宋建強，黃永瑞，孟學磊，董朝陽

(許繼集團有限公司, 河南省許昌市 461000)

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特高壓直流輸電閥控動模試驗系統(tǒng)設計

宋建強，黃永瑞，孟學磊，董朝陽

(許繼集團有限公司, 河南省許昌市 461000)

針對近年國內特高壓直流輸電工程中換流閥控制設備的實際運行工況，設計了一套完整的特高壓直流輸電工程閥控動模試驗系統(tǒng)，整個試驗系統(tǒng)包括整流側換流閥、整流側閥控(valve control equipment，VCE)、逆變側換流閥、逆變側VCE、控制與監(jiān)視后臺系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)直接采用工程用晶閘管來搭建微型換流閥，相比實際工程用換流閥，減少了每個單閥的晶閘管數(shù)量，其他換流閥設計參數(shù)與實際工程相同，相較于采用實時數(shù)字仿真(real-time digital simulator, RTDS)系統(tǒng)模擬換流閥參數(shù)的方式，更有利于換流閥及輸電線路參數(shù)的精確獲取與處理，對閥控功能的驗證更加有效。最后對許繼集團研制的VCE800閥控系統(tǒng)進行了試驗，驗證結果表明該閥控動模試驗系統(tǒng)可以滿足特高壓直流工程閥控設備聯(lián)調需要。

特高壓直流輸電; 閥控(VCE); 控制與監(jiān)視系統(tǒng); 動模試驗

0 引 言

特高壓直流輸電技術具有容量大、距離遠、損耗低、調節(jié)靈活等特點，可以有效緩解我國能源基地和負荷中心分布不一致的矛盾。目前我國已成為世界上直流輸電電壓等級最高、輸送容量最大、發(fā)展最快的國家，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，作為“西電東送”戰(zhàn)略的重要組成部分，特高壓直流輸電技術將得到進一步發(fā)展。換流閥控制系統(tǒng)(簡稱閥控系統(tǒng))在直流輸電工程中的主要功能是觸發(fā)、監(jiān)視和保護換流閥，其性能優(yōu)劣直接關系到換流閥及整個工程系統(tǒng)能否可靠、安全地運行[1-2]。因此在閥控出廠前對其進行完整的系統(tǒng)功能驗證，是極其必要的環(huán)節(jié)。

根據(jù)近年直流輸電工程的設備研制情況，直流控制保護系統(tǒng)設備、閥控系統(tǒng)設備、換流閥一般由不同的廠家研制完成。進行特高壓直流輸電工程控制系統(tǒng)聯(lián)調試驗時，一般由各設備制造方根據(jù)實際工程狀況，共同制定試驗大綱。傳統(tǒng)聯(lián)調試驗系統(tǒng)主要由直流控制保護系統(tǒng)、閥控制系統(tǒng)(valve control equipment, VCE)和模擬換流閥參數(shù)的實時數(shù)字仿真(real-time digital simulator，RTDS)系統(tǒng)組成。使用RTDS系統(tǒng)建立的換流閥模型與實際工程用換流閥存在誤差，不利于換流閥及輸電線路參數(shù)的精確獲取與處理，因此本試驗系統(tǒng)直接采用工程用晶閘管來搭建微型換流閥，相比實際工程用換流閥，減少了每個單閥的晶閘管數(shù)量，其他換流閥設計參數(shù)與實際工程相同，相較于采用RTDS模擬換流閥參數(shù)的方式，對閥控功能的驗證更加有效[3-6]。并且對哈鄭直流工程和溪浙直流工程所用VCE800系列產(chǎn)品的控制邏輯功能進行驗證。

通過閥控VCE800在動模試驗系統(tǒng)上的聯(lián)調試驗，驗證本文設計的閥控動模試驗系統(tǒng)定電壓和啟?？刂频瓤刂品绞降姆€(wěn)定性，檢驗其是否滿足特高壓閥控設備與其他控制設備聯(lián)合調試的需求；同時驗證系統(tǒng)所設計的過壓過流跳閘保護、晶閘管故障和冗余耗盡保護跳閘等控制策略的可靠性。

