CN1003268B - 直流输电系统 - Google Patents

Abstract

在直流输电系统中，两交流系统通过第一变换器，直流传输线和第二变换器连接，通过直流传输线把功率从一个交流系统传输到另一交流系统，直流输电系统中的第一和第二变换器中作为逆变器工作的至少有一个变换器是能由脉宽控制的电流型自变换变换器。电流型自变换变换器的无功功率是通过控制其交流电压和电流间的相位差角来调整的，直流电压是通过脉宽控制电流型自变换变换器来调整的，直流电流是通过作为整流器工作的变换器来调整的。

Description

直流输电系统

本发明涉及连接于两个交流系统间的直流输电系统。

在一个直流输电系统中，作为整流器工作的第一外部换相变换器和作为逆变器工作的第二外部换相变换器通过直流电抗器和直流传输线在它们的直流端是相互连接的。每个变换器通过变压器和断路器从其交流端连到交流系统。

控制变换器的控制系统在第一＊换器处有一互换功率控制系统而在第二变换器处有一裕度角控制系统。

互换功率控制系统控制作为整流器工作的第一变换器的直流输出电流，以使在第一变换器的交流系统处测出的有功互换功率具有一设定值。在另一方面，裕度角控制系统控制第二变换器的控制导前角使之具有一足以防止第二变换器换相失败的裕度角。裕度角控制器在例如日本专利公报46956/1983中所述，是众所熟知的。

裕度角控制系统在互换功率控制系统控制直流电流时保持第二变换器的正常裕度角，并确定直流传输线的直流电压。因此，直流输电系统能持续稳定工作，如此的控制系统是已知的技术，例如在日本公开专利申请第107443/1975号中已有描述。

用于在二个交流系统间互相连接的和用作为逆变器的外部换相变换器，从交流系统中可以看出，是一个滞后负载，这样，它接受来自交流系统的必须的无功功率。通常地，在这样的情况下，控制变换器无功功率的技术概念还没有被用上。

因此，本发明的一个目的是提供一个直流输电系统，该系统在控制变换器所需的无功功率和两交流系统间的互换功率时，能够以稳定的状态工作。

根据本发明的观点，为达到上述目的，使用一个能进行脉宽调制控制的电流型自换相变换器作为逆变器工作的变换器，其中，变换器无功功率通过控制其交流系统的电压和电流来调整，直流电压通过脉宽调制控制变换器来调整，直流电流通过控制另一个作为整流器工作的变换器来调整。

使用电流型自换相变换器作为逆变器工作的变换器，并用控制装置控制其无功功率，故能使直流输电系统在控制变换器无功功率时以稳定的状态工作，而不影响控制该系统中电压和电流的能力。

在附图中;

图1是根据本发明所述的直流输电系统的第一个实施例的方框图

图2是如图1所示的第一个变换器的电路图;

图3是如图1所示的第二个变换器的电路图;

图4和图5是分别说明不同连接形式的互换功率控制电路的方框图;

图6是说明直流电流控制电路的方框图;

图7，图8和图9是分别说明不同连接形式的直流电压控制电路的方框图;

图10是说明无功功率控制电路的方框图;

图11是说明在脉宽调制控制下的电流型自换相变换器在各相和各支路中的电流导通的定时图;

图12是说明电流型自换相变换器的工作范围的示意图;

图13是说明使功率反向流动的控制电路的方框图;

图14是说明根据本发明所述的直流输电系统的第二个实施例的方框图;

图15是如图14中所示的相位差角控制电路的方框图;

实施例一;

根据本发明第一个实施例构成的直流输电系统的基本电路和控制系统的方框图如图1所示，图1所示的基本电路中，在A端的作为整流器工作的变换器5A可以是电流型自换相变换器或者外部换相变换器。为了下述方便，变换器5A假定为外部换相变换器。作为逆变器工作的变换器5B，在B端用一个电流型自换相变换器。变换器5A由六个可控硅5U，5V，5W，5X，5Y和5Z以三相桥式连接构成，如图2所示。变换器6由六个门断开的（gate-turn-off）可控硅6U，6V，6W，6X，6Y和6Z以三相桥式连接构成，如图3所示，直流电抗器4A和4B连接在变换器5A和6B的直流端。变换器、直流电抗器和直流传输线构成一闭合回路。变换器5A和5B的交流端分别通过变压器3A和3B以及断路器2A和2B连到交流系统1A和1B。

