一種柔性直流子模塊測試裝置的研制及應用

李興建, 王 慶, 劉洪德, 篤 峻, 于 哲, 張延冬

(1. 南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211100； 2. 國網寧夏電力公司中衛供電公司，寧夏 中衛 755000)

一種柔性直流子模塊測試裝置的研制及應用

李興建1, 王 慶2, 劉洪德1, 篤 峻1, 于 哲1, 張延冬1

(1. 南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211100； 2. 國網寧夏電力公司中衛供電公司，寧夏 中衛 755000)

本文針對柔直輸電系統缺乏調試手段的現狀，提出一種用于模塊化多電平柔直子模塊自動調試的方法，設計了一種測試裝置,包括管理單元、模塊化多電平換流器(MMC)控制模擬單元、采集單元和能量輸出單元。能量輸出單元給子模塊供電， MMC控制模擬單元模擬閥控協議控制子模塊功能測試，采集單元采集子模塊相關的電壓狀態，管理單元結合采集信息和通信狀態信息共同輔助測試判斷，從而完成柔直輸電系統子模塊的自動調試，工程實際表明該方法完全適用于現場驗收測試以及出廠調試的需要。

柔性直流輸電;子模塊;自動測試

0 引言

柔性直流輸電技術是當今電力電子技術應用的制高點，其特點是采用全控型器件的電壓源型換流器進行直流輸電[1,2]，采用具有關斷電流能力的絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)，可以應用脈寬調制(PWM)技術進行無源逆變[3,4]，具有傳統直流輸電不具備的諸多優點[5,6]，可以直接向遠距離的小型孤立負荷供電，連接分散電源，運行控制方式靈活多變，可以減少輸電線路電壓降落及閃變，提高電能質量[7]，因此得到了大力的推廣應用。2011年5月，國內首個柔性直流示范工程——上海南匯柔性直流輸電工程成功運行[8]；2013年12月,世界第一個三端柔性直流輸電工程——南澳工程正式投運；2014年7月,世界第一個五端柔性直流輸電工程——舟山工程正式投運[9]。

隨著模塊化多電平直流換流器型高電壓直流輸電(MMC-HVDC)的成功應用，越來越多的國家對多端柔性直流輸電技術表現出濃厚的興趣并付諸工程實施[9]。

子模塊是MMC的基本單元，其工作是否正常關系到MMC的安全穩定運行。子模塊與以往傳統的交流保護裝置相比，控制的對象、控制的方式都不一樣，無法像傳統保護裝置一樣進行調試。在工程現場和生產測試中急需調試效率高，調試模式先進的子模塊測試裝置。

1 子模塊的工作原理及調試現狀

借鑒傳統直流輸電的分層控制思想，柔性直流輸電控制系統分為三個層次：極控層、閥控層、子模塊控制層[10,11]，它們之間的關系如圖1所示，工程現場驗收測試和出廠驗收測試中往往按照分層的關系分級調試，分別對極控層裝置、閥控層裝置以及子模塊控制層設備進行調試完畢，最后再進行整個系統的聯調測試。

圖1 柔性直流輸電控制系統分層Fig.1 Layered control system for flexible HVDC

目前工程現場柔性直流輸電的系統聯調調試采用實際運行方式通電進行測試；出廠驗收測試或者研發調試一般采用RTDS/RT_LAB/PSCAD/ EMTDC 等仿真系統對系統故障進行仿真[12-14]，然后采用接口轉換板卡將故障轉換成廠家的數據通信協議，接入極控設備和閥控設備進行調試。這種測試方法受現場條件的限制比較多，實際運行的系統不可能模擬所有場景和所有工況的故障，而且試驗過程繁瑣，工程浩大，不可避免存在一些測試死角；RTDS/RT_LAB仿真系統是驗證柔性直流系統的絕佳方案，但是這兩種方法比較適合驗證系統的保護邏輯，沒法有針對性的測試出直流保護系統的硬件故障，也不方便在現場應用。

