柔性直流输电阀控及子模块控制全接入试验系统设计

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针对模块化多电平柔性直流输电系统联调试验阶段阀控和子模块设计验证环节均存在简化和缺失现象，中国三峡建工集团有限公司、重庆大学等单位的研究人员王琦、杨张斌、彭代晓、刘小勇，在2022年第2期《电气技术》上撰文，设计可实现阀控设备和子模块控制全接入的试验平台。该平台包括与工程采样率一致的合并单元（MU）模拟装置、与工程接口一致的控制模式多样化的极控装置、功能完善的链路延时测试装置，以及可完整实现工程子模块接口和原程序验证的子模块功能模拟装置。通过接入如东工程阀控设备和子模块程序实现了对阀控系统设备和子模块原程序逻辑的验证，同时也验证了所设计试验平台功能的完整性和优良性。

基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统（modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC），相比常规高压直流输电系统具有控制模式灵活、无需交直流侧滤波器、可提供无功输出、无换相失败、占地面积少等优势。

但MMC-HVDC也存在缺陷，如器件耐压水平和通流能力低，尤其在换流阀阀控和子模块自身控制方面，MMC-HVDC控制环节多、接口复杂、阀控与子模块之间传输数据量大、子模块自身控制保护逻辑复杂，因此阀控设备的稳定性和子模块自身控制保护逻辑的正确性对于现场柔直换流阀设备的稳定运行和后期维护工作至关重要。尤其当子模块自身控制保护逻辑存在问题时，会造成子模块损坏或整个直流输电系统停运。

工程现场子模块自身控制保护逻辑需要修改时，必须停运所涉及的整个柔直换流阀，才可对所有功率子模块控制板卡进行程序烧写更新操作。同时，针对个别柔直工程复杂的拓扑系统和特殊的控制策略，需要验证在个别特殊运行工况下子模块控制保护的响应能力，避免工程现场柔直换流阀停运而造成整个电力系统严重的功率损失。

随着MMC-HVDC技术的逐渐成熟、MMC功率器件性能的进一步提升，基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术在电力传输和新能源接入领域应用越来越多，阀控系统控制保护复杂度逐渐增加，需要在设计和验证环节进行严格把控，尤其在控制保护联调阶段能够将所有硬件和软件设计全覆盖进行检测验证，避免将硬件设计缺陷和控制保护逻辑设计隐患带入工程现场，给柔性直流输电工程的稳定运行和电网系统安全带来隐患。

初期基于MMC的柔性直流输电控制系统联调试验阶段，子模块中控板控制层被忽略，阀控控制层采用简化接入方式，尤其是阀控脉冲分配控制层采用等效模拟的方式，试验占用场地小，能够便利快速地接入RTDS/RTLAB实时仿真装置，但也造成阀控设备部分接口和控制功能及子模块控制层的验证缺失。

针对以上问题，有学者采用阀控系统和半实物动模系统相结合的测试方式，能够实现阀控系统的全接入，并且能够验证子模块部分控制保护逻辑，但在极端故障工况下需要验证阀控动态控制性能和子模块的电气应力特性，动模系统模拟极端故障工况可能会造成设备损坏，因此动模系统无法完成极端故障工况的试验验证。有学者提出阀控系统全接入的试验方案，满足了实际工程现场阀控系统软硬件接口的测试要求，同时能够涵盖子模块和阀控接口部分功能的验证，但对子模块控制保护逻辑验证不够完善，仅能够模拟等效简化后的子模块控制保护逻辑，无法接入子模块控制原程序。

对于子模块控制层保护的验证，有学者提出柔直换流阀的型式试验和单独的子模块试验的设计方案和试验方法，可满足换流阀电力电子器件设计和性能验证，以及子模块部分控制保护逻辑的验证，但无法遍历换流阀的运行工况和验证换流阀在各种故障工况下的控制保护特性，同时无法实现工程阀控系统的接入和验证。

相比以往工程控保联调试验阀控系统测试，本试验平台具有的优势如下：

1）以往工程控保联调缺省或简化阀控设备脉冲分配层，本试验平台具备工程阀控设备的全接入，能够验证工程阀控设备所有硬件及内外部接口通信协议，工程阀控的接入不存在简化或缺省环节。

2）工程控保联调试验阀控设备测试需要集合各厂家所有设备，本试验平台具有标准化的功能和性能测试设备，可实现阀控设备的快速功能验证和性能验证。

3）工程控保联调缺少子模块层控制保护及接口验证，本试验平台设计的子模块模拟装置可运行工程子模块中控板程序，可实现子模块级控制保护逻辑及子模块与阀控接口协议的验证。