1 閥控動模試驗系統(tǒng)控制策略

根據(jù)高壓直流輸電理論，兩端直流輸電系統(tǒng)的等效電路如圖1所示。

圖1 直流輸電系統(tǒng)等效電路

根據(jù)等效電路可知，從整流側流向逆變側的直流電流為

(1)

式中：Id為直流電流；Udr0和Udi0分別為整流側換流閥和逆變側換流閥的無相控理想空載直流電壓；α為整流側換流閥觸發(fā)角；γ為逆變側換流閥關斷角；drx和dix分別為整流側和逆變側等效電抗；R1為線路電阻。

由圖1和公式(1)可知，不管直流電壓還是直流電流都取決于α、γ、Udr0和Udi0這4個變量，因此上述4個變量是直流輸電系統(tǒng)的控制量，其中，α和γ具有極快的響應速度，通常為1～4 ms；Udr0和Udi0可以通過調節(jié)換流變壓器的分接頭來加以調節(jié)，但其響應速度與觸發(fā)控制角相比要慢得多，通常換流變壓器每調節(jié)1檔需要5～10 s。因此，一般的情況下，對于交流系統(tǒng)中的快速電壓變化，直流輸電系統(tǒng)通過調節(jié)觸發(fā)控制角來維持其性能，而對于交流系統(tǒng)中的緩慢電壓變化，直流輸電系統(tǒng)通過調節(jié)換流變壓器分接頭來使觸發(fā)角維持在其額定值附近。

2 閥控動模試驗系統(tǒng)設計

特高壓直流輸電系統(tǒng)一般是指±800 kV及以上的直流輸電系統(tǒng)，其控制保護系統(tǒng)采用分層分布式結構，完全冗余配置。本文結合哈鄭±800 kV特高壓直流工程，研制了聯(lián)調試驗系統(tǒng)，關鍵部件包括：整流和逆變雙側綜合監(jiān)視系統(tǒng)、整流側控制系統(tǒng)和VCE閥控系統(tǒng)、逆變側控制系統(tǒng)和VCE閥控系統(tǒng)、整流側換流閥和逆變側換流閥[7-9]。

本試驗系統(tǒng)原理如圖2所示，可知其為背靠背直流聯(lián)調模擬系統(tǒng)，此系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)換流閥和閥控設備生產(chǎn)時不能在生產(chǎn)廠家內對其進行全面試驗驗證的問題[10-11]。

圖2 試驗系統(tǒng)控制原理

本試驗系統(tǒng)可以使用以下控制方式對換流閥進行控制：(1)定電流控制；(2)定電壓控制；(3)定熄弧角控制；(4)定觸發(fā)角控制；(5)啟?？刂?。

2.1 試驗系統(tǒng)參數(shù)

研制特高壓直流輸電閥控動模試驗系統(tǒng)主要是為了驗證換流閥控制系統(tǒng)的各項邏輯功能，因此，在滿足上述目標的前提下，動模系統(tǒng)在設計時遵循以下原則，即簡單易操作、損耗小、安全系數(shù)大等[12-13]。閥控動模試驗系統(tǒng)的一次設備主要包括斷路器、換流變壓器、整流側換流閥和逆變側換流閥等。其中，換流閥中的每個單閥由3只晶閘管組成。經(jīng)過綜合考慮，動模系統(tǒng)的關鍵參數(shù)如表1所示。

表1 動模系統(tǒng)關鍵參數(shù)

Table 1 key parameters of dynamic simulation test

2.2 試驗系統(tǒng)控制模塊配合方案

根據(jù)特高壓直流輸電的基本控制策略，并結合閥控動模試驗系統(tǒng)的設計特點，整流側或逆變側控制系統(tǒng)主要由3個基本功能模塊組成：電流控制模塊、電壓控制模塊和熄弧角控制模塊[14]。為了得到理想的外特性曲線，需要3個控制模塊協(xié)調配合完成對兩側換流閥觸發(fā)脈沖的控制。

