提高柔性直流輸電換流閥閥控系統性能的方法研究

李家羊 岑 韜 張 磊 岳 偉 王 健

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

提高柔性直流輸電換流閥閥控系統性能的方法研究

李家羊1岑 韜1張 磊2岳 偉2王 健2

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

歐美地區柔性直流輸電技術已經逐步成熟，我國已經有幾條示范工程投入運行，處于快速發展階段。隨著國內柔性直流輸電工程電壓等級和容量的快速提升，對換流閥閥控系統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、配置專家診斷系統等方面，提出了提升柔直換流閥閥控系統性能的方法。

柔性直流輸電；閥控系統；控制周期；VPX；專家診斷系統

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），通過將并聯在極兩端的電容器分解到每個高壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）子模塊和子模塊的級聯來解決電壓問題。通過子模塊之間的串聯來提高每個橋臂的電壓耐受水平，具有較好的擴展性，這種MMC拓撲結構已成為目前柔性直流輸電技術的主流。隨著國內柔性直流輸電系統電壓等級和容量的快速提升，換流閥橋臂模塊數量也隨之大幅增加，如何高速、精確的控制換流閥上數以千計的閥單元以及提高換流閥閥控系統性能，有效監控并保證換流閥安全穩定運行，已成為柔性直流輸電技術發展需要解決的重要問題。

1 柔性直流換流閥閥控系統簡介

閥控系統是柔性直流輸電系統的“神經中樞”，換流閥功能完全依靠復雜而靈活的控制保護系統來實現。閥控系統如圖1所示，其實現的主要功能包括：以太網/光纖通信、換流閥相關的事件順序記錄及故障錄波、橋臂電流測量、換流閥環流抑制及電流平衡功能、直流側起動充電控制、電容電壓平衡控制及脈沖分配、電容電壓保護過流保護、閥差動保護、閥過流速斷保護、橋臂電壓和過壓保護、雙極短路故障保護、閥交流側過流保護等功能。

圖1 換流閥控制保護系統框圖

控制器是閥控系統的核心設備，目前國內外已投運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短對直流側的輸出效果和低電壓穿越、橋臂快速過流保護有著很重要的作用。而閥控控制周期的長短主要是由高速的背板總線和功能強大的CPU決定的。

此外，就國內已經投運的柔性直流輸電工程來看，受換流閥單元多、控制復雜、關鍵器件性能等因素影響，柔性直流輸電系統的可靠性與傳統直流輸電系統相比仍有一定差距。為了盡可能的避免因系統故障引發的跳閘事件，開發和使用專家診斷系統對柔直換流閥進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

通過減小控制器控制周期，可以從以下3個方面提高柔性直流換流閥閥控系統性能。

1）降低總諧波畸變率

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

以 2016年投運的云南魯西背靠背直流異步聯網工程±350kV/1000MW換流閥為例。其直流電壓700kV，單元額定電壓 2.26kV，每個橋臂單元個數為 310（不考慮冗余），閥控系統控制器周期為100μs，在 Matlab/Siumlink中進行仿真驗證，仿真步長為1e-6s，得到NLM調制輸出電壓的FFT（fast fourier transformation）波形如圖2所示。

圖2 控制周期為100μs時輸出電壓的FFT波形

圖3 為閥控系統控制器周期為50μs時，調制輸出電壓的FFT波形。由上述波形可知，通過減小閥控系統控制器的周期，采用 NLM 調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的性能。

圖3 控制周期為50μs時輸出電壓的FFT波形

2）降低電容電壓峰值

在國內已投運柔直工程中，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，在單元電容電壓達到最大限值時，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電壓閥值，在單元電壓超出閥值后，投切相應單元，把橋臂單元電壓整體控制在一定范圍內。這兩種方法都是在單元電容電壓超過某一閥值時進行投切，而在實際工程系統控制中，單元進行排序及平衡控制時，本周期進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閥值經過控制進行投切時，實際觸發作用到單元上總是延遲了一個控制周期，而在這一個控制周期內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網工程云南側換流閥為例，其電容為8mF，橋臂電流峰值為1565A，通過計算可知該單元電容電壓在一個控制周期內（100μs）的波動最大值為20V。因此，通過減小系統控制周期，能夠降低因采樣控制延時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）減少閥級控制保護系統整體延時