考虑到基于MMC的柔性直流输电工程阀控和子模块控制保护逻辑的重要性，本文提出全功能便利的阀控和子模块控制保护试验平台，该试验平台能够完整接入工程阀控设备，并且配置有利的极控模拟功能，能够适应半桥、全桥、全半桥混合换流阀阀控的全接入测试，完整验证阀控系统控制保护逻辑和硬件性能，同时为每个子模块设计了独立的现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）芯片，能够直接运行工程子模块中控板的程序，可实现工程子模块中控板程序的完全移植，具备完整验证换流阀阀控系统层和子模块控制层的控制保护逻辑及其各类硬件接口及通信协议的功能。

1 阀控和子模块控制功能简介

基于MMC拓扑的柔直换流阀控制保护包括换流器控制保护层、阀控控制保护层、子模块控制保护层。MMC主电路和控制如图1所示。

换流器控制保护层实现当前换流器整体控制保护，包括直流电压控制、有功无功功率控制、交流电压频率控制、内环电流控制等。换流器控制保护下发阀控的数据包括输出的调制波和配合系统运行工况的解闭锁命令及主备状态。

图1 MMC主电路和控制

阀控控制保护层接收上层控制保护的调制波，叠加环流抑制输出补偿，最终调制波用于电平逼近调制、电容电压平衡控制，计算结果通过各桥臂的脉冲分配装置下发到对应的功率模块，实现换流阀6个桥臂的独立控制，同时将换流阀运行状态和阀控工作状态反馈给换流器控制保护层，实现阀控与极控间顺控时序配合。

子模块控制保护层接收阀控控制保护层下发的子模块控制保护命令及对应器件的导通和关断指令，实现子模块的充电、自检、解锁、投入、切除和旁路等工作方式，同时子模块将自身的运行状态反馈给阀控控制保护层。

2 试验系统整体设计

实际工程阀控系统包含双冗余的阀控主控A、阀控主控B、阀控录波及换流阀健康状态在线监测和诊断装置，换流阀每个子模块也均配置了独立控制保护硬件。

为了实现阀控系统和子模块的全覆盖功能验证，本文设计一种阀控层和子模块层全接入试验系统，系统设计示意图如图2所示，配置了多种控制模式可在线切换的控制保护模拟设备，及其辅助模拟装置，其中所接入阀控设备与工程现场完全一致。阀控控制层中脉冲分配设备可根据需求采用单桥臂接入或多桥臂接入方式，子模块采用原程序接入方案，提供每个子模块独立原程序运行芯片，可实现阀控和子模块控制保护层及阀控辅助设备功能的验证，满足阀控和子模块一些特殊试验功能的需求。

图2 阀控和子模块控制试验系统设计示意图

3 阀控控制层接入设计

与阀控系统连接的装置有极控功能模拟装置、测量系统模拟装置、链路延时测试装置和子模块模拟装置，每个外部设备接口均采用与工程现场一致的协议和接口设计。

1）极控功能模拟装置

极控设备A/B经FT3板与阀控设备A/B一一对应连接，极控功能模拟装置如图3所示，其中，每个FT3板有7对收发光口，每对光口数据收发采用标准FT3格式，与阀控之间的接口协议与实际工程一致，同时可针对不同工程接口需求开发多种接口协议兼容的模式。

图3 极控功能模拟装置

2）测量系统模拟装置

测量系统模拟装置经FT3板发送阀控控制保护所需桥臂电流信号，模拟实际工程中阀控测量系统功能。测量系统模拟装置如图4所示，其中阀控与测量接口协议和数据发送周期为10μs，与工程现场测量系统接口协议及采样率一致。

图4 测量系统模拟装置

3）阀控与延时测试装置

阀控系统性能测试主要包括阀控保护链路延时测试、阀控控制链路延时测试、换流阀状态反馈链路延时测试，每项性能测试均需要相关的特殊功能和特殊发送反馈数据的配合，因此设计链路延时测试装置如图5所示，装置中设计了分光器模拟和延时自动计算显示功能，及通过人机交互界面可实现测试模式的在线切换模式，选择需要测试的延时选项，可实现阀控链路延时测试的快速化、自动化、标准化。