控制外部换相变换器5A的互换功率控制系统设有互换功率控制电路（APC）41，该电路41输出参考直流电流Idp，通过它使有功互换功率Pd等于由互换功率置定装置31置定的参考互换功率Pdp，其中有功换功率Pd是通过有功功率检测器22检测的，该有功功率检测器22输入由设置在变换器5B的变压器3B端的电压变换器13和电流变换器14所检测的电压和电流来供给。直流输电线8的实际直流电流是通过直流电流变压器11A和直流电流检测器21A检测的。为使该实际直流电流等于上述参考直流电流Idp，变换器5A由直流电流控制电路（ACC）42，相位控制电路（PHS）43A和脉冲放大电路（PA）44A控制。

互换功率控制电路41的特别连接方式如图4所示，在图4所示的互换功率控制电路41中，由有功功率检测器22检测的有功互换功率Pd和由互换功率置定装置31置定的参考互换功率Pdp一起由加法器412相加，以获得其差值，该差值由互换功率调整器（APR）411放大以得到控制互换功率的参考直流电流Idp，由于在该型式的直流输电系统中的直流电压基本保持恒定，可用如图5所示的另一个互换功率控制电路41A，其中由互换功率置定装置31置定的参考互换功率Pdp，通过除法器413，被在正常工作时的由直流电压置定装置31置定的参考直流电压Edp相除，以计算Pdp/Edp，并通过加法器414与互换功率调整器411的输出相加，以得到参考直流电流Idp。

直流电流控制电路42的特殊电路连接如图6所示，从图中可以看出，在该控制电路中，由直流电流检测器21A检测的直流电流Id和来自互换功率控制电路41的参考直流电流Idp通过加法器422相加在一起以得到一差值，接着该差值通过直流电流调整器（ACR）421放大，并送到相位控制电路43A。

相位控制电路43A，根据直流电流控制电路42的输出，确定外部换相变换器5A的滞后角，并通过脉冲放大电路44A如前述方式控制触发变换器。

现在回复到图1，自换相变换器5B的控制系数a₂以及交流电压和电流的相位差角θ₂，分别由直流电压控制电路（AVC）51和无功功率控制电路52（AQ₂C）控制，其中直流电压控制电路51输入了由直流电压置定装置32置定的参考电压Edp，无功功率控制电路52输入了由无功功率置定装置33置定的参考值Q2dp。控制系数a₂和相位差角θ₂输入到脉宽相位控制电路（PMC）53中以进一步处理，接着通过开关脉冲放大电路（PA）54提供给变换器。

例如在图7所示的直流电压控制电路51中，由直流电压置定装置32置定的参考直流电压Edp和由直流电压检测器24检测的直流电压Ed通过加法器512相加，得到一个差值，接着供给直流电压调整器（AVR）511，以得到控制系数a₂。该控制系数a₂决定了来自变换器5B的输出信号的脉冲宽度。

在如图10所示的无功功率控制电路52中，电流型自换相变换器5B的无功功率是受控制的，由无功功率置定装置33置定的参考无功功率和变换器所消耗的以及由无功功率检测器23所检测的无功功率通过加法器522相加，得到一个差值，然后输入到无功功率调整器（AQR）521和限制器523，以得到相位差角信号θ₂，限制器523用于使交流电压和电流间的相位差角限制在90°到270°或-90°到90°之间。在本实施例中，该角限制在90°到270°之间。

脉宽相位控制电路53输入来自直流电压控制电路51的控制系数a₂和来自无功功率控制电路52的相位差角θ₂，并输出确定变换器输出的脉冲宽度和相位差角的定时脉冲，通过开关脉冲放大电路54控制变换器的每个可控硅元件的开或关。

现有许多脉宽控制的方法，在本实施例中，电流型自换相变换器的交流电流波形典型地如图11所示。其中，在每个导通支路（导通的可控硅）的每个瞬时波形U到Z对应于如图3中6U到6W所示的每个可控硅的波形，具有120°电角度的矩形波形的交流电流在外部换相变换器中流动，重迭角可予不计，但是，在电流型自换相变换器的情况时，由于脉冲宽度控制，将出现无电流部分φa，如图11所示。该无电流部分φa由控制系数a₂控制，控制系数a₂和电流型自换相变换器5B的交流基波电压和电流间的相位差角θ₂（对应于外部换相的变换器的控制滞后角α）由脉宽相位控制电路53控制。