系統測試由于某些破壞性故障試驗等原因，存在一定測試死角，因此有必要在分級測試時，對各層設備進行完備充分的測試，以保證柔直輸電系統運行的可靠性。

極控層和閥控層裝置跟傳統的保護裝置相類似，可以借助原來的調試儀器進行邏輯測試。柔直子模塊控制層測試是分級測試的難點，柔性直流輸電工程一般采用MMC,MMC橋臂由子模塊串聯組成，每個橋臂的串聯模塊達到數百個，整個換流站子模塊將達到數千個。目前的測試及試驗主要依靠輔助電源、萬用表等工具進行，這些工具不易攜帶，測試方法也不成熟，無法單獨測試，需要和柔直輸電系統的閥控層配合甚至極控層配合才能進行，測試的快速性和準確性不能兼顧。一些廠家由于缺乏有效的測試手段，干脆放在系統測試中進行測試，但有一些對系統有損害的故障在系統測試中無法檢測出來,因而對子模塊的測試不夠充分，給柔直輸電系統的可靠運行帶來了一定的隱患。

由于上述的問題，有必要研制一種全新的子模塊測試裝置，采用自動化的測試方法，為柔直輸電系統數量龐大的子模塊提供高效、自動、全面的測試，以保證柔直輸電系統的可靠運行。

2 柔直子模塊測試系統總體設計

柔直子模塊測試系統架構如圖2所示，柔直子模塊測試裝置包括管理單元、可擴展的MMC控制模擬單元、采集單元和可控能量輸出單元幾個功能模塊。

(1) 管理單元。管理單元提供人機接口,用于根據工程需要配置MMC控制模擬單元的數量和采用的控制協議，配置采集單元的數量和采樣計算參數，控制能量輸出單元的輸出，根據配置控制柔性直流保護系統的測試過程。管理單元通過MMC控制模擬單元接收被測柔直子模塊的通信報文獲取狀態數據，通過采集單元的采集數據,結合狀態數據自動判斷測試結果，并給出測試報告。

(2) MMC控制模擬單元。該單元用于模擬柔性直流閥控單元對子模塊進行控制,采用FPGA(現場可編程邏輯門陣列)實現柔性直流子模塊控制協議的模擬,協議的格式、時鐘頻率等可靈活配置，用于支持不同直流系統的測試。實際測試中MMC控制模擬單元的數量也可以根據需求靈活擴展，該單元通過光纖模擬閥控單元的通訊協議控制柔直子模塊的IGBT的導通關斷、閉鎖、解鎖、KM開關分合等，并接收柔直子模塊的反饋的狀態數據,解析后傳遞給管理單元。

具體的功能架構圖3所示，中斷循環的時間間隔根據子模塊單元協議而定。子模塊所采用的數據協議通過管理單元從內置協議庫中選取，該中斷是高速率中斷，實際采用的中斷頻率一般為20 MHz。如此高速信號要完成數據模擬和編碼需要處理器性能比較強，故本文采用數字信號處理芯片(DSP)+現場可編程門陣列(FPGA)的實現方式。DSP的中斷循環中模擬的數據，通過FPGA進行物理層的數據編碼；接收到的狀態數據通過FPGA解碼后，在中斷中實時讀取，狀態數據包括開關數據、故障代碼、溫度數據、采樣數據、版本信息等，由于中斷數據速率太高，需要根據數據類型進行數據處理后再傳輸給管理單元。

圖3 MMC控制模擬單元Fig.3 The structure of MMC control and simulation unit

(3) 采集單元。該單元用于采集柔性直流子模塊動作時的模擬量信息，主要是各個測試采樣點的直流電壓，用于輔助柔直子模塊測試結果的自動判斷。采集單元的功能架構如圖4所示。

圖4 采集單元構成Fig.4 The structure of sampling unit

采集單元采用兩級中斷處理方式，高速采集任務放在中斷1中實現，在中斷1實時采集各個測試采樣點的數據，在次級中斷2中計算數據的平均值，由于各個測試點都是直流數據，故其數據的計算采用公式(1)：

(1)

