李家羊 岑 韜 張 磊 岳 偉 王 健

（1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 510670；2. 榮信匯科電氣技術(shù)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

提高柔性直流輸電換流閥閥控系統(tǒng)性能的方法研究

李家羊1岑 韜1張 磊2岳 偉2王 健2

（1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 510670；2. 榮信匯科電氣技術(shù)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051）

歐美地區(qū)柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，我國(guó)已經(jīng)有幾條示范工程投入運(yùn)行，處于快速發(fā)展階段。隨著國(guó)內(nèi)柔性直流輸電工程電壓等級(jí)和容量的快速提升，對(duì)換流閥閥控系統(tǒng)的性能也提出了更高要求。本文從減小控制器控制周期、采用高速總線VPX、配置專家診斷系統(tǒng)等方面，提出了提升柔直換流閥閥控系統(tǒng)性能的方法。

柔性直流輸電；閥控系統(tǒng)；控制周期；VPX；專家診斷系統(tǒng)

基于模塊化多電平換流器（modular multi-level converter, MMC）的柔性直流輸電換流閥 VSCHVDC（voltage source converter based high voltage direct current），通過(guò)將并聯(lián)在極兩端的電容器分解到每個(gè)高壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）子模塊和子模塊的級(jí)聯(lián)來(lái)解決電壓?jiǎn)栴}。通過(guò)子模塊之間的串聯(lián)來(lái)提高每個(gè)橋臂的電壓耐受水平，具有較好的擴(kuò)展性，這種MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已成為目前柔性直流輸電技術(shù)的主流。隨著國(guó)內(nèi)柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)和容量的快速提升，換流閥橋臂模塊數(shù)量也隨之大幅增加，如何高速、精確的控制換流閥上數(shù)以千計(jì)的閥單元以及提高換流閥閥控系統(tǒng)性能，有效監(jiān)控并保證換流閥安全穩(wěn)定運(yùn)行，已成為柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展需要解決的重要問(wèn)題。

1 柔性直流換流閥閥控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

閥控系統(tǒng)是柔性直流輸電系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，換流閥功能完全依靠復(fù)雜而靈活的控制保護(hù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。閥控系統(tǒng)如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：以太網(wǎng)/光纖通信、換流閥相關(guān)的事件順序記錄及故障錄波、橋臂電流測(cè)量、換流閥環(huán)流抑制及電流平衡功能、直流側(cè)起動(dòng)充電控制、電容電壓平衡控制及脈沖分配、電容電壓保護(hù)過(guò)流保護(hù)、閥差動(dòng)保護(hù)、閥過(guò)流速斷保護(hù)、橋臂電壓和過(guò)壓保護(hù)、雙極短路故障保護(hù)、閥交流側(cè)過(guò)流保護(hù)等功能。

圖1 換流閥控制保護(hù)系統(tǒng)框圖

控制器是閥控系統(tǒng)的核心設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)外已投運(yùn)的柔直工程中采用的控制器主要有：以西門子公司和許繼公司為代表的TDC控制器，這種控制器采用的是 VME64總線；以榮信公司為代表的自定義總線；還有一些公司使用的是CPCI總線。

閥控控制器的控制周期長(zhǎng)短對(duì)直流側(cè)的輸出效果和低電壓穿越、橋臂快速過(guò)流保護(hù)有著很重要的作用。而閥控控制周期的長(zhǎng)短主要是由高速的背板總線和功能強(qiáng)大的CPU決定的。

此外，就國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的柔性直流輸電工程來(lái)看，受換流閥單元多、控制復(fù)雜、關(guān)鍵器件性能等因素影響，柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)相比仍有一定差距。為了盡可能的避免因系統(tǒng)故障引發(fā)的跳閘事件，開(kāi)發(fā)和使用專家診斷系統(tǒng)對(duì)柔直換流閥進(jìn)行在線的診斷就變得尤為重要。

2 提高閥控控制周期的方法

2.1 減小控制器控制周期的好處

通過(guò)減小控制器控制周期，可以從以下3個(gè)方面提高柔性直流換流閥閥控系統(tǒng)性能。

1）降低總諧波畸變率

不考慮電容電壓波動(dòng)引起的交流側(cè)諧波，對(duì)于采用電平逼近NLM（nearest level modulation）調(diào)制方式的VSC-HVDC系統(tǒng)，通過(guò)減小控制器的控制周期，可增加每 1/4周波內(nèi)電平階躍次數(shù)，每次電平階躍幅值降低，從而可以降低交流側(cè)總諧波畸變率。