来自和送到由上述控制的电流型自换相变换器的交流系统的有功和无功功率P和Q，由下列已知的等式给出，其工作区域如图12所示。

P＝a₂·Edo·Id·cosθ₂

Q＝a₂·Edo·Id·sinθ₂

式中，Edo被称为电流型自换相变换器5B空载时的直流电压，表示为 $E_{\mathrm{AC}}\sqrt{3}$ /π（E_AC是交流电压）。Id是通过变换器5B流到直流端的直流电流。

根据本发明的控制系统，当互换功率由互换功率控制电路41和直流电流控制电路42按下述方式，即跟随由互换功率置定装置31置定的参考互换功率Pdp来控制互换功率时，直流电流Id在交流系统1A处控制换相器5A的控制角。

变换器5B的直流电压Ed如式Ed＝a₂Edo·cosθ₂所示，假定变换器5B的来自和送到交流系统的无功功率是由无功功率控制电路52来控制的以跟随参考无功功率Q2dp，则相位差角θ₂相应地被控制。如果参考直流电压Edp增加，则如图7所示的直流电压控制电路51中的加法器512的输出信号也增加。所以直流电压调整器511使控制系数a₂增加以控制直流电压跟随参考直流电压Edp。相反地，如果参考直流电压Edp下降，则工作情况与上述的相反，这样，直流电压Ed要加以控制以跟随参考直流电压Edp。

直流电压如前已述，由直流电压控制电路51通过控制控制系数a₂来调整。在这样的连接情况下，将讨论无功功率控制电路52的工作情况，在此假定电流型自换相变换器5B的工作是接受来自交流系统的滞后无功功率。在该情况下，如果参考无功功率Q2dp增加，如图10所示的无功功率控制电路52中的加法器522的输出信号减小。因此，无功功率调整器521工作以减小其相位差角，并控制无功功率以跟随参考无功功率Q2dp而增加。相反地，如果参考无功功率Q2dp减小，工作情况则上述工作情况相反，控制无功功率以跟随参考无功功率而减小。

说明至此，当直流电流控制电路42控制直流电流以跟随参考直流电流时，互换功率控制电路41控制参考直流电流以得到与直流电压控制电路51控制的直流电压结合在一起控制互换功率所需的电流。此外，电流型自换相变换器5B的无功功率由无功功率控制电路52控制。

根据上述的实施例，不仅直流输电系统的互换功率被控制，而且电流型自换相变换器本身的无功功率也被控制，作为结果，通过利用无功功率能稳定地控制接到电流型自换相变换器的交流系统。

在以上实施例中，为了说明的方便，位于交流系统1A处的变换器以外部换相变换器来描述的。然而，变换器5A同样可以是电流型自换相变换器，在该情况下，为替换掉相位控制电路43和脉冲放大电路44，可用脉宽相位控制电路（在图1中用标号53表示）和开关脉冲放大电路（在图1中用54表示的）取代，其中在变换器5A处的交流电压和电流之间的相位差角由直流电流控制电路42控制。

进一步;如果变换器5A在整流器工作形式时是用于接受来自交流系统的滞后无功功率，则相位差角限制在0°到90°角内，如果它用作于给交流系统提供滞后无功功率，则相位差角限制在-90°到0°之间，如图12可以看出。

在直流输电系统中，这点是常见的，即互换功率不仅从交流系统1A传输给交流系统1B，而且也从交流系统1B传输到交流系统1A。如果需要这样的控制的话，在两个变换器处提供有直流电流控制电路421和422，裕度角控制电路451和452，自动选择较小滞后控制角的选择电路461和462，以及电流裕度置定装置341和342，其中，在作为逆变器工作的变换器处的开关482或481是闭合的以提供电流裕度△Idpm。在以上描述中，为方便起见，假定变换器5A作为整流器工作，同时，通过在无功功率控制电路52中的限制器523限定相位差角在90°到270°间使变换器5B作为逆变器而工作。但是如果限制器523把相位差角限制在-90°到90°间时，变换器5B可作为整流器工作。此外，不考虑变换器5A的型式，即不论是外部换相变换器或电流型自换相变换器，变换器5A在直流电流控制电路42的控制下都自动作为逆变器而工作。这样，显然本发明也可适用于互换功率从交流系统1B传输到交流系统1A的情况。