其中M(i)為各個采集通道的有效值；u(j)是各個采樣點的實時采集數據；N為每個中斷2的時間所采樣的點數。

(4) 能量輸出單元。該單元采用市電供給能源，通過管理單元控制輸出交直流電壓源，給柔性直流子模塊充電，保證測試不需要輔助電源或者系統其他部分的配合。能量輸出單元采用可調節控制技術，控制輸出交直流電壓源，以滿足不同工程測試的需要，圖中的RLY1-RLY3以及K1均由管理單元控制。

圖5 能量輸出單元構成Fig.5 The structure of energy supplying unit

柔直子模塊測試裝置采用數據和控制總線方式，各個單元模塊采用分布式架構布置在裝置內，每個單元都是獨立CPU的智能模塊。由管理單元通過控制和數據總線統一控制和管理，數據總線采用CAN總線，負責下發測試任務的數據。控制總線包括同步脈沖信號、控制輸出信號，負責其他各個職能單元模塊的同步協調。其構成如圖6所示。這種分布式和智能模塊的方式決定了裝置可以根據工程需要靈活擴展，不僅硬件支持靈活配置，所采用的通信協議也可以靈活擴展,既可根據需要同時測試多個子模塊，以節約測試的時間，也可根據工程需要擴充支持不同柔直模塊的測試。在工程應用中，用此測試裝置完成了MMC子模塊、阻尼子模塊以及動態無功補償及諧波治理裝置(SVG)工程的測試，這種分布式智能模塊的組合模式是本測試裝置的創新。

圖6 柔直子模塊測試裝置構成Fig.6 The structure diagram of sub-module tester

3 柔直模塊測試系統的測試過程

對于柔性直流MMC子模塊的測試，主要測試項目覆蓋均壓電阻RJ、直流電容C、子器件IGBT1、子器件IGBT2、真空接觸器KM、SMC板卡等主要元器件,對這些器件的正常和異常情況都能進行檢測和判斷。測試時通過MMC控制模擬單元模擬各個器件的控制協議，根據邏輯依次開通IGBT1、IGBT2、KM等控制器件，根據各器件正常動作的判據判斷是否正確動作，如果器件異常則指明故障原因。

MMC子模塊測試時接線原理如圖7所示。

圖7 MMC子模塊測試接線Fig.7 The wiring diagram of sub-module

依據圖7以空載測試和KM測試為例對檢測的原理進行簡要闡述: 空載測試時通過MMC控制模擬單元對MMC子模塊發送控制命令交替開通IGBT1和IGBT2,開通的頻率為400 Hz，其中開通IGBT1的時間為t1，開通IGBT2的時間為t2，IGBT1與IGBT2的驅動信號互補，即開通IGBT1時IGBT2必須關閉，且t1∶t2需要滿足一定的關系，典型參數為3∶2的關系。測試開始時，開通命令、開通頻率、導通時間的比例關系等通過管理單元發送給MMC控制模擬單元，MMC控制模擬單元的中斷循環中，根據這些參數實時產生控制命令，由FPGA編碼輸出控制子模塊單元，同時MMC控制模擬單元實時解碼子模塊單元的狀態數據，采集單元則實時采集并根據簽署的公式(1)計算各個采集點的電壓值。如果IGBT1、IGBT2及控制部分正常工作，則開通時各測量點之間的電壓變化如下。

DC+和A點之間的輸出電壓的平均值應滿足式(2)：

VDC+,A=VDC+,DC-×t2/(t1+t2)

(2)

A點和DC-之間的輸出電壓的平均值應滿足式(3)：

VA, DC-=VDC+,DC-×t1/(t1+t2)

(3)

其中VDC+,A為DC+端和A點之間的電壓；VDC+,DC-為DC+端和DC-端之間的電壓；VA,DC-為DC+端和A點之間的電壓。

根據采集單元實時采集的各測量點之間的電壓值，綜合MMC子模塊的狀態值，可以判斷IGBT1、IGBT2是否正確動作，并能根據采樣點數據和狀態數據判斷出現問題時的故障原因，結果顯示如圖9所示。