以 2016年投運(yùn)的云南魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程±350kV/1000MW換流閥為例。其直流電壓700kV，單元額定電壓 2.26kV，每個(gè)橋臂單元個(gè)數(shù)為 310（不考慮冗余），閥控系統(tǒng)控制器周期為100μs，在 Matlab/Siumlink中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真步長(zhǎng)為1e-6s，得到NLM調(diào)制輸出電壓的FFT（fast fourier transformation）波形如圖2所示。

圖2 控制周期為100μs時(shí)輸出電壓的FFT波形

圖3 為閥控系統(tǒng)控制器周期為50μs時(shí)，調(diào)制輸出電壓的FFT波形。由上述波形可知，通過(guò)減小閥控系統(tǒng)控制器的周期，采用 NLM 調(diào)制的輸出電壓波形畸變率降低了45%，提升了換流閥及閥控系統(tǒng)的性能。

圖3 控制周期為50μs時(shí)輸出電壓的FFT波形

2）降低電容電壓峰值

在國(guó)內(nèi)已投運(yùn)柔直工程中，閥控控制器通常采用的電容電壓平衡控制及排序算法主要有兩種，一種是采用電容電壓最大限值投切法，在單元電容電壓達(dá)到最大限值時(shí)，控制該單元投切；另一種是利用單元電容電壓最大最小差值也即排序起動(dòng)電壓閥值，在單元電壓超出閥值后，投切相應(yīng)單元，把橋臂單元電壓整體控制在一定范圍內(nèi)。這兩種方法都是在單元電容電壓超過(guò)某一閥值時(shí)進(jìn)行投切，而在實(shí)際工程系統(tǒng)控制中，單元進(jìn)行排序及平衡控制時(shí)，本周期進(jìn)行排序控制的單元電壓值為上一控制周期采樣得到，因此在單元電容電壓因超過(guò)閥值經(jīng)過(guò)控制進(jìn)行投切時(shí)，實(shí)際觸發(fā)作用到單元上總是延遲了一個(gè)控制周期，而在這一個(gè)控制周期內(nèi)單元電容電壓增加的最大值為

以云南魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程云南側(cè)換流閥為例，其電容為8mF，橋臂電流峰值為1565A，通過(guò)計(jì)算可知該單元電容電壓在一個(gè)控制周期內(nèi)（100μs）的波動(dòng)最大值為20V。因此，通過(guò)減小系統(tǒng)控制周期，能夠降低因采樣控制延時(shí)引起的單元電容電壓增加量，更好地控制單元的電容電壓。

3）減少閥級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)整體延時(shí)

閥級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)整體延時(shí)的減少，有利于直流雙極短路等嚴(yán)重故障的快速保護(hù)和交流側(cè)故障的穿越。

當(dāng)柔性直流輸電直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，電流上升率為 Udc/2L，達(dá)到數(shù) A/μs，而 IGBT瞬時(shí)關(guān)斷能力一般不超過(guò)兩倍額定電流，必須在 200μs內(nèi)關(guān)斷IGBT?？紤]到測(cè)量單元的延時(shí)，因此需要閥控至少在50μs以內(nèi)完成快速過(guò)流的故障檢測(cè)，并閉鎖換流閥。通過(guò)減少閥控控制周期能實(shí)現(xiàn)更短的快速過(guò)流保護(hù)檢測(cè)和出口，降低閥控系統(tǒng)延時(shí)可以增加器件電流的利用率，減小過(guò)流保護(hù)的整定值，從而提高閥控系統(tǒng)整體性能。

柔性直流換流閥交流側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，由于控制保護(hù)系統(tǒng)存在延時(shí)，從調(diào)制命令的生成到執(zhí)行一般需要約 600μs的時(shí)間，閥控大約延時(shí) 200～300μs，也就是說(shuō)從故障發(fā)生到控制保護(hù)對(duì)此故障的響應(yīng)被閥執(zhí)行需要大約600μs的時(shí)間，導(dǎo)致?lián)Q流器電流處于約600μs的失控時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生交流近端短路故障時(shí)，故障電流有較大di/dt，可導(dǎo)致在延時(shí)時(shí)間內(nèi)過(guò)流保護(hù)。因此可以通過(guò)減小閥控的控制周期，進(jìn)而減小閥控與控制保護(hù)通信、命令執(zhí)行的時(shí)間，減小不可控故障電流，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，保障換流閥安全。

圖4為典型交流系統(tǒng)故障時(shí)的響應(yīng)仿真圖形，故障類型為三相短路故障，換流站主斷路器出口側(cè)，故障持續(xù)時(shí)間 0.5s，故障發(fā)生在 1.0s時(shí)刻，大約600μs后控制保護(hù)對(duì)交流故障的抑制才起到作用，期間電流直線增加或減小，處于電流失控狀態(tài)，最嚴(yán)重橋臂電流上升了700A，已經(jīng)臨近保護(hù)定值。如果閥控制周期減小，換流器故障穿越能力就將增強(qiáng)。

