时间，将失去系统冗余作用，引起系统扰动或进入错误控制状态；只有这个转换时间足够小，系统才将起到并联冗余作用。
由于控制设备故障是多样的、随机的，故障检测和通道转换需要时间；而且，控制系统的各种误差不允许控制的冗余像保护那样，两个系统同时起作用；因此，控制系统的冗余设计只能尽可能减少控制设备故障影响。
为了提高控制系统的可靠性，可以采用以下冗余方式：
其一，采用三套硬件和软件功能相同的控制通道，同时工作；开关量输出三取二，模拟量输出取中间值。一个通道退出运行，开关量输出二取一，模拟量输出取最大或最小值。这种方法没有通道切换回路，可以避免由转换时间造成的错误；但是，需要独立的、复杂的输出选择逻辑电路和增加一个控制通道的投资。目前，此方式还没有使用经验。
其二，常用冗余方案的完善。采用二套硬件和软件功能相同的控制通道，一套工作，一套热备用，由自检功能进行通道切换。模拟量输出始终取工作通道；开关量输出相与（二取二），当通道故障或检修，不仅变成备用通道，而且通过安全设计，使开关量输出置逻辑“1”，系统输出变成一取一。这种方法可以避免由于转换时间造成的控制状态错误；但是，不能完全避免自检功能不完善而造成的系统扰动。
2.2控制系统的可靠性
由于常用的两个通道热备用冗余方式的直流控制系统，系统的不可用率与通道切换的时间有关，所以从可靠性分析，那些检测不到或来不及转换就造成影响
的设备的不可用率，与设备和元件的故障率有直接关系，在元件老化达到设备寿命时，会引起系统的不可用率明显增加。其他在通道切换前不造成影响的设备故障，控制系统的不可用率相当于两套系统并联冗余（二取二）。
三取中及三取二冗余方式，系统的可靠性明显增加。对常用冗余方式的完善，其可靠性也有很大改善，尤其在接近设备的使用寿命期间，但是，由于目前性能价格比还不好，没有应用的实例。
2.3不同直流工程控制的冗余方式
目前，中国引进的直流输电工程，直流控制的冗余方式原理都是相同的，两套相同配置的控制通道，一个工作，一个热备用。
葛南的换流器控制每套控制有自己独立的设备柜，柜中有专门的电源模块，输入/输出模块、CPU模块及触发系统。冗余控制系统的工作通道，通过光纤将触发脉冲送到阀基电路。葛南线的站控系统，它的主站安置在设备间，通过两条互为备用的串行P13总线，与控制室的模拟盘、中央告警系统、RTU通讯等设备子站，与辅助电源、直流开关场控制、交流滤波器母线控制等就地站，交换控制及状态显示信息。每个极的阀控两个系统与相应的站控主站的两个自动控制系统，通过专门的串联总线相连，经过自动控制计算处理后再与P13总线相连；控制台的控制显示信息通过站控主站的两个顺序系统计算处理后与P13总线相连。冗余通道切换由安置在每个极直流保护柜中的电路执行。
通过葛南线十多年的运行发现，没有采取冗余的设备容易造成系统停运，像控制柜至阀基电路的光纤回路，曾发生间断丢失脉冲故障。最近发生的换流器控制通道切换仍然造成系统停运故障说明，一些芯片及信息传输故障在冗余通道转换前已经造成不良影响。另外，一个极换流器控制系统全部停电后，再加电会造成运行的另一个极停运，说明冗余的极换流器控制与冗余的站控制配合存在问题。
天广线的直流换流器控制两个通道分别放在两个独立的机柜中，测量量通过光纤直接取自一次回路，柜中有专门的电源模块，输入/输出模块、CPU模块，通道转换电路安放在一个控制柜中，但每个柜都有操作、显示功能，并向转换回路提供电源。每个通道的触发脉冲输出到阀基电路也是冗余的，与控制通道一同切换，最后工作通道的脉冲送出。站控冗余系统的开关量输出，像紧急停运，采用二取一，送到换流器控制及其它设备。
天广直流系统调试，通过不断修改阀基电路软件，才使冗余系统切换成功。
通过联合设计了解，龙政直流线直流控制的冗余通道分别安置在两个设备柜中，每个通道与相应直流保护安置在一个设备柜中。目前，此系统还没有运行。
3．辅助设备控制保护的冗余配置
3.1 辅助设备的冗余方式
为了保证主系统安全稳定运行，直流系统的阀冷却系统、换流变压器冷却系统、交/直流滤波器及站用电等辅助设备，一般采取容量、元件的冗余或一个设备工作，另一个相同设备备用，自动切换的冗余方式。
辅助系统的控制保护设备通常在被服务的设备就地安置，随着科学技术的发
展一些辅助设备的控制和保护功能逐渐被集中到直流系统控制保护中。这些控制和保护功能有着紧密的关系，而且与系统控制保护有着密切关系。它们接受系统的命令，对设备进行自动控制，当保护动作，首先进行冗余设备切换；然后，通知系统控制保护采取减功率及停运等措施。为了避免设备故障和送给系统主控制保护的信息通道故障引起拒动，都采用双重化设计，因此输出逻辑也为“二取一”。
3.2 冗余与可靠性的关系
辅助设备控制保护系统采用“二取一”逻辑输出，符合宁可误动也不拒动的原则；即，从可靠性分析，这种冗余增加了误动率，减少拒动率。
3.3 实际直流工程辅助系统控制保护的冗余
我国引进的直流输电工程辅助系统的控制保护冗余情况如下：
阀冷却系统，内循环水主泵一般采用冷备用，有定期转换和故障转换两种方式。定期转换是按运行时间自动切换，故障转换可由冷却水压力，水泵供电电压等检测自动启动。并且，根据冷却水温投切冷却塔不同的风扇台数或改变风扇转速，这些都是被控设备的冗余。而控制保护设备一般也相应采用两套。天广调试发现，如果主水泵的切换与冷却水压力保护的时间配合不当，会引起直流系统停运。葛南线也曾因冷却水主泵切换程序有问题，使直流系统停运。