真空接觸器KM測試：通過光纖通道給MMC子模塊下發閉合真空接觸器KM命令，則閉合時各測量點之間的電壓變化為：VDC+,A由0.5倍VDC+,DC-變為VDC+,DC-，VA, DC-由0.5VDC+,DC-變為0。

根據采集單元實時采集的各測量點之間的電壓值，綜合MMC子模塊的狀態值，即可以判斷KM是否正確動作，如果KM拒動，則根據采樣點數據和狀態數據判斷出現問題時的故障原因。

根據柔性直流工程的需要,測試項目分為自動測試和單項測試，自動測試包括順序進行子單元直流側充電、子單元狀態檢測、功能測試(單個IGBT開通關斷測試)、空載測試(2只IGBT交替開通關斷測試)、真空接觸器KM測試、均壓電阻RJ測試，測試結束后進行子單元直流側快速放電操作,以保證測試人員的安全。單項測試為上述測試項目的分項測試，即分別進行功能測試(單個IGBT開通關斷測試)、空載測試(2只IGBT交替開通關斷測試)、真空接觸器KM測試、均壓電阻RJ測試。其中每一項測試都包括子單元直流側充電、子單元狀態檢測和直流側放電操作。單項測試的目的是為了自動測試出問題排查后,快速進行相關測試項的再次試驗,節省試驗時間。測試的流程如圖8所示。

圖8 子模塊自動測試流程Fig.8 The flow chart of automatic test for sub-module

現場測試中不僅要能進行自動化測試,更重要的是測試出問題時,能準確指示出故障的位置和具體的原因,本文的測試系統中充分考慮了這個問題,通過液晶給現場測試人員提供詳盡的界面顯示,如圖9所示,并在管理單元中保存測試項目的報告,工程測試完畢可以上傳到計算機,通過數據庫和管理后臺提供測試管理。

圖9 子模塊自動測試結果顯示Fig.9 The result figure of automatic test for sub-module

4 柔直子模塊測試裝置的工程應用

柔直模塊測試裝置解決了柔直輸電工程調試中存在的實際問題,在出廠試驗、舟山五端柔性直流輸電工程投運驗收過程中發揮了實際作用。舟山五端柔性直流輸電示范工程中，每個橋臂子模塊的個數約為270個(包括約20個冗余配置)，每端包含6個橋臂，測試任務繁重，如果按照以往的測試方法，工作量巨大，而采用本文的測試系統，包括測試接線在內，每個子模塊完成自動測試僅需3分鐘左右，大大加快了項目驗收的進度，其便攜、自動、全面的測試手段為工程投運的順利實施作出了貢獻。

5 柔直模塊測試裝置的優勢和不足

本文所介紹的柔直子模塊測試裝置使用對象定位為用戶和現場工程服務人員，盡量簡化其操作步驟，主要用途是可以檢驗柔直輸電系統子模塊的安裝工藝的正確性，控制邏輯是否與設計一致，主子器件的完好性，是否可以被可靠觸發，各主要元器件是否正常工作，工作異常時自動定位故障位置方便測試人員排查。測試時自備取能單元簡化了測試過程，自動判斷自動定位故障，減少了測試時間，其協議及數量靈活可擴展的特點，可以適應不同工程測試的需求。

但是柔直子模塊測試裝置也存在一些不足,所采用的控制協議不具備通用性，不能兼容其他廠家的模塊測試；僅僅模擬了閥控單元對子模塊進行測試，沒有涉及到柔直輸電系統的極控層、閥控層，因而無法對整個柔直系統進行全部測試。針對這些不足，將在后續的工作中結合實際情況給出更好的解決思路。

6 結語

本文在充分研究當前柔直輸電測試工作中存在的實際問題基礎上，設計并開發出了一種柔直子模塊測試裝置。該裝置符合柔直輸電系統子模塊測試的應用場景,解決了以往測試手段的不足，提高了故障定位的命中率，節省了測試的時間，并在出廠試驗和舟山柔直工程中得到了應用。工程實踐表明，該測試裝置所采用的試驗方法，原理可靠，并貼近工程使用的實際情況，為柔直輸電系統工程的運檢、驗收提供了有效的測試手段。

[1] 徐 政，陳海榮. 電壓源換流器型直流輸電技術綜述[J].高電壓技術,2007,33(1):1-9. XU Zheng, CHEN Hairong. Review and application of VSC HVDC[J]. High Voltage Engineering, 2007, 33(1):1-9.

