楊岳峰，孫寶奎，馬玲，鞏英才，詹雄，曹均正，唐冉

（1.中電普瑞電力工程有限公司，北京市昌平區(qū)102200；2.北京市直流輸配電工程技術(shù)研究中心，北京市昌平區(qū)102200）

0 引言

隨著我國對于能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提升，模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)在可再生能源并網(wǎng)、新型城市電網(wǎng)改造、孤島供電、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和多端輸電等領(lǐng)域具有極大的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢[1-4]。MMCHVDC具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大等特點，對柔性直流閥控系統(tǒng)功能與性能提出了更高的要求。閥控系統(tǒng)可靠性測試已成為閥控系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的重要部分。

相比于針對子模塊控制器的測試[5]，針對柔性 直 流 輸 電(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)閥控系統(tǒng)的測試更具復(fù)雜性與多樣性，常見閥控系統(tǒng)測試方法有：基于動態(tài)模擬仿真平臺試驗、基于RTDS/RTLAB仿真平臺試驗。文獻[6-8]設(shè)計了動態(tài)模擬仿真平臺用于閥控測試，雖可實現(xiàn)閥控系統(tǒng)全接入測試，但難以擴展到幾百電平的MMC-HVDC系統(tǒng)，且不便于進行系統(tǒng)級操作與故障測試；文獻[9-10]分別基于RTDS/RTLAB仿真平臺搭建了閥控測試系統(tǒng)，RTDS/RTLAB平臺能方便地模擬交直流混合系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)過程，但受制于本身接口數(shù)量，都無法做到對閥控系統(tǒng)進行全接入及全功能測試；文獻[11-12]應(yīng)用接口裝置對物理動模試驗平臺進行接口拓展，實現(xiàn)了閥控全接入功能，但其利用少量的物理模擬子模塊進行子模塊接口拓展，難以真實模擬每個子模塊的動態(tài)特性；且其系統(tǒng)主電路拓?fù)浜唵?，難以精確模擬主電路一次設(shè)備，不便于進行各種暫穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)級功能測試。

針對上述測試平臺的不足，本文基于RTLAB平臺對主電路一次設(shè)備及換流閥進行精準(zhǔn)建模，搭建了一套閥控可全規(guī)模接入、等效工程現(xiàn)場的測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)不僅可以測試閥控全接口、啟動[13-14]、解鎖均壓[15-16]、環(huán)流抑制[17]等基本控制保護功能，還可以遍歷進行子模塊故障、系統(tǒng)級故障[18-19]的測試。該測試平臺及測試方法已應(yīng)用于張北柔性直流輸電工程[20]北京換流站閥控系統(tǒng)出廠測試中。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

從控制保護角度劃分，柔性直流輸電控制保護系統(tǒng)分為3個層次：由極控系統(tǒng)組成的極控制保護層；由閥控系統(tǒng)組成的閥基控制保護層；由子模塊控制系統(tǒng)組成的子模塊控制保護層。閥控系統(tǒng)是實現(xiàn)上層極控系統(tǒng)和底層子模塊控制系統(tǒng)連接的中間樞紐，用于實現(xiàn)柔性直流輸電核心設(shè)備換流閥的控制、保護與監(jiān)視。

圖1 所示為張北四端柔性直流輸電工程拓?fù)?，依托RTLAB實時數(shù)字仿真平臺搭建了閥控系統(tǒng)的全功能測試系統(tǒng)，閥控測試系統(tǒng)主要包括RTLAB實時數(shù)字仿真平臺、極控接口裝置與子模塊接口裝置。

圖1 張北柔性直流輸電工程拓?fù)銯ig.1 Topology of Zhangbei HVDC power transmission project

在RTLAB平臺按照工程參數(shù)搭建了柔直模型，其中，張北站、康保站、豐寧站三端系統(tǒng)的一次線路、換流閥及全部控制保護系統(tǒng)完全由RTLAB全數(shù)字實時仿真平臺搭建完成；北京站主電路、換流閥和極控系統(tǒng)等由仿真平臺搭建，而閥控系統(tǒng)采用真實硬件接入，從而可以實現(xiàn)對張北工程北京站閥控系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試；極控接口裝置實現(xiàn)RTLAB平臺極控系統(tǒng)模型與閥控系統(tǒng)的連接，可模擬極控制設(shè)備的故障；子模塊接口裝置實現(xiàn)RTLAB平臺換流閥模型與閥控系統(tǒng)的連接，可模擬子模塊控制器各類故障以及采集并轉(zhuǎn)換橋臂電流信息。測試系統(tǒng)與實際閥控系統(tǒng)連接示意圖和實物圖如圖2—3所示。

圖2 閥控測試系統(tǒng)連接圖Fig.2 Connection schematic diagram of valve base control test system

