基本控制原理和运行限制

图4-12a和图4-12b示出了首端换流器V₁、α₁、δ₁或末端换流器V₂、α₂、δ₂固定为某一定值时，中点电压V_r1m（V_M）、V_i2m（V_M）与I_d的函数关系，可称之为直流输电系统的自然特性。

图4-12 首端、末端换流器在整流、逆变工况时的V_M=f（I_d）自然特性

1.调控运行特性和工作点的两种方法

直流输电系统最重要的被控变量是直流电流I_d、直流电压V_d和功率P_d=V_dI_d。由图4-11和整流电压、逆变电压及电流I_d的表达式（4-35）、式（4-36）和式（4-37）可知调控直流输电电流I_d、电压V_d或功率P_d的途径有两个：一是调控交流电源电压V₁或V₂的大小；二是改变变换器的相控角α₁、α₂（或β₂=180°-α₂）或δ₂（或δ₂=逆变角β₂-换相重叠角γ₂）。

（1）调控变换器交流电压V₁、V₂

图4-23中首端变流器交流电压V₁与升压变压器电压比有关，在V_S一定时，改变变压器绕组的分接头，即可增高或降低V₁，从而调控V_d、I_d、P_d；在V_R一定时，改变末端降压变压器的分接头，即可调高V₂或降低V₂，从而调控V_d、I_d、P_d。在输电系统运行中，负荷过大、过小或故障，使V₁、V₂过高或过低时，调控变压器分接头可改变V₁、V₂，可改善系统运行特性。

（2）改变首端或末端变流器晶闸管触发延迟角α₁或α₂（β₂、δ₂），可改变V_d1、V_i2，从而改变直流电压、直流电流和直流输出功率

图4-12a中直线⑩（AH）是当V₁、α₁一定时式（4-38A）的整流器输出的线路中点电压V_r1m随I_d下降的自然外特性。当V₁、cosα₁改变时该特性斜率不变，但平行向上或向下平移。直线⑩是首端换流器处于α₁<90°的整流工况，V_r1m为正值。直线(19)ᣘ是α₁>90°首端变换器处于逆变工况V_r1m（式（4-38C））为负值时的特性。图4-12b示出了类似的末端换流器的V_i2m-I_d特性，直线(20)为α₂>90°，δ₂<90°末端换流器逆变工况时的式（4-39A），直线(29)为α₂<90°整流公式（4-39C）。直流输电系统实际运行中，改变变压器分接头使V₁、V₂改变调控V_d、I_d、Pd速度较慢，每次调节约需5～6s，而改变换流器的触发相位（α、β、δ）调节V_d、I_d、P_d则很迅速，仅需20～30ms。因此在实际运行中，这两种调控V_d、I_d、P_d的方法总是配合使用，当检测到实际运行的V_d、I_d或P_d与指令值有偏差时，为了快速调节应立即改变换流器相控角α（β、δ），使V_d（I_d、P_d）恢复到指令值。如果相控角已达到极限值，I_d仍达不到指令值，或当检测到交流电源电压V₁、V₂偏离正常值超过一定的偏差时，则立即改变变压器分接头。经这种粗调后调控α、β（或δ）角，就能使V_d、I_d或P_d跟踪指令值，使输电系统能在指令工作点稳态运行，且相控角α、δ均在一个合理的范围内。如果系统受到某种扰动使I_d偏离指令值I_d∗，则由式（4-37）可知，通过改变变换器相控角α₁和/或δ₂可以快速调控I_d，使I_d趋近I_d∗。若改变相控角已达到极限值时仍不能使I_d=I_d∗，则应再改变变压器分接头，调节V₁和/或V₂，使I_d回复到I_d∗，同时使相控角α、δ从极限值又回到合理的范围稳定运行。图4-12a、图4-12b示出首端、末端换流器在整流（α<90°）和逆变（α>90°）工况时线路中点直流电压V_M=V_r1m=V_i2m与直流电流I_d的函数关系，即V_M=f（I_d）自然特性。图4-12c的特性⑩是首端换流器处于整流工况时的V_r1m（V_M）与输电电流I_d的自然伏安特性，图4-12c中的特性(20)是末端换流器处于逆变工况时的V_i2m（V_M）与输电电流I_d的自然伏安特性。当输电系统从首端向末端传输功率时，工作点应是图4-12c所示的A点。这时线路中点直流电压为V_M=V_A，输电电流为I_d=I_A，P_d=V_A·I_A。同理当输电系统从末端向首端传输功率时（潮流翻转，P_d反向为负值），末端换流器应处于整流工况特性(29)（V_M为负值，I_d方向不变，功率P_d反向），而首端换流器应处于逆变工况特性(19)。这时的工作点为直线(19)ᣘ和(29)的交点N。V_M为负值V_N，I_d仍为正值，P_d反向为负值。在交流电源电压V₁、V₂一定的情况下，改变两个换流器的α、β角可以调控I_d的大小，调控V_M的大小及正负值，调控P_d的大小和方向，即调控直流输电的工作点。