在上述实施例中，尽管互换功率在电流型自换相变换器交流系统中被检测，但该检测同样也可在直流功率传输系统或在其它电路部分进行。

在以上说明中，使用如图7所示的控制电路作为直流电压控制电路51，其中参考直流电压Edp和检测得到的直流电压Ed的差值被放大并控制直流电压以跟随参考直流电压。但是，电路连接形式可以是如图8或图9的形式。

在图8所示的直流电压控制电路51A中，控制系数a通过参考直流电压Edp，空载电压Edo和相位差角θ₂，根据直流电压可用a₂·Edo·cosθ₂来计算的事实而加以计算。参考直流电压Edp由直流电压置定装置32置定。假定电流型自换相变换器5B的交流电压是恒定的，则空载电压Edo恒定，或者具有通过检测交流电压得到的这一个值。相位差角θ₂可以用加到脉宽相位控制电路53的输入信号的值。

图9所示的直流电压控制电路51B是通过组合图7和图8所示的电路而构成的，其中电流型自换相变换器5B的控制系数a₂加以控制以使直流电压Ed跟随参考直流电压Edp。

实施例二：

在本实施例中，控制电流型自换相变换器的无功功率和直流输电系统的互换功率以保证稳定的工作状态。参照附图14对本实施例进行描述。

在如图14所示的系统中，其特点在于设有相位差角控制电路55取代如图1所示的无功功率控制电路52。相位差角控制电路55由如图15所示的加法器552，无功功率调整器551，运算器554和限制器553构成。加法器552把电流型自换相变换器5B要消耗的并由无功功率置定装置33置定的参考无功功率Q2dp与由变换器5B所消耗的并由无功功率检测器23检测的无功功率Q2d相加。无功功率调整器551把来自加法器552的输出差值信号放大。运算器554把来自无功功率调整器551的输出信号Q2dpc和参考互换功率Q2d作为运算数来进行tan^-1计算，限制器553限制来自运算器554输出的相位差角θ₂在90°到270°（或-90°到90°）之间，为了说明方便，假定限制器553限制的相位差角在90°到270°之间。其它情况与图1所示的相同。

如前面所述的，变换器5B的直流电压以式Ed＝a₂·Edo·cosθ₂给出。同样，相位差角用有功和无功功率P和Q即θ₂＝tan^-1（Q/P）给出。考虑直流电压控制电路51，并假定变换器5B的相位差角θ₂由相位差角控制电路55控制。如果参考直流电压Edp增大，如图7所示的直流电压控制电路51中的加法器512的输出信号增大，这样，直流电压调整器511工作以增大控制系数a₂，并控制直流电压Ed以跟随参考直流电压Edp，相反，如果参考直流电压Edp下降，工作情况与上述的相反，这样控制直流电压Ed使之跟随参考直流电压Edp。

如刚才所述的，通过直流电压控制电路51控制了控制系数a来调整直流电压。下面讨论相位差角控制电路55的工作情况，在此假定变换器5B是以接受来自交流系统的滞后无功功率而工作的。如果参考无功功率Q2dp增加，如图15所示的相位差角控制电路55中的加法器552的输出信号增加，这样来自无功功率调整器551的输出信号Q2dpc也增加。由于输入到运算器554另一个输入端的参考互换功率Pdp是恒定的，因此由运算器计算的相位差角θ₂＝tan^-1（Q2dpc/Pdp）增大以控制无功功率使之跟随参考无功功率。相反地，如果参考无功功率减小，工作情况与上述的相反，这样控制无功功率以跟随参考无功功率。

描述至此，当直流电流控制电路42控制直流电流使之跟随参考直流电流时，互换功率控制电路41控制参考直流电流以获得与直流电压控制电路51控制的直流电压结合在一起控制互换功率所需的电流。此外，电流型自换相变换器5B的无功功率由相位差角控制电路55控制。