变压器冷却系统控制和保护可以是两个分系统。变压器冷却系统控制按油温自动增、减风扇。变压器保护是变压器本体保护和电气保护组成，也可用两套功能相同的系统冗余配置。前期引进的“葛南”和“天广”直流输电工程的变压器保护是独立配置的分系统。目前，ABB公司将此保护与直流控制保护系统结合在一起，任何一套直流保护中的该保护动作都直接出口停运直流，这将影响直流保护的冗余配置。如果直流保护系统采用三取二配置，将变压器保护融合在每一套直流保护装置中，这才是较佳的设计。
交流滤波器根据直流站控的命令投切。投切断路器的命令采用双通道传送。交流滤波器保护各个直流工程不同，葛南线采用一些传统的交流保护元件构成；而天广线和龙政线每个交流滤波器大组由两套相同的微机保护构成。交流滤波器保护动作，仅切除所保护的一小组或一大组滤波器，由控制系统判断投入备用滤波器或限制直流系统的输送功率，一般不应造成直流系统停运。因此，采用两套保护“二取一”逻辑输出，当一套交流滤波器保护设备故障，切除一大组交流滤波器，不会直接影响直流系统的可靠性。如果将一个继电器室中的三大组交流滤波器的控制保护集中冗余配置，采用“三取二”配置，不仅可以减少保护的硬件和资金，而且可以提高交流滤波器运行的可靠性。
直流滤波器的控制保护冗余应同交流滤波器一样。
站用电系统对直流系统可靠性影响很大。因此，换流站的站用电一般都设置2个以上的电源，但是为了减少来自电网不同地点的电压相差造成的环流，通常采用冷备用自动切换冗余方式。但是，切换的时间配合要恰当，否则会造成换流器和换流变压器的冷却系统辅机停运，可能引起直流系统双极停运；天广调试就发生过站用电切换，引起直流系统停运；这个系统的控制主要防止拒动。除此之外，为了保证给控制保护装置可靠地供电，控制楼设置了不同直流电压的蓄电器组。因此，站用电控制可以采用“二取一”的冗余配置。
另外，一些辅助系统保护需要通过两条通道，送给直流保护系统的两条跳闸总线停运直流，也相当于二取一输出逻辑，通道上任何继电器误动或干扰就会停
运直流，葛南直流的运行碰到许多这种原因不明的故障。解决的方法是，将辅助
系统保护的监视信号，送到完全冗余的“三取二”直流保护系统进行计算判别，减少跳闸信号的传送环节。
四、结论
本文从我国电力系统保护装置的设计原则入手，结合自直流输电技术投入商
业运行后,出现的微机保护特点，对“葛南”直流输电系统、“天广”直流输电系统，以及“龙政”直流输电系统三个高压直流输电系统的控制保护装置的冗余配
置进行了评价。
本文认为，“三取二”配置是微机保护的最佳基本配置，因为它能有效地解
决保护装置为防止本身电子元件故障造成的误动与拒动之间的矛盾。
两个完全相同的系统，一个工作，另一个跟随的充分冗余（热备用）方式，一般仅适用于控制系统；并且，在这种控制系统中尽可能减少能引起系统停运的
保护功能，相应的解、闭锁功能等输出采用与自检功能配合的“二取二”逻辑。
辅助设备的控制保护，输出逻辑“二取一”配置，是目前造成直流系统误动
停运的主要原因之一；它们与主设备控制保护之间的联系也是影响系统可靠性的
薄弱环节。因此，应寻找最佳的冗余方案，例如交直流滤波器的保护采用三取二
配置，减少跳闸回路的中间环节等。
电子设备采用完全冗余的方式是为了防止设备的电子元件故障，造成设备错
误动作。“龙政”及“三广”直流，将直流两个互为冗余的控制通道，分别各放
置两套相同的直流保护，以及任何一套保护的阀短路或变压器保护动作，将直接
出口停运直流的设计，违背了冗余的原理。当任何一套保护设备故障，特别是在
电子元件老化出现故障时，不论自检系统多么完善，错误信息都有可能出口，造
成直流系统停运。
本文对各种系统冗余方式优、缺点进行的论述，可供直流输电系统及电力系
统控制保护装置设计和运行参考。
作者简介：王明新,男，中国电力科学研究院系统所，电力系统仿真中心付主任，高级工程师，直流输电硕士，1954年2月出生于广东省广州市。自1977年以来，一直从事高压直流输电技术的研究工作，参与和负责了我国全部直流输电研究和
直流输电工程的仿真试验，以及直流工程的部分前期研究、调试和运行服务工作。具有丰富的直流输电技术仿真试验和直流工程服务的经验。
The Redundancy of the Device of Control and Protection in HVDC
Author: Wang Mingxin EPRI of China
Address: Number 15 of Xiaoying east road, Qinghe town, Haidian, Beijing Post: 100085
Abstract
This paper is a evaluate the redundancy of the device of control and protection in “Ge-Nan”and “Tian-Guang”and “Long-Zheng”HVDC link according to the feature of microcomputer control device and refer to the arrange principle of AC protection. It think that the three selected two is the best arrange in DC protection device. The reliability of the different redundancy ways is analyzed. The advantage and weak of redundancy at the different HVDC link in the China were being present. The evaluate will be referred by other HVDC link and AC system protection designs.