1.2 RTLAB平臺模型搭建

RTLAB實時數(shù)字仿真平臺具有模型易擴展、參數(shù)設(shè)置靈活等優(yōu)點，其基于多核處理器和FPGA并行處理技術(shù)，能夠在μs級以下的小步長實時運行，可以精準(zhǔn)搭建MMC-HVDC系統(tǒng)、精確模擬電力系統(tǒng)的各種電磁暫態(tài)。

RTLAB平臺采用FPGA以250 ns的步長模擬MMC換流閥的高速暫態(tài)；同時多核處理器以10~20μs對交流電網(wǎng)及直流傳輸線路進行建模仿真；利用長距離分布參數(shù)線路進行解耦，并利用狀態(tài)空間節(jié)點法進行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分，解決多尺度仿真問題，該平臺可達到單橋臂500個子模塊、6000個仿真節(jié)點的實時仿真規(guī)模。以北京換流站雙極系統(tǒng)為例，在RTLAB中搭建圖4所示系統(tǒng)模型。

圖3 閥控測試系統(tǒng)實物圖Fig.3 Photographs of valve base control test system

圖4 北京換流站RTLAB仿真模型Fig.4 RTLAB platform based simulation model of Beijing Converter Station

RTLAB仿真平臺搭建的模型可方便修改系統(tǒng)運行模式和模擬系統(tǒng)各個區(qū)域故障，從而全面驗證北京站接入的實際閥控系統(tǒng)的全工況穩(wěn)態(tài)運行和系統(tǒng)故障保護功能。

1.3 子模塊接口裝置設(shè)計

針對RTLAB平臺本身配置接口類型、接口數(shù)量以及接口協(xié)議均難以滿足閥控全規(guī)模接入的需求，本文研發(fā)的子模塊接口裝置由一塊核心處理板、若干子模塊接口板、橋臂電流接口板和一套調(diào)試后臺組成，設(shè)計連接如圖5所示。

圖5 子模塊接口裝置設(shè)計Fig.5 Design diagram of submodule interface device

子模塊接口裝置核心處理板采用333 M高主頻SOC處理器，F(xiàn)PGA實現(xiàn)高速并行接口通信，板載ARM單元靈活實現(xiàn)邏輯處理功能，將從RTLAB平臺獲取的子模塊信息與調(diào)試后臺下發(fā)的子模塊故障狀態(tài)協(xié)調(diào)處理，模擬子模塊運行特性與時序。

核心處理板通過高速Aurora通信接口實現(xiàn)與RTLAB平臺的數(shù)據(jù)交互，通信速率高達2 Gbps，單通道可傳輸上百個子模塊的狀態(tài)信息；其鏈路延時可控制在ns級，相比于柔直系統(tǒng)的百μs級鏈路延時可忽略不計。

接口板采用純FPGA硬件設(shè)計，高速并行處理與流水線操作，按照工程標(biāo)準(zhǔn)接口與協(xié)議（IEC60044-8 10 Mbps）同閥控建立一對一通信，接口板內(nèi)部執(zhí)行延時以及與閥控系統(tǒng)的通信延時完全等效工程實際，提高了測試系統(tǒng)的有效性。

橋臂電流接口板將RTLAB平臺固定通信接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換為不同系列閥控系統(tǒng)所需橋臂電流接口與協(xié)議，并補償RTLAB平臺難以模擬的實際工程中CT采樣延時，從而保證橋臂電流從采樣到下發(fā)至閥控系統(tǒng)的延時嚴(yán)格滿足工程實際。

調(diào)試后臺與子模塊接口裝置核心處理板通過千兆以太網(wǎng)通信，可在線設(shè)定子模塊和橋臂電流故障及完成接口裝置工程參數(shù)配置。通過子模塊故障模擬，可遍歷諸如IGBT過流、旁路開關(guān)拒合、驅(qū)動過壓等動模平臺難以模擬的子模塊級故障；人機交互系統(tǒng)的隨機操作與多故障一鍵下發(fā)功能設(shè)計，可模擬子模塊故障工況的隨機性與復(fù)雜性；靈活的橋臂電流故障模擬，實現(xiàn)閥控系統(tǒng)對橋臂電流相關(guān)功能測試；工程參數(shù)配置功能滿足不同系列閥控系統(tǒng)完全按照工程全規(guī)模接入RTLAB平臺的需求。

1.4 極控接口裝置設(shè)計

為了滿足RTLAB內(nèi)極控系統(tǒng)模型與不同系列閥控系統(tǒng)的連接需求，實現(xiàn)通信協(xié)議靈活轉(zhuǎn)換，降低模型中極控系統(tǒng)的復(fù)雜度，自主開發(fā)了極控接口裝置，其由1塊核心處理板和2塊接口板組成，設(shè)計連接示意如圖6所示。