圖3和圖4給出了本系統(tǒng)所采用的閥組控制方式，該控制方式采用選擇輸入邏輯來實現(xiàn)3個控制模塊的協(xié)調配合。這種方式下，3個控制模塊合用1個PI控制系統(tǒng)。整流運行時，選取ΔI和ΔU中的最小值作為控制系統(tǒng)的輸入。逆變運行時，選擇ΔI，ΔU和Δγ中的最大值作為控制系統(tǒng)的輸入。通過共用同一個PI控制系統(tǒng)的方式，可確保輸出的觸發(fā)角指令在任何情況下都不會發(fā)生突變。在不同的運行模式(整流/逆變)下，選取不同的輸入值(ΔI/ΔU/Δγ)時，也會選擇相應的PI控制系統(tǒng)的比例常數(shù)和積分常數(shù)。控制系統(tǒng)的最終輸出為觸發(fā)角指令。

圖3 控制系統(tǒng)配合方式(整流側)

運用這種控制模塊配合方式時，當有效控制系統(tǒng)在電流、電壓、熄弧角控制模塊之間發(fā)生變化時，變化過程是平穩(wěn)的，不會引起觸發(fā)角指令的突變，也不會使輸送的功率產(chǎn)生任何其他的波動。

圖4 控制系統(tǒng)配合方式(逆變側)

2.3 試驗系統(tǒng)控制和監(jiān)視功能

試驗系統(tǒng)控制功能由整流側控制系統(tǒng)、逆變側控制系統(tǒng)和控制信號接口機箱實現(xiàn)，控制接口機箱同時接收雙極換流閥電壓電流反饋信息，實現(xiàn)過電壓和過電流的跳閘保護功能；綜合監(jiān)視系統(tǒng)由通信網(wǎng)關和計算機監(jiān)控后臺實現(xiàn)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)同時實現(xiàn)對整流側和逆變側控制系統(tǒng)、閥控VCE系統(tǒng)和控制信號接口機箱的運行狀況進行監(jiān)視。

2.3.1 整流側和逆變側控制系統(tǒng)

整流側和逆變側控制系統(tǒng)是實現(xiàn)聯(lián)調試驗系統(tǒng)控制邏輯的核心部分。該系統(tǒng)采用定觸發(fā)角對整流側換流閥進行控制，整流側控制系統(tǒng)根據(jù)輸入換流閥的三相交流電壓的換相角度產(chǎn)生換流閥觸發(fā)控制信號(fire control signal，F(xiàn)CS)，整流側VCE在換相模式下，接收到FCS后發(fā)送觸發(fā)脈沖(fire pulse，F(xiàn)P)導通相應的單閥；而在逆變側采用定熄弧角控制方式，逆變側控制系統(tǒng)根據(jù)熄弧角產(chǎn)生控制信號FCS。

2.3.2 控制信號接口機箱

控制信號接口機箱主要用于產(chǎn)生整流側和逆變側的6個控制信號：主動、備動、斷路器閉合、解鎖、旁通、低電壓信號。例如，當整流側或逆變側控制換流變壓器的斷路器閉合時，控制信號接口機箱監(jiān)視到此信號，產(chǎn)生斷路器閉合有效信號發(fā)送至控制系統(tǒng)與VCE。

控制信號接口機箱還可以監(jiān)視整流側和逆變側晶閘管閥的電流和電壓信號，當過電流和過電壓發(fā)生任意狀況時，控制信號接口機箱將輸出跳閘信號，此信號使相應整流側或逆變側的斷路器跳開。

控制信號接口機箱與通信網(wǎng)關機箱的連接方式為RS485串行通信。

2.3.3 通信網(wǎng)關機箱

通信網(wǎng)關機箱實現(xiàn)了整流側和逆變側控制系統(tǒng)、VCE系統(tǒng)、控制信號接口機箱等與計算機控制后臺之間的連接。通信連接如圖5所示。

圖5 通信連接示意圖

整流側和逆變側控制系統(tǒng)、VCE系統(tǒng)采用RS232通信標準與網(wǎng)關連接，而控制信號接口機箱采用RS485通信標準與網(wǎng)關連接，所有匯總至網(wǎng)關的信息，通過局域網(wǎng)(local area network，LAN)通信與計算機控制后臺進行交互，從而保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與靈活性。

在計算機后臺不僅可以監(jiān)視整流側和逆變側單閥各級晶閘管的狀態(tài)信息，還可以設置晶閘管閥的觸發(fā)角度、移相、電流和電壓保護值等參數(shù)，這些參數(shù)設定后，相應設備的實測值可以返回后臺顯示，從而實現(xiàn)了控制保護和閉環(huán)監(jiān)視功能。