Keyword: Reliability of System,Redundancy of Electronic device,Arrange of control and protection
龙泉换流站控制系统与直流保护介绍 一、高压直流输电系统的基本介绍 1、高压直流输电工程的组成部分：交流开关场、换流变、换流阀、直流开关场及直流输电 线路。 2、特点 适合大功率、远距离输电；输电线路相对于交流输电线路要经济的多；为全国大范围联网提供了便利的条件；填补了我国直流输电技术的空白。直流设备对环境的要求较高；我国在直流输电方面起步较晚，主要依靠国外技术支持，因此现阶段直流输电设备较昂贵。 3、前景 随着我国充分利用丰富的水利资源，大力发展水电建设，直流输电将发挥其重大的经济及社会效益。 二、控制与保护系统设备介绍（按位置及控制区域） 1、盘柜介绍： PCP pole control and protection BCP bipole control and protection ACP ac control and protection AFP ac filter control and protection DFT dc field termination BFT bipole field termination AFT ac field termination ASI Auxiliary system interface TFT Transformer Field Termination ATI auto transformer interface CP control pulse CRC cyclic redundancy check DCOCT dc optical current transducer DPM digital signal processor GWS gate workstation OWS operator workstation EWS ENGINERRING WORKSTA TION ERCS electronic reactive control system FP fire pulse I/O input/output LAN local area network CAN Control Area Network TDM Time Division Multiplex LFL line fault recorder MACH2 Modular Advanced Control HVDC(High V oltage Direct Current) and SVC(Static Reactive Power Compensation) 2nd edition DOCT digital optical current transducer OIB optical interface board
《直流输电原理》题库 一、填空题 1.直流输电工程的系统可分为两端（或端对端）直流输电系统和多端直流输电系统两大类。 2.两端直流输电系统的构成主要有整流站、逆变站和直流输电线路三部分。 3.两端直流输电系统可分为单极系统、双极系统和背靠背直流输电系统三种类型。 4.单极系统的接线方式有单极大地回线方式和单极金属回线方式两种。 5.双极系统的接线方式可分为双极两端中性点接地接线方式、双极一端中性点接地接线方 式和双极金属中线接线方式三种类型。 6.背靠背直流系统是输电线路长度为零的两端直流输电系统。 7.直流输电不存在交流输电的稳定性问题，有利于远距离大容量送电。 8.目前工程上所采用的基本换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元两种。 9.12脉动换流器由两个交流侧电压相位差30°的6脉动换流器所组成。 10.6脉动换流器在交流侧和直流侧分别产生6K±1次和6K次特征谐波。12脉动换流器在 交流侧和直流侧分别产生12K±1次和12K次特征谐波。 11.为了得到换流变压器阀侧绕组的电压相位差30°，其阀侧绕组的接线方式必须一个为 星形接线，另一个为三角形接线。 12.中国第一项直流输电工程是舟山直流输电工程。 13.整流器α角可能的工作范围是0＜α＜90°，α角的最小值为5°。 14.α＜90°时,直流输出电压为正值,换流器工作在整流工况; α=90°时, 直流输出电为 零,称为零功率工况; α＞90°时,直流输出电压为负值,换流器则工作在逆变工况。15.直流输电控制系统的六个等级是:换流阀控制级、单独控制级、换流器控制级、极控制 级、双极控制级和系统控制级。 16.换流器触发相位控制有等触发角控制和等相位间隔控制两种控制方式。 17.直流输电的换流器是采用一个或多个三相桥式换流电路（也称6脉动换流器）串联构 成。其中，6脉动换流器的直流电压，在一个工频周期内有6段正弦波电压，每段60°。
ICS 中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG XXXXX—2015 柔性直流输电换流器技术规范 Technical specification of converters for high-voltage direct current (HVDC) transmission using voltage sourced converters (VSC) （征求意见稿） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施 中国南方电网有限责任公司发布