圖6 極控接口裝置設(shè)計Fig.6 Design diagram of pole control and protection interface devices

核心處理板采用FPGA+DSP架構(gòu)，DSP單元進行邏輯功能處理，模擬主從切換、同主/同從故障等功能測試，F(xiàn)PGA單元實現(xiàn)高速并行處理與通信；其與RTLAB平臺同樣采用高速Aurora通信交互數(shù)據(jù)，延時在ns級。

2 柔直閥控系統(tǒng)測試項目

利用本文閥控全接入RTLAB測試系統(tǒng)，可全面、便捷地進行閥控系統(tǒng)設(shè)備級與系統(tǒng)級功能測試，主要測試項目見表1。

常規(guī)的基于RTDS/RTLAB仿真平臺的測試系統(tǒng)[9~10]中換流閥模型一般采用高速等效模型，難以仿真每個子模塊的各種動態(tài)特性，并且對外僅提供高速光纖通信，無法完成閥控接口的一對一接入，因此無法開展表1中閥控通信功能、子模塊故障處理等功能測試；雖然可開展控制功能及系統(tǒng)故障相關(guān)系統(tǒng)性測試，但由于其無法實現(xiàn)閥控系統(tǒng)全接入，其控制保護鏈路延時不能完全等效于工程實際，其測試效果也存在偏差。

基于動態(tài)模擬仿真平臺的測試系統(tǒng)[11-12]無法靈活切換直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行工況，也無法模擬全面的接地等系統(tǒng)性故障，因此其無法滿足表1中系統(tǒng)性控制功能和故障測試。

表1 閥控系統(tǒng)測試項目Table 1 Testing items of valve base control test system

2.1 可控充電策略測試

為抑制解鎖沖擊電流、消除換流閥一次設(shè)備器件差異性的影響，在柔直換流閥啟動控制中引入可控充電控制策略，使子模塊充電到額定工作電壓左右，降低解鎖沖擊電流和黑啟動的風(fēng)險。

換流站運行模式和合閘順序的不同，導(dǎo)致?lián)Q流閥充電方式不同，可控充電也相應(yīng)分為交流側(cè)可控充電、直流側(cè)可控充電和交直流側(cè)可控充電3種模式。以端對端運行模式為例，為了驗證閥控在各種充電工況下邏輯的正確性，設(shè)計如下測試模式，分別如圖7—8所示。

1）充電模式1：本端先合閘，對端后合閘。

2）充電模式2：對端先合閘，本端后合閘。

(2)一段還原過程中氫氣露點的提高能有效促進還原反應(yīng)的遷移效果，得到形貌均勻、還原充分的二氧化鉬顆粒。

圖7 中端對端柔性直流系統(tǒng)依次執(zhí)行本端、對端合交流斷路器和對端解鎖操作，本端換流閥依次進行純交流充電測試、交流轉(zhuǎn)交直流混合充電過程測試和交直流混合充電穩(wěn)態(tài)測試。

圖7 充電模式1合閘順序Fig.7 Diagram of switching order for charging mode 1

圖8 中端對端柔性直流系統(tǒng)依次執(zhí)行對端合交流斷路器、對端解鎖和本端合交流斷路器操作，本端換流閥依次進行純直流充電測試、直流電壓上升過程的直流充電測試和直流轉(zhuǎn)交直流混合充電至穩(wěn)態(tài)過程測試。

圖8 充電模式2合閘順序Fig.8 Diagram of switching order for charging mode 2

在以上6種工況穩(wěn)態(tài)運行和工況轉(zhuǎn)換中，通過自動錄波和手動錄波波形，查看系統(tǒng)各個觀測量的變化趨勢和穩(wěn)態(tài)值是否與設(shè)計值一致，驗證閥控系統(tǒng)可控充電策略是否正確。

2.2 子模塊均壓控制測試

MMC的子模塊儲能電容彼此獨立，各子模塊電容的充放電特性、損耗和電容值等的差異會使電容電壓出現(xiàn)不平衡，為此，閥控設(shè)計子模塊均壓控制算法，確保各個子模塊電壓穩(wěn)定在設(shè)計范圍內(nèi)。

子模塊均壓控制策略，需保證柔性直流系統(tǒng)運行在STATCOM/HVDC工況，功率圓圖各個功率點下，子模塊電壓平衡指標(biāo)和子模塊開關(guān)頻率滿足要求。子模塊均壓測試流程如圖9所示，張北柔性直流輸電工程功率圓圖如圖10所示。

圖9 閥控穩(wěn)態(tài)均壓測試流程Fig.9 Testing flowchart of steady state voltage-equalizing of valve base control test system

圖10 張北柔直工程功率圓圖Fig.10 Power circle diagram of Zhangbei flexible HVDC power transmission project

