换流器及直流控制保护设备

序

前言

第一部分 换流器

第一章 换流器的结构

第一节 换流器概述

第二节 换流器的设计要求

第三节 换流器元件参数

第四节 换流器结构

第五节 晶闸管级的工作原理

第六节 阳极电抗器

第七节 冷却器

第二章 阀控系统

第一节 硬件系统

第二节 软件系统

第三章 试验与检修

第一节 型式试验

第二节 常规试验

第三节 预防性试验

第四节 日常维护

第五节 特殊性检修项目

附录运行公司使用换流器清单

第二部分 直流控制保护

第四章 控制保护基本原理

第一节 概述

第二节 直流输电的原理及其控制系统

第五章 HVDC控制保护功能要求

第一节 控制系统分层

第二节 基本控制策略

第三节 基本保护配置

第四节 附加控制功能

第五节 控制保护系统冗余

第六节 直流工程控制系统配置方案

第七节 直流工程直流保护配置方案

第六章 南瑞（ABB）控制保护系统工程实现

第一节 控制保护系统总体结构

第二节 控制保护系统冗余实现

第三节 控制系统功能实现

第四节 保护系统功能实现

第五节 控制保护系统自检功能

第七章 许继（SIEMENS）控制保护系统工程实现

第一节 控制保护系统总体结构

第二节 控制保护系统冗余实现

第三节 控制系统功能实现

第四节 保护系统功能实现

第八章 自动化系统

第一节 系统总体结构

第二节 系统冗余实现

第三节 系统功能实现

第四节 服务器数据库软件

第五节 自动化工作子站2100433B

《换流器及直流控制保护设备》为高压直流输电岗位培训教材丛书之一，主要内容包括：换流器的结构、阀控系统，换流器的试验与检修，直流控制保护基本原理，HVDC控制保护功能要求，南瑞、许继控制保护系统，以及控制保护自动化系统。《换流器及直流控制保护设备》可供高压直流输电岗位运行、检修技术人员及管理人员参考，也可作为相关专业院校师生的参考书。

《直流换流站运维技能培训教材:直流控制保护》由国家电网公司运维检修部编著，教材涵盖了直流换流站运行、直流控制保护、换流阀及阀控系统、阀冷却系统的运维技术，特别对现场作业技能进行了详细的描述，编写力求准确、清晰，面向生产一线，突出现场实用性。

控制保护系统定义及现状

直流控制保护系统是直流输电的“大脑”。是直流输电系统安全、可靠、稳定运行的保障。其关键技术主要包括软硬件平台技术、直流控制保护系统设计、阀触发控制、直流保护。ABB，SIEMENS，ALSTOM等作为国际上少数几家能够完整进行直流输电系统设计制造的公司。把直流控制保护系统作为直流输电的核心。投入了大量的资金和人力。不断进行开发和产品升级换代。ABB公司现在提供的MACH2直流控制保护系统是在20世纪90年代初开始开发。

1995年左右开发完成的、我国刚投入运行的龙政直流和三广直流采用的就是这套系统：SIEMENS公司提供的直流控制保护系统被我国南方电网的天广直流和在建的贵广直流中所采用。据悉。ABB已着手开发更新一代的直流控制保护系统。SIEMENS已经推出新的直流控制保护系统Win.TDC。

控制保护系统系统总体结构

直流控制保护系统基本按面向物理或逻辑对象的原则进行功能配置。不同对象的功能之间尽可能少的交换信息。某一对象异常不影响其他对象功能的正确运行。系统分为站层和设备层两大层次。系统总体结构如图《直流控制保护系统结构图》所示。站层主要包括SCADA和远动通信系统及站级CAN网。设备层设备按照功能可分为交直流站控系统、直流极控系统、直流保护系统。

控制保护系统SCADA

高压直流控制保护系统中SCADA系统的软硬件。包括对换流站交流开关场(含换流变及备用间隔)、直流开关场、换流站控制楼、阀厅、通信系统、直流线路、换流站辅助系统等的监视控制以及与远方调度中心和其他监视场所的通信接口等。换流站SCADA系统的作用是用于监视控制高压直流传输系统以及换流站交流系统的运行控制、数据采集和数据处理。