目次 前言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 3.1 额定直流电流 rated direct current (1) 3.2最大直流电流maximum direct current (2) 3.3 短时过载（过负荷）直流电流short time overload direct current (2) 3.4 额定直流电压rated direct voltage (2) 3.5 额定直流功率rated direct power (2) 4 文字符号和缩略语 (2) 4.1 文字符号 (2) 4.2 缩略语 (2) 5 使用条件 (2) 5.1 一般使用条件的规定 (3) 5.2 特殊使用条件的规定 (3) 6 技术参数和性能要求 (3) 6.1 总则 (3) 6.2 换流器电气结构 (4) 6.3 阀设计 (5) 6.4 机械性能 (6) 6.5 电气性能 (7) 6.6 冗余度 (7) 6.7 阀损耗的确定 (8) 6.8 阀冷却系统 (8) 6.9 防火防爆设计 (8) 6.10 阀控制保护设计 (8) 7 试验 (9) 7.1 试验总则 (9) 7.2 型式试验 (9) 7.3 例行试验 (11) 7.4 长期老化试验 (11) 7.5 现场试验 (12) 8 其它要求 (12) 8.1 质量及使用寿命 (12) 8.2 尺寸和重量 (12) 8.3 铭牌 (12) 8.4 包装和运输 (12)
浅析直流输电控制保护系统 摘要：直流输电是电力系统近年来迅速发展的一项新技术，直流输电克服了电 感损耗，只有导线电阻损耗，主要应用于远距离大容量输电、电力系统联网、远 距离海底电缆、大城市地下电缆送电、配电网络轻型直流输电等方面。直流输电 与交流输电相互配合，构成现代电力传输系统。随着电力系统技术经济需求的不 断增长和提高，直流输电受到广泛的注意并得到不断的发展。 关键词：电力系统；直流输出；保护层面；控制保护 一、直流输电概况 （一）直流输电系统概念 直流输电系统由直流线路、逆变站、整流站、交流侧电力滤波器、直流侧电 力滤波器、换流变压器、无功补偿装置、直流电抗器以及保护、控制装置等构成，通常是两端直流输电系统，其中整流站和逆变站属于换流站，通过整流站和逆变 站能够实现交流电力和直流电力的转换，换流站是直流输电系统比较重要的组成 部分。首先由交流系统的送电端将交流功率通过换流变压器送到整流器，完成交 流功率到直流功率的转化，然后将直流功率通过线路传输到逆变器，逆变器又会 将直流功率转化为交流功率，最终传输到交流电力系统的受电端。 （二）换流站的换流技术 整流站和逆变站都属于换流站，他们的核心元件都是换流器，通常由一个或 者是多个基本换流单元组成的，多采取串联模式，其中电路一般应用三相换流桥，较为常用的材料为可控硅阀，即常说的晶闸阀。当换流器进行工作的时候，控制 桥阀能够触发控制调节装置，改变了触发相位，从而达到直流输送功率、流经电 阻的直流电流、直流电压的瞬时值等的调整。与此同时，同样的触发脉冲能够控 制所有桥阀的每一个可控硅元件，在三相电源的波为对称正弦波的时候，线电压 从负到正，经过零点时脉冲会触发桥阀，使得阀两端的电压均变为正电压，完成 阀开通的动作。六个脉冲发生器能够各自独立的完成对位于单桥换流器中六个桥 阀的触发，使得交流正弦波刚好能够经过第一个周期，在线电压行进到下一个零 点的时候，交流弦电源开始触发第二个周期，但是在工程上所应用的多为十二脉 的双桥换流器，因为十二脉双桥换流器能够产生更小脉波的直流输电电压。 二、直流输电控制保护层 直流输电系统的控制根据层级的不同可以分为三个层面，即现场控制层、过 程控制层、运行人员控制层。 （一）现场控制层 现场控制层使得交直流主设备能够在就地进行控制，通过硬线将交直流主设 备与较近距离的设备接口进行连接，通过现场总线将交直流主设备与较远距离的 设备接口进行连接。通过分布式的I/O控制单元实现现场控制，包括高压装置的 联锁、输出控制命令、控制命令的监控、SER事件的产生、自诊断、二进制模拟 量的预处理等功能。通过现场控制层面能够实现控制系统的分层式、分布式，来 自调度中心的控制命令经由高速LAN和现场总线进行传达，监控系统的实时数据 在逐层反馈，保证主系统、从系统的循环数据传输过程。 （二）过程控制层 过程控制层包括交流/直流站控制系统和极控系统，是直流输电控制系统的核 心组成。交流/直流站控制系统的任务是顺序控制交流场和换流站直流系统，为了
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
柔性直流输电系统的改进型相对控制策略 摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电 抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流 桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。 关键词：柔性直流输电；控制策略；应用 前言 在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环 电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通 过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统 交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制 策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软 件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。 