图5 链路延时测试装置

4）阀控与子模块模拟装置接口

阀控与子模块模拟装置接口示意图如图6所示，其中阀控脉冲分配装置中脉冲板连接子模块控制保护模拟装置，接入子模块数量及接口协议与实际工程一致，换流阀桥臂对应的脉冲分配屏和子模块控制保护接口屏一一对应连接，阀控脉冲分配装置下发子模块充电、解闭锁、投入、切除等控制保护命令，子模块控制保护模拟装置反馈子模块电容电压、运行状态及子模块故障时的故障状态。

图6 阀控与子模块模拟装置接口示意图

4 子模块控制保护层接入设计

4.1 子模块模拟装置硬件设计

基于MMC换流阀单个子模块的主要组成包含两部分。

1）第一部分为功率器件及一次设备，包括：绝缘栅双极性晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、二极管、直流支撑电容器、旁路开关、旁路晶闸管（如有）、均压电阻。

2）第二部分为二次板卡及故障检测，包括：高位取能电源板、IGBT驱动器、晶闸管触发板、旁路开关控制板、直流电压采样板、中控板、电容压力超限传感器等。

功率器件一次设备可使用仿真系统（RTDS）进行模拟，二次板卡及故障检测由子模块模拟装置实现，该模拟装置主要采用大规模可编程器件FPGA芯片，具有时序精确、修改模型方便、兼容性强等优点，可以模拟半桥拓扑、全桥拓扑、全半桥混合拓扑子模块结构。

子模块功能模拟装置如图7所示，子模块模拟装置与阀控脉冲分配屏之间光口一一对应连接，每个桥臂子模块功能模拟装置模拟的子模块数量与工程桥臂子模块级数一致，可通过扩展子模块功能模拟装置机箱或屏柜来扩充子模块功能模拟装置模拟的子模块级数。

图7中子模块功能模拟机箱中的模拟板，对外接口方式和工程子模块与阀控接口方式一致。模拟板主要由5颗FPGA芯片组成，其中板上FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4四颗FPGA用来运行现场4个功率模块实际工程的中控板程序，FPGA5用于模拟功率单元上各开关器件动作特性及二次辅助设备功能模拟。

图7 子模块功能模拟装置

FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4四颗FPGA均配有EEROM、RS232接口，一个2位拨码开关及40MHz晶振和上电复位电路。另外，这四颗FPGA及外围电路均为独立电源供电，通过FPGA5控制其是否得电，模拟取能电源的工作特性。

FPGA5配有EEROM、复位按钮、40MHz晶振、2MHz晶振及一个4位拨码开关。FPGA5分别与FPGA1，FPGA2，FPGA3，FPGA4连接，配有28个IO接口，可用于模拟子模块外围设备。

模拟板可实现工程子模块上下行光纤通信验证、子模块控制保护逻辑验证、模拟采样板电容电压的采集、各部分运行状态及故障代码上送和接收阀控下发的通信数据的解析并执行。模拟板功能拓扑如图8所示。

图8 模拟板功能拓扑

4.2 子模块模拟装置功能设计

模拟板含子模块二次模拟部分与子模块控制部分，子模块二次模拟部分与子模块控制部分分别在不同的FPGA芯片上执行，子模块二次功能模拟芯片和子模块控制芯片之间的通信接口及信号定义如下。

1）子模块功率器件驱动功能模拟

功率器件驱动模拟与子模块控制模拟之间接口共有四组信号，考虑子模块为全桥拓扑结构，每组包含子模块控制模拟发送给驱动模拟的IGBT驱动信号，以及驱动模拟反馈给控制模拟的IGBT动作信号。子模块上下功率器件驱动信号互补，死区和最小脉宽与实际参数设置可根据不同工程修改。

驱动故障可以通过仿真终端进行设定，指定器件驱动反馈脉冲宽度和延时，子模块功能模拟板根据反馈脉冲的延时和宽度来检测当前子模块是否出现驱动故障。

2）旁路开关功能和接口模拟

旁路开关接口主要包含子模块控制部分发给旁路开关驱动信号和旁路开关反馈状态。当子模块发生故障触发旁路逻辑时，子模块功能模拟装置发送实时仿真（RTDS）装置旁路开关闭合命令，在设定时间内反馈状态为闭合则旁路成功，否则旁路失败，旁路命令发送延时和旁路开关状态反馈延时可通过人机交互设定。

3）高位取能电源模块接口功能

模拟实际子模块高位取能电源上电时序，子模块电容过电压大于设定电压参数时子模块控制FPGA芯片才能正常运行，阀控与子模块建立通信。取能电源上电电压、故障延时和故障位均可通过人机交互界面进行设置。