SCADA系统是一个模块化、分布化的全面的计算机网络系统。层次结构清晰。它由过程监视单元、过程控制单元、图形操作工作站和主计算机系统组成。所有过程监视与运行的工作站、主计算机通过局域网(LAN)连接，具有信息共享、资源优化使用和功能分布的网络性能。SCADA系统结构采用开放化设计。将来如有需要便于系统升级和增加新的功能。SCADA系统必须要保证其高可靠性。重要的子系统、设备和网络、通道都采用冗余体系结构，保证在单通道或单硬件故障下不引起系统故障。

控制保护系统交流站控系统

站控系统分为交流站控和直流站控。交流站控系统主要完成交流场、交流滤波器和电容器的监视与控制。其主要功能归纳如下：

• 整个换流站范围内的数据采集及信息处理、上送运行人员控制系统：

• 全站范围内的开关、刀闸和地刀的操作控制；

• 联锁：

• 同期：

• 交流站控系统内部及辅助系统的事件生成和上传至运行人员控制系统：

• 在线谐波监视：

• 对辅助系统的监控接口(包括站用电系统的控制、监视，以及对其他辅助系统的监视功能)；

• 对一次测量装置的接口功能。

以下是交流站控系统的配置原则。

1、采用分散式结构。按面向物理对象的原则进行各站控子系统的配置。不同子系统之间尽可能少的交换信息。某一对象异常不影响其他对象功能的正确运行。配置子系统时充分考虑各子系统的负载均衡。避免某一子系统任务过重。造成运行异常。

2、采用分布式I/O系统。I/O采用按对象设计的原则。即关闭某一对象相关I/O的电源不影响系统及其他对象的运行。

3、采用标准总线CAN和TDM。通信介质采用光纤。提高系统抗干扰能力。CAN总线用于信号量及控制命令的传输。TDM总线用于电压和电流信号的传输。

为了保证系统的高可用性。即不因单一故障影响系统正常运行。交流站控系统的主要系统设计为冗余的。冗余的主要方法是双重化，冗余的范围从输入/输出回路到SCADA，LAN。

控制保护系统直流极控系统

极控系统是整个换流站控制系统的核心。极控系统的控制性能直接决定直流系统的各种响应特性以及功率/电流稳定性。

极控系统功能概要如图《高压直流控制系统功能框图》所示。

控制功能模块包括：极功率控制/电流控制(PPC)；过负荷限制(OLL)；直流功率调制(MODS)；换流器触发控制(CFC)；控制脉冲发生单元(CPG)；无功功率控制(RPC)；开关顺序控制(SSQ)；模式顺序控制(MSQ)；准备顺序控制(RSQ)；电压角度参考值计算(VARC)；换流变压器分接头控制(TCC)；线路开路试验控制(OLT)；站问通信(TCOM)。

运行人员设定功率定值和各种直流功率调制后。功率定值经PPC单元计算得到电流定值，电流定值再送到CFC单元计算得到相应的触发角。CPG单元产生触发脉冲送到阀控制(VC)，CFC还确保触发脉冲在允许限制范围内。

控制保护系统直流保护系统

直流系统保护有以下特点。

a、保护完全双重化配置：1套直流保护可完成所有的保护功能。2套直流保护完成完全双重化保护配置。每套保护自身采取措施保证单一元件损坏本套保护不误动。保证安全性：2套保护同时运行，任意1套动作可出口。保证可靠性。

b、每套保护的防误不依赖于其他套保护，使设备之间关系简单。易维护。

c、每套保护采取的单一元件损坏防误动的措施。

d、每套保护为双输入、双采样、双总线传输、双处理器进行保护运算。

直流保护装置原理如图《直流保护装置结构图》所示。

直流系统保护所保护的设备和范围与换流站的特点密切相关。与一般的交流变电站不同，所要保护的设备和范围有交流母线、交流滤波器；换流变压器：直流系统。

由于经济、技术等方面的优势,直流换流器已得到了广泛的应用,并且还将进一步发展 。Boost升压电路自身没有限流能力。Buck降压电路输出侧有电感存在,因此具备一定的限流能力。本文提出一种具有输出短路保护能力的DC-DC换流器控制方法,将Boost-Buck背靠背结构的换流器通过合理的控制,使其具有很好的负载短路特性。通过电压电流双闭环控制实现正常工作状态下的恒压源输出,当负载短路时,通过采样输出电感电流做闭环控制,使换流器工作于恒流源状态,使其具备短路保护能力 。系统的仿真分析和实验结果证明Boost-Buck换流器利用提出的控制方法具备了良好的负载短路特性。2100433B