1柔性直流输电技术的概述 1.1柔性直流输电技术概念 柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败 的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电 技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。 1.2柔性直流输电的特点 柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面 都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个 方面： （1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能 够在安装和使用的过程中完成各项试验。 （2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。 （3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流 （4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。 （5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量 的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量 也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。 2柔性直流输电技术的战略意义 目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好 的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网
直流输电工程控制系统与阀控接口分析及优化措施研究 摘要换流阀与控制保护设备接口技术的应用，使得不同技术路线的控制保护技术与不同技术路线的换流阀之间实现了连接。本文首先对目前直流输电工程中应用的不同技术路线阀控接口进行了全面比较分析，总结出存在的差异，并根据实际运维经验指出存在的问题和隐患，提出了针对性改进意见，为设备功能完善和优化设备选型奠定了良好的基础。 关键词控制保护设备；阀控；接口 前言 高压直流系统传输容量的快速增长使得换流阀技术和控制保护技术得到了飞速的改进和提高，而换流阀与控制保护接口技术的应用，使得不同技术路线控制保护技术与不同技术路线的换流阀之间实现了连接，并在特高压直流输电工程中得到了应用。控制保护系统与阀控之间的接口，主要用于接收控制保护系统下发的控制命令，产生点火脉冲触发换流阀以及监视换流阀中晶闸管的状态信息。控制保护系统与阀控系统之间信号的有效、可靠传递是直流工程高效稳定的保证，因此，有必要对直流控制保护系统与阀控接口进行研究，优化二次回路设计，使直流控制保护系统的性能得到最有效的发挥，为技术方案的制定与设备选型提供技术支持。 1 阀控系统运行状况分析 目前直流输电控制系统一般分为5个层级，从高层次至低层次等级分别为：系统控制级、双极控制级、极控制级、换流器控制级和换流阀控制级。从目前在运的直流系统来看，一般将前4个层级置于直流控制保护系统（以下简称“极控”）中，其可靠运行对提高整个直流输电系统的可用率具有重要作用。而换流阀控制级设有单独的阀控系统（以下简称“阀控”），主要包括阀基电子设备、门级单元以及阀冷却泄露监视器等，负责将极控发出的控制脉冲通过光纤发送至晶闸管，同时负责接收来自晶闸管的监控信号，将其代表的晶闸管状态传递给极控，监视换流阀运行。换流站正常运行时，换流阀每一次触发均需要极控与阀基电子设备之间配合正确，才能保证系统正常工作，否则必然导致阀报警或跳闸，从而导致阀组停运乃至直流闭锁，对系统造成巨大的冲击，威胁到整个电力系统的稳定。 由于各阀和控保厂家采用不同技术路线，使得各厂家阀控与极控间的接口信号不尽相同。目前国内的主流直流控制保护系统有2种技术路线：第一种基于ABB技术路线，主要厂家有ABB和南瑞继保；第二种基于Siemens技术路线，主要厂家有西门子和许继。而换流阀技术路线多达4种，阀控与极控的接口更是多种多样，均已应用于特高压直流输电工程。极控与阀控之间接口的好坏，直接决定了直流输电系统运行的稳定性。因此针对目前形势各样的接口设计，有必要进行分析比较[1]。
柔性直流输电 一、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，
南京工程学院 远距离输电技术概论 班级：输电112 学号： 206110618 姓名：钱中华 2014年12月10日
目录 0.引言 (3) 1.研究与应用现状 (3) 2.原理 (4) 3.特点 (5) 4.关键技术 (6) 5.发展趋势 (7) 6.小结 (9)