閥級控制保護系統整體延時的減少，有利于直流雙極短路等嚴重故障的快速保護和交流側故障的穿越。

當柔性直流輸電直流側發生雙極短路故障時，電流上升率為 Udc/2L，達到數 A/μs，而 IGBT瞬時關斷能力一般不超過兩倍額定電流，必須在 200μs內關斷IGBT?？紤]到測量單元的延時，因此需要閥控至少在50μs以內完成快速過流的故障檢測，并閉鎖換流閥。通過減少閥控控制周期能實現更短的快速過流保護檢測和出口，降低閥控系統延時可以增加器件電流的利用率，減小過流保護的整定值，從而提高閥控系統整體性能。

柔性直流換流閥交流側發生接地故障時，由于控制保護系統存在延時，從調制命令的生成到執行一般需要約 600μs的時間，閥控大約延時 200～300μs，也就是說從故障發生到控制保護對此故障的響應被閥執行需要大約600μs的時間，導致換流器電流處于約600μs的失控時間。當系統發生交流近端短路故障時，故障電流有較大di/dt，可導致在延時時間內過流保護。因此可以通過減小閥控的控制周期，進而減小閥控與控制保護通信、命令執行的時間，減小不可控故障電流，實現低電壓穿越，保障換流閥安全。

圖4為典型交流系統故障時的響應仿真圖形，故障類型為三相短路故障，換流站主斷路器出口側，故障持續時間 0.5s，故障發生在 1.0s時刻，大約600μs后控制保護對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，最嚴重橋臂電流上升了700A，已經臨近保護定值。如果閥控制周期減小，換流器故障穿越能力就將增強。

圖4 交流側故障電流圖

2.2 采用高速總線VPX提高控制器性能

目前國內外已投運柔直工程的閥控系統控制器主要采用 VME64、CPCI、自定義總線的背板通信方式。隨著換流閥電壓等級和容量的不斷提升，功率單元數量大幅增加，對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，替代了并行總線技術，例如：RapidIO、PCI-Express和萬兆以太網等，支持更高的背板帶寬。VPX核心交換可以提供32對差分對，每對差分對理論上可以提供10Gbps的數據交換能力，一個VPX模塊理論上最高可以提供8GByte/s的數據交換能力。VPX總線采用交換式結構，使得系統整體性能不再受主控板的限制。子板處理器可以在任意時間發送數據，而不需要等待總線空閑后才發起傳輸[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公司開發出了模塊化的VPX RT2連接器，該連接器內含可控阻抗，低插入損耗，連接緊密堅固。

實驗證明，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據收發時間，而且在主控板對數據進行收發時出現了緊急保護情況下，子板之間還可以將保護信息直接發給保護執行板卡，且在這個過程中不需要打斷控制周期的數據收發。

2.3 采用高性能CPU提高控制器性能

在主CPU方面，應選擇具有豐富串行總線接口的多核高主頻CPU。本文僅對NXP的T2080芯片進行簡單介紹。其主要參數如下[2]：

1）4個主頻1.8GHz的雙線程E6500 power架構內核。

2）支持64bit的2133MHz的 DDR3。

3）8個高達10GHz的SerDes通道和8個8GHz的 SerDes。

4）4個PCI-E控制器。

5）兩個RapidIO 2.0控制器，支持數據傳輸率為5GHz。

6）兩個SATA 2.0控制器。

圖6 T2080結構圖

多個高速PCI-E和RapidIO增強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增強了該芯片的計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，浮點運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；對子板通信的速度提高為2倍。

2.4 采用專家診斷系統提升閥控系統的可靠性

專家診斷系統能夠監測整個換流閥數據（功率器件溫度[3-5]、電容器容值[6]等），在后臺進行數據分析和數據挖掘，及時對柔直系統的健康情況進行判斷，并匯報給設備運行維護人員。