在常規(guī)的直流輸電工程控制保護裝置與VCE的閉環(huán)試驗中，控制后臺一般只是通過與控制保護裝置的連接來間接監(jiān)視閥控信息，而本文提出的綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了計算機后臺與VCE的直接通信，更加保證驗證閥控功能的可靠性與實時性。

3 閥控動模試驗系統(tǒng)驗證

本文設計的閥控動模試驗系統(tǒng)主要為了驗證許繼集團有限公司(以下簡稱“許繼”)自主研發(fā)的VCE產(chǎn)品功能，因此在動模試驗系統(tǒng)中對許繼研發(fā)的VCE800閥控設備進行了控制功能驗證。

3.1 檢驗VCE800控制監(jiān)視功能試驗

檢驗VCE800功能試驗內容主要包括：控制系統(tǒng)FCS相位試驗、整流側VCE800觸發(fā)晶閘管試驗、逆變側VCE800觸發(fā)晶閘管試驗、逆變側VCE800保護觸發(fā)功能試驗、整流和逆變側低電壓時VCE800晶閘管監(jiān)視暫停功能試驗、VCE800投旁通對功能試驗、整流側跳閘試驗、逆變側跳閘試驗等。

其中控制系統(tǒng)FCS相位比較試驗波形如圖6所示。

圖6 FCS1與FCS2相位比較

控制系統(tǒng)FCS測量點輸出電壓為24 V、有效脈寬為120°(工頻)的電平，高電平代表FCS有效，可以看出FCS2與FCS1相位延遲60°，滿足閥控動模試驗系統(tǒng)設計要求。

其他試驗如整流側和逆變側VCE800觸發(fā)晶閘管試驗、晶閘管監(jiān)視暫停功能試驗、保護觸發(fā)功能試驗和投旁通對功能試驗等，測試了閥控VCE800在以上工況條件下，觸發(fā)晶閘管脈沖FP信號滿足不同工況的設計需求。

整流側和逆變側在故障情況下的跳閘試驗，主要目標是檢驗整流側或逆變側換流閥發(fā)生故障時控制保護系統(tǒng)和VCE800構成的整套系統(tǒng)的動作是否正確，包括移相、投旁通對、閉鎖過程的正確性。其方式是通過在VCE800機箱中的接收插件上，拔掉超過冗余數(shù)量的晶閘管回檢光纖，使控制保護系統(tǒng)產(chǎn)生跳閘信號。試驗結果表明，直流保護出口后，移相、投旁通對過程均正確，VCE800與控制系統(tǒng)的配合良好，后臺能正確顯示故障晶閘管的位置。

在上述試驗的基礎上，閥控動模試驗系統(tǒng)進行了完整的直流系統(tǒng)試運行驗證。

3.2 正常啟停試驗

試驗啟動步驟主要包括：換流變壓器網(wǎng)側斷路器閉合、VCE800控制換流閥解鎖、直流功率按給定速度上升到整定值，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

試驗停運步驟主要包括：直流功率按給定速度下降到最小值、VCE800控制換流閥閉鎖、換流變壓器網(wǎng)側斷路器斷開。

試驗系統(tǒng)在啟動過程中，電壓運行至800 V時的波形如圖7所示。

圖7 直流線路電壓800 V時波形圖

試驗系統(tǒng)正常運行時的直流電壓波形如圖8所示。

圖8 直流線路電壓1 200 V時波形圖

根據(jù)試驗系統(tǒng)的參數(shù)，利用PSCAD仿真軟件，搭建了直流輸電系統(tǒng)模型。通過仿真試驗得到的直流電壓為1 200 V時仿真波形如圖9所示。

圖9 直流線路電壓仿真波形圖

圖7～9中均為一個50 Hz工頻周期內的波形。在圖8中，電壓實測值為1 200 V，與仿真結果圖9基本吻合。

在試驗操作過程中直流線路電壓和電流的實測值沒有波動，變壓器等設備不存在異?，F(xiàn)象。

該試驗驗證了本文閥控動模試驗系統(tǒng)的設計功能，通過將新型VCE800作為閥控裝置，有效地實現(xiàn)了整流側換流閥和逆變側換流閥的正常工作[15]，也驗證了VCE800功能的完整性和穩(wěn)定性。