柔性直流输电技术 0.引言 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程， 详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。 1.研究与应用现状 自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。 其先研究主要发展有一下几项基本技术： 1.高压大容量电压源变流器技术 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。
±800kV特高压直流输电控制保护系统分析 摘要：电力应用于社会十分普遍，而社会对于电力的依赖性也在增加，电力输 送过程会受到多项因素的影响，因此需要应用输电保护系统，确保电力稳定正常 供应。本文就±800kV特高压直流输电控制保护系统分析作简要阐述。 关键词：特高压；直流输电；控制保护系统 物高压输电的特点体现在大容量，低损耗，远距离，是能源配置优化的有效 途径，能够带来良好的社会效益。特高压输电对于电力企业而言提出了新的技术 要求。控制与保护系统需要从其整体结构，控制策略，分层与冗余等方面进行全 面分析，从而使系统稳定安全可靠。 一、特高压直流控制系统 （一）特高压直流控制策略 相比于常规直流系统，特高压控制系统在策略方面没有体现出过大的变化， 直流系统电源控制主要利用的是整流侧快速闭环来实现的，换流变抽头则控制触 发角保持在一定范围内。你变一侧的快速闭环控制作用在于使熄弧角保持为定值，直流电压控制则是由换流变抽头来完成的。由于抽头控制自身存在的非连续性， 采用此种控制策略并应用于逆变一侧时，直流电压控制偏差会由两个部分构成， 分别是抽头步长与测量误差。对于逆变一侧的电压进行控制，还可以利用快速闭环，通过抽头将熄弧角控制在一定范围内，而此种情况下，电流偏差只受到测量 误差的影响，无功补偿设备与交流滤波器总体容量会增加，在经济性方面表现不佳。 （二）控制系统功能划分与结构 控制系统在分层与配置方面，直流系统保护应该保持与控制系统的相对独立，直流控制结构保护系统分层需要保证保护控制以12个脉动单元作为基本配置。 并且基于上述前提，保护功能实现与保护配置需要最大程度保持独立，利于退出 而不会使其它设备运行受到影响，并且保护系统之间的物理连接要简单而不要复杂。控制保护系统如果单一元件出现了故障，12动脉控制单元依然需要保持良好 运行。而高层控制单元出现故障时，控制单元同样能够保持当前工作状态并且依 据人工指令操作。 特高压直流输电需要实现双重化，其范围开始于二次线圈测量，并包括了测 量回路。内容包括了输出回路，信号输入，主机，通信回路，与之相关直流控制 装置等。从功能上划分，直流控制系统可以划分为极控制层，双极控制层，换流 器控制层等。 特高压直流控制层功能划分内容包括双极控制层，极控制层，细分又包括了，低压限流控制，极电流与电压协调控制，直流开路试验，电流裕度补偿等功能。 换流器控制层细分内容又包括点火肪冲控制，电压与电流、熄弧角控制等。 二、DCC800特高压直流控制保护系统介绍 DCC800是某企业研制的控制保护系统，特高压直流控制保护系统采用了拥 有较高性能并产生较低热量的ＣＰＵ以及新的传导冷却计算机，此散热技术是专 为提高UHVDC的可靠性而设计的。DCC80主机采用自然对流方式来散热，这样 可大幅度减少主机上的积灰。特高压直流控制保护系统采用了冗余的增强型时分 多路复用总线来传输二进制信号和模拟信号。二进制信号包括断路器命令、报警、指令、缓慢变化的模拟信号（如温度等）；模拟信号包括电流、电压等测量量。 每根光纤都可处理控制器局域网总线信息、同步信号以及像MACH2TDM母线一
·12· NO.14 2019 ( Cumulativety NO.50 ) 中国高新科技 China High-tech 2019年第14期（总第50期） 0 引言 随着电子技术的发展和绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）技术应运而生，为柔性直流输电奠定了技术基础。柔性直流输电不需要传统交流输电系统的换相容量，并且对无源载荷提供电力，并广泛适用于城市供电、偏远地区供电、新能源发电并网等供电新领域。此外，柔性直流输电系统还具有较高的可控性，较低的成本，较小的电力损耗，可实现动态无功补偿等，因此成为当前输电领域研究的热点之一。 柔性直流输电技术中，输电系统的拓扑结构是关键环节之一。合理的拓扑结构能够有效提高直流输电系统的输电效率和可靠性，因此是目前柔性直流输电系统研究的重点。本文将分析柔性直流输电系统的技术原理，并对柔性直流输电系统的拓扑结构进行研究，从而为我国柔性直流输电系统的设计与建设提供理论参考。 1 柔性直流输电系统的技术原理 目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用３种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。1.1 两电平电压源换流器的技术原理 两电平电压源换流器的每一相都有２个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和 IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的２个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出２个电平，最后通过PWM对输出电平进 行调制，最终得到柔性直流输电波形。 图1 两电平电压源换流器示意图 两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT 个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。