圖4 交流側(cè)故障電流圖

2.2 采用高速總線VPX提高控制器性能

目前國(guó)內(nèi)外已投運(yùn)柔直工程的閥控系統(tǒng)控制器主要采用 VME64、CPCI、自定義總線的背板通信方式。隨著換流閥電壓等級(jí)和容量的不斷提升，功率單元數(shù)量大幅增加，對(duì)控制器的性能也提出更高的要求。

VPX總線采用高速串行總線技術(shù)，替代了并行總線技術(shù)，例如：RapidIO、PCI-Express和萬(wàn)兆以太網(wǎng)等，支持更高的背板帶寬。VPX核心交換可以提供32對(duì)差分對(duì)，每對(duì)差分對(duì)理論上可以提供10Gbps的數(shù)據(jù)交換能力，一個(gè)VPX模塊理論上最高可以提供8GByte/s的數(shù)據(jù)交換能力。VPX總線采用交換式結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)整體性能不再受主控板的限制。子板處理器可以在任意時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，而不需要等待總線空閑后才發(fā)起傳輸[1]，在可靠性方面能夠滿足特高壓大容量柔性直流換流閥控制器的要求，并可提升控制器的整體性能。

圖5 VPX總線的單板電腦

VPX采用了由 Tyco公司開(kāi)發(fā)出了模塊化的VPX RT2連接器，該連接器內(nèi)含可控阻抗，低插入損耗，連接緊密堅(jiān)固。

實(shí)驗(yàn)證明，VPX總線控制器不僅能有效地減小控制周期中主控板和子板卡之間的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，而且在主控板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)時(shí)出現(xiàn)了緊急保護(hù)情況下，子板之間還可以將保護(hù)信息直接發(fā)給保護(hù)執(zhí)行板卡，且在這個(gè)過(guò)程中不需要打斷控制周期的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.3 采用高性能CPU提高控制器性能

在主CPU方面，應(yīng)選擇具有豐富串行總線接口的多核高主頻CPU。本文僅對(duì)NXP的T2080芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。其主要參數(shù)如下[2]：

1）4個(gè)主頻1.8GHz的雙線程E6500 power架構(gòu)內(nèi)核。

2）支持64bit的2133MHz的 DDR3。

3）8個(gè)高達(dá)10GHz的SerDes通道和8個(gè)8GHz的 SerDes。

4）4個(gè)PCI-E控制器。

5）兩個(gè)RapidIO 2.0控制器，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率為5GHz。

6）兩個(gè)SATA 2.0控制器。

圖6 T2080結(jié)構(gòu)圖

多個(gè)高速PCI-E和RapidIO增強(qiáng)了該芯片和其他板卡的通信能力。多核多線程、高速的DDR接口以及高速核間互聯(lián)增強(qiáng)了該芯片的計(jì)算能力和事件處理能力。

新的采用T2080的主控板在保證其CPU使用率不大于60%的前提下，浮點(diǎn)運(yùn)算能力為上一代主控板的4倍；順控處理能力是上一代主控板的1.5倍；對(duì)子板通信的速度提高為2倍。

2.4 采用專家診斷系統(tǒng)提升閥控系統(tǒng)的可靠性

專家診斷系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)換流閥數(shù)據(jù)（功率器件溫度[3-5]、電容器容值[6]等），在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，及時(shí)對(duì)柔直系統(tǒng)的健康情況進(jìn)行判斷，并匯報(bào)給設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員。

1）IGBT器件溫度的測(cè)算

采用熱敏感電參數(shù)提取法，擬合驅(qū)動(dòng)電壓降差比與結(jié)溫變化的曲線[7]。通過(guò)單元主控板在線測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用板上FPGA做數(shù)據(jù)處理后得到相關(guān)溫度信息，并將結(jié)果上傳專家系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的 IGBT結(jié)溫上線對(duì)運(yùn)維人員發(fā)出警報(bào)；并在數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理時(shí)將溫度值方差過(guò)高的器件警示給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員，運(yùn)維人員可以在最近的停電檢修時(shí)對(duì)長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行的單元進(jìn)行更換。

2）電容容值的計(jì)算

由式（1）可知得到電容容值的簡(jiǎn)單計(jì)算方法，Δt 和ΔU都可以通過(guò)單元主控板測(cè)量得到i可以采用 IGBT開(kāi)通時(shí)刻的橋臂電流，電容值由專家系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算得出電容值，專家系統(tǒng)可以將每個(gè)電容的平均值和每個(gè)電容的月變化情況和年變化情況存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將檢測(cè)到的容值過(guò)低的單元信息發(fā)送給運(yùn)維人員。