在子模塊均壓測試中，當(dāng)由于電壓不平衡度或開關(guān)頻率不滿足要求修改附加投切閾值后，閥控測試需重新遍歷STATCOM/HVDC工況下全部功率點，通過反復(fù)迭代測試，獲得滿足要求的子模塊均壓效果。

2.3 環(huán)流抑制策略測試

橋臂電流中疊加二倍頻環(huán)流會導(dǎo)致橋臂電流波形畸變，增大換流器損耗，加劇子模塊電容電壓的波動，從而提高了對子模塊開關(guān)器件和電容的容量要求。為此，閥控設(shè)計環(huán)流抑制策略，抑制橋臂間環(huán)流，使換流閥運行更加安全、可靠、經(jīng)濟。

為驗證閥控系統(tǒng)的環(huán)流抑制效果，與子模塊均壓測試方法類似：利用RTLAB平臺修改換流閥模型，使其運行在STATCOM/HVDC工況的不同功率點；利用閥監(jiān)視設(shè)備進行環(huán)流參數(shù)調(diào)節(jié)，通過反復(fù)迭代，實現(xiàn)閥控在全部運行工況下、功率圓圖各個功率點，橋臂電流二倍頻諧波含量滿足設(shè)計要求。

2.4 保護功能測試

閥控保護功能測試主要包括閥控自檢通信故障測試、系統(tǒng)級故障測試以及子模塊級故障測試。

為全面驗證閥控保護邏輯的正確性，要模擬遍歷各種工況下可能的所有故障進行測試。閥控保護邏輯測試流程如圖11所示，當(dāng)測試發(fā)現(xiàn)閥控邏輯不正確時，在修改程序后，要重新進行故障遍歷，充分驗證閥控保護功能。

圖11 閥控保護邏輯測試流程Fig.11 Testing flowchart of protection logic test for valve base control test system

3 閥控測試系統(tǒng)效果驗證

基于本測試平臺測試的張北柔性直流輸電工程北京站閥控系統(tǒng)已通過工程現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試驗證，文中選取了張北站—北京站端對端調(diào)試的北京站典型試驗工況的波形。

圖12 為工程現(xiàn)場北京站可控充電波形。t0時刻可控充電信號由0變1，閥控啟動可控充電功能；左側(cè)波形為可控充電過程，橋臂模塊投入個數(shù)每隔一段時間切除1個，橋臂模塊平均電壓逐步抬高；右側(cè)波形為可控充電穩(wěn)態(tài)波形，橋臂子模塊投入個數(shù)與子模塊平均電壓維持在設(shè)計值。

圖12 工程現(xiàn)場可控充電穩(wěn)態(tài)波形Fig.12 Steady-state waveform of controllable charging at project site

圖13 為現(xiàn)場在有功功率為0.5 pu工況下的運行控制效果波形，以A相控制效果進行說明。

圖13 中直流母線電壓平穩(wěn)，橋臂子模塊電壓穩(wěn)定于閥控設(shè)計值，橋臂電流波形平滑，二倍頻環(huán)流被控制在0.3%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場要求。

圖13 工程現(xiàn)場大功率解鎖運行波形Fig.13 High-power unlocking operating waveform at project site

圖14 所示為橋臂電流不平衡保護動作的波形。通道1所示，t0時刻人為模擬橋臂電流不平衡故障；通道2所示，t1時刻閥控檢測到故障并生成不平衡保護跳閘信號，同時閥控執(zhí)行換流閥閉鎖，通道3所示直流電壓逐漸下降無明顯過沖。在試驗中閥控準(zhǔn)確檢測到故障，且動作定值、保護延時等與設(shè)計一致，滿足現(xiàn)場要求。

圖14 工程現(xiàn)場橋臂電流不平衡保護動作波形Fig.14 Action waveform of bridge-arm current unbalance protection at project site

通過分析張北工程現(xiàn)場測試與運行波形，閥控的控制保護功能均得到了充分的驗證，表明閥控的控制保護功能經(jīng)過本文設(shè)計的測試系統(tǒng)測試后能夠滿足現(xiàn)場要求，進一步說明文中設(shè)計的基于RTLAB平臺的閥控全接入出廠測試平臺的準(zhǔn)確性與可靠性。

4 結(jié)語

1）本文基于RTLAB平臺搭建的柔直閥控全接入測試系統(tǒng)、提出的測試項目及測試方法滿足閥控系統(tǒng)出廠測試要求，解決了現(xiàn)有閥控測試系統(tǒng)的不足。

2）張北柔性直流輸電工程北京站的現(xiàn)場可靠運行進一步證明文中設(shè)計的測試系統(tǒng)與測試方法的準(zhǔn)確性與可靠性。