3.3 檢驗VCE800系統(tǒng)切換功能試驗

按試驗3.2中系統(tǒng)正常工作時的起動步驟起動閥控動模試驗系統(tǒng)，當直流線路電壓保持穩(wěn)定，電流升高到一定值時，進行逆變側閥控VCE800的A/B冗余系統(tǒng)切換操作，查看直流線路電壓波形是否有波動，電壓電流數(shù)值是否產(chǎn)生變化，從而驗證VCE800可以實現(xiàn)冗余系統(tǒng)的無縫切換。

直流電壓值為1 200 V、電流值為5 A時，逆變側閥控VCE800從A系統(tǒng)為主B系統(tǒng)為備切換至A系統(tǒng)為備B系統(tǒng)為主，記錄的直流電壓波形如圖10所示。

圖10 VCE800系統(tǒng)切換電壓波形圖

圖中從上至下的信號依次為：直流電壓波形、A系統(tǒng)主動信號和B系統(tǒng)主動信號，高電平代表相應系統(tǒng)主動信號有效，低電平代表其信號無效。圖中顯示了VCE800從A系統(tǒng)為主切換至B系統(tǒng)為主，直流電壓波形保持穩(wěn)定。試驗時變壓器等設備不存在異?，F(xiàn)象。

4 結 語

實際試驗結果表明，本文設計的特高壓閥控動模試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)對閥控VCE設備的關鍵功能驗證，具有功能齊備的監(jiān)控后臺，改善了傳統(tǒng)控制設備聯(lián)調方案的可靠性。其不僅實現(xiàn)了可靠控制閥控VCE觸發(fā)晶閘管導通的過程，還提出了系統(tǒng)級過流過壓保護、晶閘管故障監(jiān)視報警和故障數(shù)量越限跳閘等保護策略，此外還進一步提出了針對閥控VCE的監(jiān)視后臺，所以本文的試驗系統(tǒng)完全滿足新型特高壓閥控設備出廠前聯(lián)調需求，極大提高了相關閥控VCE產(chǎn)品在工程運行中的可靠性。

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(編輯:張小飛)

System Design of Dynamic Simulation Test for Valve Control Equipment in UHVDC Transmission Project

SONG Jianqiang, HUANG Yongrui, MENG Xuelei, DONG Chaoyang

(Xu Ji Group Co., Ltd., Xuchang 461000, Henan Province, China)

According to the actual operating condition of the converter valve and valve control system in UHVDC transmission project in recent years, this paper designed a complete simulation test system for valve control equipment (VCE) in UHVDC transmission project, including converter valve and VCE of rectifier and inverter, and control and monitoring systems. The engineering-used thyristor was used to build miniature converter valve in this test system, so as to reduce the thyristor number of each valve compared with the converter valve used in practical engineering, while the design parameters of other converter valves was the same as that of practical engineering. Compared with the mode that used real-time digital simulator (RTDS) to simulate the parameters of converter valves, this system is more beneficial to the accurate acquisition and processing of the parameters of converter valve and transmission lines, and more effective for the verification of valve control function. Finally, the VCE800 valve control equipment made by XJ Group Corporation was tested. The result shows that the dynamic simulation test system of the VCE can meet the joint debugging test needs of VCE in UHVDC project.

UHVDC transmission; valve control equipment; control and monitoring systems; dynamic simulation test

國家電網(wǎng)公司科技項目(SGKJKJ[2010]815)。

TM 83

A

1000-7229(2015)04-0064-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.011

2014-11-25

2015-03-10

宋建強(1984)，男，碩士，電氣工程師，主要從事?lián)Q流閥控制系統(tǒng)研發(fā)方面的工作；

黃永瑞(1982)，男，碩士，電氣工程師，主要從事?lián)Q流閥電氣設計方面的工作；

孟學磊(1986)，男，本科，電氣工程師，主要從事?lián)Q流閥控制系統(tǒng)研發(fā)方面的工作；

董朝陽(1973)，男，本科，電氣高級工程師，主要從事?lián)Q流閥控制系統(tǒng)研發(fā)方面的工作。