4）电容压力超限监测模块接口

模拟电容电压超限监测模块，通过人机交互终端设置故障位，模拟电容压力传感器输出。

5）子模块电容电压测量回路模拟

模拟子模块电容电压测量AD芯片采样时序，与实际功率子模块电容电压逻辑保持一致。子模块电容电压由实时仿真装置按照Aurora协议发送给RTDS接口箱，RTDS接口箱转发给对应的子模块模拟装置，模拟板对应板卡FPGA5芯片模拟直流电压采样、AD采样时钟信号、AD采样输出。

6）晶闸管功能接口模拟

模拟晶闸管驱动功能，模拟板接收到晶闸管触发信号经一定延时后发送对应晶闸管触发命令，可在人机交互终端设置晶闸管触发延时，验证工程旁路开关和晶闸管动作的时序配合。

5 试验功能

阀控及子模块控制全接入实时仿真系统可实现阀控系统内外部接口通信协议验证、阀控系统控制保护功能验证、阀控系统性能延时验证。阀控功能性能试验见表1。

表1 阀控功能性能试验

阀控及子模块控制全接入试验平台可实现子模块控制保护功能的验证、子模块二次辅助设备功能的模拟，以及子模块故障模拟，其中子模块故障试验见表2。

表2 子模块故障试验

6 试验验证

为了验证阀控及子模块全接入试验平台功能和性能，采用RTDS系统和实际工程阀控设备接入的验证模式，系统参数和换流阀参数采用如东海上柔性直流输电工程参数，RTDS装置接收子模块模拟装置脉冲触发命令，实时仿真计算换流阀设备及交直流系统等一次设备的工作特性。

仿真系统结构如图9所示，系统容量为1 100MW，直流电压为±400kV，网侧电压和阀侧电压分别为525kV、416.4kV，换流阀子模块级数为432级，桥臂电抗器电感值为133mH，极控模拟机箱选择控制模式为直流电压和无功功率控制，子模块电容电压额定值为2kV。

图9 仿真系统结构

系统解锁后直流电压参考值设定为800kV，无功参考值设定为300Mvar。系统录波数据为标准COMTRADE格式，试验波形如图10所示，以A相波形为例分析说明试验平台对阀控系统功能及子模块控制保护功能的验证。

1）阀侧电压和正、负极电压分别如图10（a）和图10（b）所示，试验平台极控模拟装置实现了上层极控控制器功能，为阀控系统提供与工程现场一致的接口、控制保护命令和调制波，实现闭环控制功能验证。

图10 阀控功能验证和子模块故障试验波形

2）阀控电平逼近调制如图10（c）所示，上、下桥臂投入模块个数逼近极控下发调制波，电平逼近输出波形光滑无跳变，验证了阀控电平逼近调制计算的正确性。

3）图10（d）为A相上、下桥臂电流，桥臂电流上下对称无畸变，可见环流抑制效果良好，通过对桥臂电流的谐波含量分析可进一步验证阀控环流抑制控制性能。

4）图10（e）为A相上桥臂子模块电容电压最大、最小值，可见阀控电容电压平衡控制功能正确。

5）图10（f）～图10（h）为子模块故障时刻波形，A相上桥臂原有故障模块为8个，在2.488s左右拔掉测试子模块与阀控连接的上行光纤，故障子模块个数加1，如图10（f）所示；在故障时刻测试模块电压由于上行通信中断电压无数据更新保持恒定，如图10（g）所示；故障时刻子模块故障码为32768，转换为二进制对应故障位为上行通信故障，如图10（h）所示。

7 结论

本文所述试验平台依据工程现场阀控外接设备功能需求设计了极控功能模拟装置、链路延时测试装置、测量模拟装置、子模块模拟装置及实时仿真设备接口装置，使阀控系统硬件设计、控制功能、保护逻辑、接口通信协议及设计性能均能够在实时仿真平台得到充分验证。

所设计子模块模拟装置能够独立运行工程现场子模块中控板程序，并且具备模拟子模块辅助设备的控制、驱动和工作特性，使该试验平台具备充分验证工程子模块控制保护软件设计，以及阀控系统硬件软件设计、接口协议、控制功能和设计性能，极大降低了将阀控和子模块控制保护设计缺陷带入工程现场的概率。

通过接入如东工程实际阀控设备和子模块中控板程序，验证了如东海上柔性直流输电陆上换流站阀控系统和子模块控制保护的功能和性能，体现了所设计试验平台验证功能的完整性和优越性。

本文编自2022年第2期《电气技术》，论文标题为“柔性直流输电阀控及子模块控制全接入试验系统设计”，作者为王琦、杨张斌 等。

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