[2] 董云龍,田 杰,黃曉明,等. 模塊化多電平換流器的直流側主動充電策略[J]. 電力系統自動化,2014, 38(24): 68-72. DONG Yunlong, TIAN Jie, HUANG Xiaoming. A DC-side active charging strategy for modular multilevel converters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(24):68-72.

[3] 胡航海,李敬如,楊衛紅,等. 柔性直流輸電技術的發展與展望[J]. 電力建設, 2011,32(5):62-66. HU Hanghai, LI Jingru, YANG Weihong, et al. The development and prospect of HVDC flexible technology [J].Electric Power Construction, 2011,32(5):62-66.

[4] 殷樹剛,苗培青,拜克明,等. 利用特高壓技術提高全球能源使用效率[J]. 中國電力, 2010,43(5):1-5. YIN Shugang, MIAO Peiqing, BAI Keming, et al. To improve utilization efficiency of global energy resources though UHV power transmission technology[J]. Electric Power, 2010, 43(5):1-5.

[5] 喻 鋒,王西田,解 大. 多端柔性直流下垂控制的子參考值修正方法[J]. 電力自動化設備, 2015, 35(11): 117-122. YU Feng, WANG Xitian, XIE Da. Power reference correction method for droop control of VSC-MTDC system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(11):117-122.

[6] 胡兆慶,毛承雄,陸繼明. 適用于電壓源型高壓直流輸電的控制策略 [J]. 電力系統自動化, 2005,29(1):39-44. HU Zhaoqing, MAO Chengxiong, LU Jiming. A novel control strategy for voltage sourced converters based HVDC[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(1):39-44.

[7] 湯廣福. 基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M]. 北京:中國電力出版社,2010. TANG Guangfu. Key techniques for HVDC power transmission system based on voltage source converters[M]. Beijing: China Electric Power Press,2010.

[8] 董云龍,包海龍,田 杰,等. 柔性直流輸電控制及保護系統 [J]. 電力系統自動化, 2011,35(19):89-92. DONG Yunlong, BAO Hailong, TIAN Jie, et al. Control and protection system for VSC-HVDC[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011,35(19):89-92.

[9] 董云龍,凌衛家,田 杰,等. 舟山多端柔性直流輸電控制保護系統[J]. 電力自動化設備,2016,36(07):169-175. DONG Yunlong, LING Weijia, TIAN Jie,et al. Control and protection system for zhoushan muti-terminal VSC-HVDC[J]. Electric Power Automation Equipment, 2016,36(07):169-175.

[10] 胡四全,吉攀攀,俎李峰，等. 一種柔性直流輸電閥控測試系統設計與實現[J]. 中國電力，2013,46(9): 112-117. HU Siquan, JI Panpan, ZU Lifeng, et al. Design and realization of a testing system for flexible HVDC valve control equipment[J]. Electric Power, 2013,46(9):112-117.

[11] 吉攀攀,胡四全,俎李峰，等. 柔性直流輸電換流閥運行狀態在線監測系統設計[J]. 電網與清潔能源，2015,31(12):68-72. JI Panpan, HU Siquan, ZU Lifeng, et al. Design of an on-line monitoring system for HVDC flexible valve[J]. Power System and Clean Energy, 2015,31(12):68-72.

[12] 潘良煜, 魏 芳, 劉雅琴,等. 舟山多端柔性直流輸電系統仿真試驗研究[J]. 電氣制造, 2015,(3):67-71. PAN Liangyu, WEI Fang, LIU Yaqin, et al. Electrical Manufacturing, 2015,(3):67-71.