由上述可知，同样在图14所示的实施例中，不仅两交流系统间的互换功率被控制，而且电流型自换相变换器本身的无功功率也被控制。

此外，通过控制参考无功功率，使接到电流型自换相变换器的交流系统能以无功功率来加以控制和稳定。

第一实施例提出的多种改进对于第二实施例也同样适用。

在至此描述的第二实施例中，参考无功功率Q2dp可直接加到位于如图15所示的相位差角控制电路中的无功功率调整器551输出端的加法器上。这样做后，参考无功功率的变化直接输入到加法器554上，而不是加到无功功率调整器551上，这样，有可能实现对于参考无功功率变化的快速响应。

此外，在相位差角控制电路55中不用无功功率调整器551，参考无功功率直接输入至运算器554中，可得到上述同样的优点。另外，明显地可相似地使用检测得的值Pd取代加到运算器554的第二输入端的参考互换功率Pdp。总之，不论电流型自换相变换器的相位差角是参考值还是检测值，根据电流型自换相变换器的无功功率与交流系统间的互换功率的比值进行控制。

根据本发明，通过用无功功率控制电路或者相位差控制电路控制相位差角来控制电流型自换相变换器的无功功率，通过用直流电压控制电路控制电流型自换相变换器的控制系数以控制直流输电系统的直流电压，以及通过使用直流电流控制电路通过其它变换器控制流过直流输电系统的直流电流，可以实现在交流系统间的互换功率进行稳定地互换的直流输电系统。

Claims (5)

1、一种直流输电系统，其中两交流系统由第一变换器，直流传输线和第二变换器加以连接，以通过直流传输线把功率从一交流系统传输到第二交流系统，其特征在于所述直流输电系统中所述变换器中至少有一个用作逆变器的是当加有脉冲宽度调制信号时作接通/关断的电流型自换相变换器，及所述逆变器的交流电压和电流之间的相位差角及在所述直流传输线上的直流电压都能响应代表所述相位差角和所述脉冲宽度调制的控制系数来进行控制，且所述直流输电系统包括：控制所述电流型自换相变换器的交流电压和电流间的相位差角的使所述电流型自换相变换器的无功功率具有一预定值的无功功率控制装置;与所述无功功率控制装置无关，对所述电流型自换相变换器的脉冲宽度控制系数进行控制使所述直流传输线的直流电压具有一预定值的直流电压控制装置;以及对第一和第二变换器中的一个作为整流器工作的变换器进行控制，以使流过直流传输线的电流具有一预定值的直流电流控制装置。

2、一种直流输电系统，其中两交流系统由第一变换器，直流传输线和第二变换器加以连接，通过直流传输线把功率从第一交流系统传输到第二交流系统，其特征在于所述的直流输电系统中所述变换器中至少有一个用作逆变器的是当加有脉冲宽度调制信号时作接通/关断的电流型自换相变换器，及所述逆变器的交流电压和电流之间的相位差角及在所述直流传输线上的直流电压都能响应代表所述相位差角和所述脉冲宽度调制的控制系数来进行控制，且所述直流输电系统包括：对所述电流型自换相变换器的交流电压和电流间的相位差角进行控制以使所述电流型自换相变换器的无功功率与所述交流系统间的互换功率的比值为一预定值的相位差角控制装置，与无功功率控制装置无关，对所述电流型自换相变换器脉冲宽度控制的控制系数进行控制以使所述直流传输线的直流电压具有一预定值的直流电压控制装置;以及对第一和第二变换器中的一个作为整流器工作的变换器进行控制，以使流过直流传输线的直流电流具有一预定值的直流电流控制装置。

3、如权利要求1或2所述的直流输电系统，其特征在于所述的第一变换器是外部换相变换器，及所述第二变换器是电流型自换相变换器。

4、如权利要求1或2所述的直流输电系统，其特征在于所述的第一和第二变换器中每个都是电流型自换相变换器。

5、如权利要求1或2所述的直流输电系统，其特征在于第一和第二变换器中每个都包括：直流电流控制装置，裕度角控制装置，自动选择较小控制滞后角的选择装置，电流裕度置定装置，在变换器作为整流器工作时断开所述电流裕度的置定装置以及在变换器作为逆变器工作时接通所述电流裕度置定装置的开关装置。

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