3）專家診斷系統(tǒng)的組成

專家診斷系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D7所示，數(shù)據(jù)采集板卡所在機(jī)箱實(shí)時(shí)接收來(lái)自閥單元和閥控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并傳送給本地PC進(jìn)行緩存，再由本地PC傳送給監(jiān)控室中的服務(wù)器。由于數(shù)據(jù)傳輸和大數(shù)據(jù)分析對(duì)計(jì)算機(jī)資源消耗較大，所以采用兩臺(tái)服務(wù)器，每 12h一輪換的方式接收數(shù)據(jù)。在一臺(tái)服務(wù)器A接收完數(shù)據(jù)后，服務(wù)器B接收數(shù)據(jù)；與此同時(shí)，服務(wù)器A對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出一份分析報(bào)告，然后等待下一次數(shù)據(jù)接收任務(wù)。

圖7 專家診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

柔性直流輸電的專家診斷系統(tǒng)概念是 2016年由中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局和榮信公司第一次提出，并已經(jīng)為云南魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程現(xiàn)場(chǎng)配置了一套，即將進(jìn)入運(yùn)行測(cè)試階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性直流閥組進(jìn)行健康診斷，提升閥控系統(tǒng)的可靠性。該專家診斷系統(tǒng)未來(lái)將與站內(nèi) SCADA系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，將站內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及直流閥組的各種特征量進(jìn)行聯(lián)合分析，為閥控系統(tǒng)控制策略優(yōu)化以及閥組設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3 新閥控系統(tǒng)整體的性能

采用 VPX作為控制器的背板總線，用 T2080作為控制器主控板CPU、具有RapidIO、PCI-Express和萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口的FPGA作為子板通信控制芯片的閥控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，控制周期由原來(lái)的100μs減小到了50μs；從接收到閥控制保護(hù)裝置的控制指令到單元執(zhí)行之間的延時(shí)由原來(lái)的 160μs縮減到了80μs；而快速過(guò)流保護(hù)從判斷出系統(tǒng)需要保護(hù)到單元進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作輸出的延時(shí)，由原來(lái)的65μs縮減到了35μs，減小了過(guò)流的情況下電流上升的數(shù)值，從而使得換流閥更加安全。

與此同時(shí)，專家診斷系統(tǒng)的加入能對(duì)換流閥系統(tǒng)的單元故障作出準(zhǔn)確的警告和長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

4 展望

隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，更快速、更可靠的總線技術(shù)和性能以及更加優(yōu)秀的 CPU能為進(jìn)一步減小控制周期及控制命令和保護(hù)延時(shí)。并且專家診斷系統(tǒng)隨著當(dāng)今流行的人工智能技術(shù)的發(fā)展變得更加智能，并不僅僅是對(duì)閥體的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，還能對(duì)整個(gè)輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀況做出更加智能的判斷，從而對(duì)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行安全起到積極作用。

5 結(jié)論

采用以下方法，可以提高柔性直流輸電換流閥閥控系統(tǒng)性能：

1）減小柔性直流輸電換流閥控制器控制周期能夠降低總諧波畸變率，降低電容電壓峰值，減少閥級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)整體延時(shí)，提高柔性直流換流閥閥控系統(tǒng)性能。

2）采用高速總線VPX和運(yùn)用具有多核、高主頻以及多高速串行標(biāo)準(zhǔn)總線接口的CPU，能顯著縮短柔直閥控控制系統(tǒng)的控制周期，有利于直流雙極短路等嚴(yán)重故障的快速保護(hù)和交流側(cè)故障的穿越。

3）專家診斷系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)換流閥數(shù)據(jù)，對(duì)柔直系統(tǒng)的健康情況進(jìn)行判斷，提升閥控系統(tǒng)的可靠性。

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Research on Improving Valve Control System Performance of Converter Valve for VSC-HVDC

Li Jiayang1Cen Tao1Zhang Lei2Yue Wei2Wang Jian2
(1. China Southern Power Grid Co., Ltd, Tianshengqiao Bureau of EHV Transmission Company,Xingyi, Guizhou 510670;2. Rongxin Huico Electric Technology Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051)

In Europe and the United States VSC-HVDC transmission technology has gradually matured. With several projects put into operation, this technology in China is in a rapid development stage. With the domestic flexible HVDC transmission project voltage level and capacity of the rapid increase in the performance of the converter valve control system also put forward higher requirements.In this paper, we propose a method to improve the performance of flexible HVDC controller system by reducing the controller control cycle, adopting high speed bus VPX and configuring expert diagnosis system.

VSC-HVDC; valve control system; control cycle; VPX; expert diagnostic system

李家羊（1981-），男，湖北武漢人，碩士研究生，工程師，主要從事高壓直流輸電檢修維護(hù)工作。