1.2 多电平电压源换流器的技术原理 多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流 柔性直流输电系统拓扑结构 叶 林 （中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510000） 摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。 关键词：柔性直流；输电系统；拓扑结构；输电方案 文献标识码：A 中图分类号：TＭ131文章编号：2096-4137（2019）14-012-03 DOI：10.13535/https://www.doczj.com/doc/c59213761.html,ki.10-1507/n.2019.14.04 收稿日期：2019-04-30 作者简介：叶林（1987-），男，河南信阳人，供职于中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，研究方向：超（特）高压输电运维柔性直流输电系统拓扑结构。
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流 电压下垂控制 学院： 姓名： 学号： 组员： 指导老师： 日期： 摘要： 多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。 关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器 一、引言 基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。 多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流
高压直流输电系统的保护 XX班程思锦 摘要：简单介绍高压直流输电组成，重点阐述高压直流系统故障及保护功能配置。 关键词：高压直流输电；直流输电优缺点；直流故障；保护原理；0 引言 我国地势辽阔，地形复杂，主要的电力资源分布在西部，而东部沿海地区却是用电大省，如何让西部的电以最小的损耗输送到东部成为我国电力行业的课题。直流输电线路相对交流几乎无无功损耗，输送距离更远等众多优点，因此，高压直流输电就很值得研究。 1 高压直流系统组成 高压直流系统组成部分：三相电源，换流站，输电电缆或者架空线，换流站，交流电网。三相电源是向电网输出电能。电源端的换流站的功能是将交流电变成直流电。输电电缆或者架空线是将直流电进行远距离输送。交流电端的换流站的作用是将直流电变成交流电并输送到交流电网上去。交流电网的作用是将交流电输送到个电力用户。换流站主要设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。
2 直流系统故障 直流输电系统发生的典型故障及其基本特点描述见下表。 3 保护原理及方法 3.1 故障原理 直流线路故障发生时，由于线路电容放电，短路点的故障电流会陡然升高，出过冲。初始故障电流与线路波阻抗有关，比稳态电流值大很多，直流电流过冲的大小与平抗、电流调节器增益和时间常数、故
障点距离、直流电压和故障发生的时刻都有关系。定电流调节器的作用会将稳态短路电流限制在一个较小的数值。直流线路故障一般通过电流的暂态分量和电压变化量进行检测。 直流线路保护是以电压导数法为主保护、线路纵差保护、直流欠压保护作为后备保护；目前，许多工程的主保护也采用行波保护。 3．2 直流线路保护策略 直流线路保护策略应考虑：①直流线路保护只在整流侧有效。②为了区分站内故障和直流线路故障，可以测量直流电流的时问变化率dl／dt。正的dl／dt(正向电流增加)表明故障点在IDL测量互感器线路侧；负的dl／dt值表明故障点在直流场内。③应考虑防止保护在下述情况下误动：整流、逆变侧发生交流故障；极起／停；逆变侧换相失败。④通信异常时，电压水平部分将延时820 ms动作，以与交流系统后备保护时间进行配合。 3．3 直流线路保护动作顺序 直流线路保护出口信号会起动再起动逻辑。再起动逻辑起动后，向控制系统发出移相去游离命令，系统将移相到164，并保持一段时间，这段时间是系统的去游离时间(大约200～500 ms)，使闪络故障经过充分去游离，线路绝缘性能恢复到能够承受正常电压。移相去游离命令之后立即形成再起动命令，将角度拉到60。左右，进行线路再起动，这种状态维持一个较短的时间(4 ms)，防止线路开路引起峰值整流过电压。如果再起动成功，恢复正常送电；如果不成功，可以进行多次再起动，甚至降压再起动，试图将直流电压降低水平运行，这
柔性直流输电技术 目录 简介 (1) 原理 (2) 战略意义 (3) 应用前景展望 (4) 常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5) 一、常规直流输电技术 (5) 二、柔性直流输电技术 (6) 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7) 四.运行方式 (8)
简介 柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。 李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展