[13] 方 圓, 胡兆慶, 夏衛華,等. 模塊化多電平柔性直流控制保護系統動模仿真研究[J]. 智能電網, 2016, 4(6):567-571. FANG Yuan, HU Zhaoqing, XIA Weihua, et al. Simulation research on dynamic physical model of control and protection system for the modular multi-level converter based VSC-HVDC[J]. Smart Grid, 2016, 4(6):567-571.

[14] 李 探, 趙成勇, 李路遙,等. MMC-HVDC子模塊故障診斷與就地保護策略[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(10):1641-1649. LI Tan, ZHAO Chengyong, LI Luyao, et al. Sub-module fault diagnosis and the local protection scheme for MMC-HVDC system[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(10):1641-1649.

[15] 胡兆慶, 董云龍, 田 杰,等. 基于模塊化多電平換流器結構的柔性直流控制策略[J]. 江蘇電機工程, 2013, 32(1):5-8. HU Zhaoqing, DONG Yunlong, TIAN Jie, et al. Control strategy research of VSC-HVDC based on modular multilevel converter[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2013, 32(1):5-8.

[16] 徐 政, 張哲任, 劉高任. 柔性直流輸電網的電壓控制原理研究[J]. 電力工程技術, 2017, 36(1):54-59. XU Zheng, ZHANG Zheren, LIU Gaoren. Research on voltage control principle of flexible DC transmission power grid[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(1):54-59.

[17] 吳 浩, 徐重力, 張杰峰,等. 舟山多端柔性直流輸電技術及應用[J]. 智能電網, 2013, 1(2):23-26. WU Hao, XU Zhongli, ZHANG Jiefeng, et al. VSC-MTDC transmission technologies and its application in Zhoushan[J]. Smart Grid, 2013, 1(2):23-26.

[18] 尹壽垚, 翟 毅, 吳 昊, 等. 基于柔性直流輸電技術的分布式發電在城市電網中的應用[J].江蘇電機工程, 2013, 32(4):9-12. YIN Shouyao, ZHAI Yi, WU Hao, et al. Application of the distributed generation based on VSC-HVDC technology in urban power grid[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2013, 32(4):9-12.

(編輯陳 娜)

Research and Application of Test for Flexible HVDC Sub-module

LI Xingjian1, WANG Qing2, LIU Hongde1, DU Jun1, YU Zhe1, ZHANG Yandong1

(1. NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211100, China; 2. Zhongwei Power Supply Company, Zhongwei 755000, China)

Due to lack of debugging method of flexible HVDC system, a kind of automatic debugging method used for flexible HVDC sub-module based on modular multilevel converter is put forward in this paper, and a test device including manager unit, MMC control and simulation unit, sampling unit and energy supplying unit is designed. The energy supplying unit can control energy output to provide power supply for sub-module. The MMC control and simulation unit can simulate valve control protocol to control sub-module to realize function test. The sampling unit acquires related voltage state of sub-module. The manager unit combines the sampled voltage with communication state for making test judgment, so as to complete automatic debugging of sub-module. Engineering practice shows that the method is fully applicable to the requirements of site acceptance test and factory acceptance test.

flexible HVDC; MMC; sub-module; automatic test

李興建

2017-04-01；

2017-05-21

TM72

：A

：2096-3203(2017)05-0114-06

李興建(1977—)，男，山東濰坊人，通信作者，碩士，高級工程師，從事繼電保護測試工作(E-mail：lixj@nrec.com)；

王 慶(1977—)，男，天津武清人，碩士，高級工程師，從事電網發展規劃，運行管理工作；

劉洪德(1986—)，男，山東濰坊人，碩士，工程師，從事柔直輸電系統及設備研究工作;

篤 峻(1975—) ，男，江蘇南京人，碩士，研究員級高級工程師, 從事繼電保護工作;

于 哲(1978—)，男，山西運城人，碩士，工程師, 從事繼電保護測試工作;

張延冬(1978—)，男，河北蔚縣人，碩士，高級工程師, 從事繼電保護工作。