1）IGBT器件溫度的測算

采用熱敏感電參數提取法，擬合驅動電壓降差比與結溫變化的曲線[7]。通過單元主控板在線測量相關數據，并利用板上FPGA做數據處理后得到相關溫度信息，并將結果上傳專家系統，系統可以根據預先設定好的 IGBT結溫上線對運維人員發出警報；并在數據的進一步處理時將溫度值方差過高的器件警示給現場運維人員，運維人員可以在最近的停電檢修時對長期處于高溫運行的單元進行更換。

2）電容容值的計算

由式（1）可知得到電容容值的簡單計算方法，Δt 和ΔU都可以通過單元主控板測量得到i可以采用 IGBT開通時刻的橋臂電流，電容值由專家系統進行實時計算得出電容值，專家系統可以將每個電容的平均值和每個電容的月變化情況和年變化情況存儲到數據庫中，并將檢測到的容值過低的單元信息發送給運維人員。

3）專家診斷系統的組成

專家診斷系統拓撲如圖7所示，數據采集板卡所在機箱實時接收來自閥單元和閥控制系統的數據并傳送給本地PC進行緩存，再由本地PC傳送給監控室中的服務器。由于數據傳輸和大數據分析對計算機資源消耗較大，所以采用兩臺服務器，每 12h一輪換的方式接收數據。在一臺服務器A接收完數據后，服務器B接收數據；與此同時，服務器A對數據進行分析并給出一份分析報告，然后等待下一次數據接收任務。

圖7 專家診斷系統結構圖

柔性直流輸電的專家診斷系統概念是 2016年由中國南方電網超高壓輸電公司天生橋局和榮信公司第一次提出，并已經為云南魯西背靠背直流異步聯網工程現場配置了一套，即將進入運行測試階段，實現對柔性直流閥組進行健康診斷，提升閥控系統的可靠性。該專家診斷系統未來將與站內 SCADA系統聯網，將站內各個系統的運行參數及直流閥組的各種特征量進行聯合分析，為閥控系統控制策略優化以及閥組設計、優化提供數據支撐。

3 新閥控系統整體的性能

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和萬兆以太網接口的FPGA作為子板通信控制芯片的閥控系統經過測試，控制周期由原來的100μs減小到了50μs；從接收到閥控制保護裝置的控制指令到單元執行之間的延時由原來的 160μs縮減到了80μs；而快速過流保護從判斷出系統需要保護到單元進行保護動作輸出的延時，由原來的65μs縮減到了35μs，減小了過流的情況下電流上升的數值，從而使得換流閥更加安全。

與此同時，專家診斷系統的加入能對換流閥系統的單元故障作出準確的警告和長期的變化趨勢預測。

4 展望

隨著微電子技術的迅猛發展，更快速、更可靠的總線技術和性能以及更加優秀的 CPU能為進一步減小控制周期及控制命令和保護延時。并且專家診斷系統隨著當今流行的人工智能技術的發展變得更加智能，并不僅僅是對閥體的健康狀況進行檢測和預警，還能對整個輸電系統的安全運行狀況做出更加智能的判斷，從而對輸電系統的運行安全起到積極作用。

5 結論

采用以下方法，可以提高柔性直流輸電換流閥閥控系統性能：

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，減少閥級控制保護系統整體延時，提高柔性直流換流閥閥控系統性能。

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

3）專家診斷系統能夠監測整個換流閥數據，對柔直系統的健康情況進行判斷，提升閥控系統的可靠性。

[1] GE Intelligent Platforms. GE P4080 sbc612_ds_gfaxxxx[Z].

[2] NXP Semiconductors Co., Ltd. QorIQ T2080 Data Sheet[Z].

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[4] 唐勇, 汪波, 陳明, 等. 高溫下的 IGBT可靠性與在線評估[J]. 電工技術學報, 2014, 29(6)： 17-23.

[5] 汪波, 羅毅飛, 張爍, 等. IGBT極限功耗與熱失效機理分析[J]. 電工技術學報, 2016, 31(12)： 135-141.

[6] 屠卿瑞, 徐政. 基于結溫反饋方法的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電閥損耗評估[J]. 高電壓技術,2012, 38(6)： 1506-1512.

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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工作。