南澳多端柔性直流工程閥控裝置的保護及控制策略的研究

李潔 吳子帆 黃烜 張安琪 周培鈺 黃力

【摘 要】論述了換流閥控制保護系統的構成和功能，結合南澳多端柔性直流輸電工程的特點，對換流閥控制保護系統的電容電壓平衡、環流抑制和保護策略進行分析研究。本文提出的換流閥控制保護策略對實際工程應用具有重要意義。

【關鍵詞】換流閥；控制保護系統；環流抑制；電容電壓均衡；策略

1 前言

世界第一條多端柔性直流輸電工程于2013年底在廣東省汕頭市南澳縣投入運行（以下稱為：“南澳多端柔性直流輸電工程”），該工程采用電壓源換流器（voltage source converter，VSC）和脈寬調制技術（pulse width modulation，PWM）進行直流輸電，并可以獨立快速控制所傳輸的有功功率和無功功率，極大地增強了輸電的靈活性，非常適合應用于孤島供電、分布式電源并網、大型風電場并網等領域[1-2]。如圖1所示，南澳多端柔性直流輸電系統由±160kV塑城換流站、±160kV金牛換流站和±160kV青澳換流站組成，其中金牛換流站和青澳換流站在海島上，塑城換流站在大陸側。海島上的風能通過金牛換流站和青澳換流站輸送到塑城換流站后供給大陸用戶。

換流閥控制保護系統是換流站內重要控制設備，具有觸發換流器閥塔內功率模塊、對電容電壓的進行均衡控制與監測，以及抑制換流器內部環流等功能。同時，換流閥控制保護系統也負責實現功率模塊與控制保護系統的通訊和數據交換[3]。因此，研究換流閥控制保護策略顯得尤為重要。

同時，研究換流閥控制保護的系統結構，控制保護功能的實現方法，故障特性和保護配置等內容對后續的工程設計，現場調試及運行維護都具有重要意義。本文針對南澳多端柔性直流輸電工程的特點，對換流閥的控制保護策略進行分析和研究。

2 換流閥控制系統的描述

2.1 換流閥控制保護系統的構成

換流閥控制保護系統主要由功率模塊控制、換流閥控制與監測和換流閥控接口系統三部分構成[4-5]：其中（1）功率模塊控制主要負責功率模塊的電容電壓、模塊溫度、工作狀態等的監測以及接收來自換流器控制的IGBT、晶閘管的觸發信號、真空斷路器的動作指令等功能；（2）換流閥控制與監測系統以換流器的一個橋臂為主要控制對象，主要負責接收來自換流器控制保護系統的調制電壓、操作指令等數據，同時，還負責接收來自對應橋臂的所有功率模塊的電容電壓、模塊溫度、工作狀態等信息，并根據橋臂電流實施對該橋臂中所有功率模塊電容電壓的均衡控制；（3）閥控接口系統包括兩套互為冗余的系統，分別負責與對應上層控制保護系統的數據通訊。同時，也負責對換流器橋臂環流的監測與控制，并將控制的結果（參考電壓）下發給每個橋臂。另外，該接口系統也負責與測量裝置、故障錄波裝置、SCADA設備等的通訊功能以及對換流站內部電壓、電流的監測與保護功能。

2.2 換流閥控制保護系統的功能s

換流閥控制保護系統的功能[6-8]主要有：（1）接收換流器控制的調制信號并產生驅動功率模塊內IGBT的觸發脈沖；（2）負責閥控系統的自檢，監測各功率模塊內部電容電壓、模塊溫度及其控制電路的工作狀態；（3）負責橋臂內電容電壓平衡控制及換流器內的環流抑制；（4）負責冗余的功率模塊在故障狀態下的切換；（5）在嚴重故障，例如正、負極雙極短路情況下通過功率模塊內的旁路開關和晶閘管對其進行保護。

閥控系統為完全冗余的雙重化系統。雙重化的閥控系統之間可以進行系統切換，系統切換遵循如下原則：在任何時候運行的有效系統總是雙重化系統中較為完好的那一重系統。通過綜合考慮系統運行的各種工況，定義各種控制設備狀態和故障等級，對系統的切換邏輯進行優化設計，考慮有效的將故障系統切換下來，避免引起直流系統的擾動，考慮盡可能的減少直流系統停運率。

本文主要研究換流閥的控制保護系統的電容電壓平衡、環流抑制、保護及系統切換策略。

3 總結

本文針對南澳多端柔性直流輸電系統的特點，對換流閥控制保護系統的電容電壓平衡、環流抑制、保護及系統切換策略進行了比較深入的分析研究。提出的換流閥控制保護策略應用于南澳多端柔性直流輸電工程，從目前的運行情況來看，換流閥控制保護策略可行可靠。

參考文獻：

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（作者單位：廣東電網有限責任公司汕頭供電局）