的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。 柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，VSC 的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节 原理 与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。 通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，
直流输电系统控制 1 直流输电系统控制的基本原理 如图1-1中所示的直流输电联络线，它表示一个单极联络线或双极联络线中的一个极，相应的等值电路和电压分布情况分别如图1-1(b)和1-1(c)所示。 (a)接线图(b)等值电路(c)电压分布情况 图1-1
从整流器流向逆变器的直流电流为： 直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势αcos dor V 和γcos doi V 来控制线路上任一点的直流电压以及线路电流(或功率)。这是通过控制阀的栅/门极的触发角，或者通过改变换流变压器抽头来控制其交流电压来完成的。栅/门极的控制速度很快(1到10ms)，而变压器抽头切换速度较慢(每级切换为5到105)，这两种方式相互补充，栅/门极控制最先开始动作，随后分接头缓慢调节改变，使换流器控制角(整流器的触发角和逆变器的熄弧角)恢复到正常范围。 功率反送(又称为潮流反转)是通过两端直流电压反向来实现的。 在选择控制特性时，应该考虑下列要求： (1)防止交流系统电压的变化引起直流电流的大波动。 (2)保持直流电压在额定值附近。 (3)保持送端和受端的功率因数尽可能高. (4)防止逆变器的换相失败. 运用换流器的快速控制来防止直流电流的大波动，这是保证直流输电系统满意运行的一个重要要求。直流线路和换流器的电阻很小，因而αcos dor V 或γcos doi V 的微小变化就能引起直流电流的大变动。例如，整流器或逆变器的电压变化25%，将引起直流电流变化达100%.这意味着，如果触发角和熄弧角保持恒定，任一端的交流电压幅值小的变化会引起直流电流在一个很大的范围内变动，对电力系统来说，这样大的波动是不可能接受的。此外，这种大的电流变化可能高到足以损害阀和其它设备。所以，防止直流电流波动的快速控制对系统的正确运行是至关重要的。如果没有这种控制，直流输电系统将是不实用的。 由于 所以，要得到高功率因数，必须保持整流器触发角和逆变器的熄弧角尽可能小。但是，为了确保触发前阀上有足够的电压，整流器有一个最小触发角限制，一般为?5。因为对于晶闸
https://www.doczj.com/doc/c59213761.html, 直流输电保护系统功能及原理 前面介绍了继电保护基本的原则、应用和交流保护，那么我国交流电网的建设发展非常迅速，目前已经到了1000kV，特高压的等级，但是针对我国的能源情况，比方西部的能源非常丰富，但是在东南的负荷非常重，需要进行远距离输电，这样直流输电技术就显示出了它的优势。目前，我国直流输电技术迅速发展，最早葛南89年形成的第一套高压直流输电保护系统，额定输出功率是1200000kW，那么现在特高压800kV的功率已经增长了5—10倍，到了12000000kW，可想而知一旦发生故障或者是误动给系统会带来多大的冲击，那么同时柔性输电由于它在孤岛运行，在城市配电网的增容改造、交流电网大规模互联、风电场并网上都有比较强的优势，因此我国从2006年左右开始对柔性直流输电进行研究，目前在舟山、厦门、南澳、罗平等地都要开展工程应用，马上张家口也要建四端柔直。目前最大电压能够到300到320kV、1000MW这样一个水平。
https://www.doczj.com/doc/c59213761.html, 在介绍直流输电（常规直流或者柔性直流输电保护系统）之前，首先简单的介绍下常规和柔直的保护系统、控制系统、输电系统之间的差异，常规直流输电通常采用晶闸管方式，与采用IGBT或者可关断元器件的直流输电来说，技术上有一些差异，比方说常规是通过相位角来控制的，然后使开断频率在50-60Hz；柔直是上百Hz可自由的关断。对于常规直流来说，会产生谐波，会需要无功补偿而柔直不需要无功补偿。控制常规直流不需要换相，后面会提到换相失败会带来什么样的影响，而柔性是无需交流电网提供换相帮助的，那么常规直流目前做到了±800千伏以上，传输功率达到6400MW，非常适合大系统之间大规模的功率传输，但是它是端对端传输，那么柔直的好处就是占地比较小，不需要电源，适用于风电联网情况，但是目前的电压等级和传输功率有限。 以特高压直流工程为例，来介绍一下直流保护，和交流保护一样，其实都是要保护设备和保护相应的区域在发生故障时快速的隔离，那么直流保护一般是按照区域来进行配置的。根据直流系统的网架结构分为双极区、极区、换流器区就是阀区（我们称之为），还有换流变区、直流滤波器和交流滤波器这几个区域，下面我会把双极区、极区和换流器区这几个保护进行简要的功能介绍和配置，因为换流变、直流滤波器、交流滤波器相对来说比较容易理解就不详细介绍了，其实总的来说直流输电保护比交流保护应该说从原理上还是简单些的，实践起来也不用考虑振荡等复杂的因素，基本上都是门槛值的判断，
柔性直流输电与高压直 流输电的优缺点 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。
2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。