2.整流运行最小触发延迟角α_min和逆变运行最小关断角δ_min限制

（1）整流运行时最小触发延迟角α_min限制

由图2-12a和图2-12b可知，在A相晶闸管VT₁自然换相点C₁之前，B相电压瞬时值v_b最负，C相电压v_c最正，因此VT₆、VT₅同时导电。从C₁点开始到C₄点的180°时期中，v_a高于v_c，v_ac=v_a-v_c为正值。当VT₆、VT₅仍在导电时，图2-12a中P点电压V_P=v_c，在C1点ωt=30°时，v_a=v_c，v_ac=0。从C₁点开始VT₁承受正向电压，（V为线电压有效值）。晶闸管外加触发脉冲时必须承受一定的外加正向电压，才能即时从断态转入通态，因此为了使外加触发脉冲时晶闸管能即时可靠地准确开通，触发延迟角α（图中α=ωt-30°）不能太小，通常取α_min=5°，这时外加触发脉冲时晶闸管承受的正向电压，足以确保晶闸管可靠准时地开通。控制系统设计中应确保相控整流运行时α≥α_min。

（2）逆变运行时最小关断角δ_min限制(www.xing528.com)

由图2-13b可知，逆变运行时α>90°，逆变角β=γ₂+δ₂<90°，在ωt=30°+α时触发开通晶闸管VT₁后，A相电流i_a=i_T1从零上升，同时C相电流i_c=i_T5从I_d下降。经过一段换流重叠时间t_γ对应的相位角γ后（γ=ωt_γ），i_a=i_T1上升到I_d，而i_c=i_T5下降到零，完成了I_d从VT₅到VT₁的换流过程，即在ωt=30°+α+γ时，VT₅断流。晶闸管断流后必须在其中导电载流子完全中和使其丧失导电性后，才能恢复阻断能力，阻断正向电压下重新导电。如果断流后其阳极-阴极之间又有外加的正向电压，这时即使不再受到触发脉冲作用，晶闸管由于其内部导电的载流子未被中和而仍具有导电性，也会重新开通导电，而使逆变器换流（电流I_d从VT₅转至VT₁）失败。如果晶闸管断流后，仍需有一个时期t_off使它承受外加反向电压才能使其丧失正向导电性和恢复正向阻断电压的能力，t_off对应的角度δ_off=ωt_off。图2-13b中从ωt=30°+α+γ晶闸管断流到ωt=30°+α+γ+δ=180°（C₄点）的关断角δ期间，图2-13a中由于VT₁已导通，VT₅已关断，V_P=v_a，v_c<v_a=V_P，VT₅承受反压，关断角δ对应的反压时间t_δ=δ/ω，为了逆变运行时能可靠地换流，必须使t_δ>t_off，或者必须使δ=ωt_δ>δ_off=ωt_off。在频率f=50Hz的交流系统中，相角δ=ωt=2πft（弧度）=2π×50×180t/π=18×10³t。如果晶闸管恢复阻断正向电压能力所需的时间t_off=0.2～0.4ms（200～400ms），则对应的重新获得阻断正向电压能力所需的恢复角δ_off=3.6°～7.2°。因此为了换流器逆变运行时的安全可靠，逆变运行中换流时晶闸管断流后所剩余的反压期δ角（或称之为关断角δ）必需大于δ_off。所以换流器控制系统在运行中任何时候必须使关断角δ>δ_off=3.6°～7.2°。为了确保换流安全而留有余地，常取δ_min>δ_off。例如当δ_off=7.2°时，实际工程中常取δ_min=15°～18°，因此直流输电运行中为了确保逆变工况时的安全换流必须使关断角δ>δ_min=15°～18°。由于晶闸管触发延迟角α=180°-β=180°-（γ+δ），δ=180°-γ-α。由于δ必须大于δ_min，故由上式δ=180°-γ-α>δ_min，必须有

α<180°-γ-δ_min （4-40）

因此换流器运行时应受限于α>α_min，δ>δ_min，或α<（180°-γ-δ_min），所以换流器触发延迟角α的允许调控范围是

α_min≤α≤（180°-γ-δ_min） （4-41）

如果要求换流器在指令关断角为δ∗下运行，这时的晶闸管对应的相控触发延迟角α_δ∗为α_δ∗=180°-β=180°-（γ+δ∗）。由式（4-34A）可知这时晶闸管触发延迟角α_δ应为

直流输电运行时，触发延迟角α和关断角δ都不能太小，但也不宜过大。α从α_min增大到90°时，由式（4-22B）可知，整流器功率因数越来越低。而逆变运行时，δ由δ_min增大时，由式（4-29B）可知，逆变器功率因数越来越低，这都使直流输电时无功功耗增大。直流电压V_d降低，降低了输电容量，或传输一定有功功率时的电流I_d必须增大，这又增大了有功功率损耗。实际运行中应保证在α≥α_min和δ≥δ_min范围内，同时联合协调控制整流器的α角和逆变器的β角，实现直流输电的安全、经济、高效、优质运行。

3.最大电流I_dmax和最小电流I_dmin限流控制

（1）最大电流I_dmax限制

由于换流阀只允许有限的发热温升，因此不能长时间承受超过其额定值的大电流，也不允许短时（暂态）通过过大的冲击电流。一般地，换流阀的电流上限指定为I_dmax=1.2pu。

（2）最小电流I_dmin限制

加上这个限制是为了保证阀中有足够的直流电流以免出现电流中断运行，电流突然中断断开电路会导致非常危险的暂态直流高电压。这是由于当直流平均电流值较小时，如果有较大的谐波电流存在，谐波电流叠加在直流平均电流上可能出现某一时刻的直流电流中断现象，这时会引起晶闸管上突然出现极高的过电压。I_min的典型值为0.2～0.3pu，如果输电系统中的平波电抗较大，则谐波电流会小些，这时最小电流限制也可取小些。