多端柔性直流輸電換流器控制保護系統研究

曾建興

摘要：本文基于南澳島多端柔性直流輸電工程，對換流器控制保護系統的主要功能進行詳細分析。柔性直流輸電換流器級控制保護系統，完成換流器直流電壓控制，有功、無功功率控制，交流電壓頻率控制及相關的保護功能。該系統接收上層站級控制系統命令，并向其反饋換流器和換流閥部分狀態信息;向下層閥控系統發送控制命令，并接收閥控的狀態和保護信息。

關鍵詞：柔性直流輸電;換流器;控制策略

柔性直流輸電技術是現今世界上最先進的輸變電技術之一，也是中國重點發展的智能電網領域。由于柔性直流輸電具有不存在換相失敗問題;控制系統響應快速、調節精確、操作方便;有功無功可以獨立控制;運行損耗小等優點，使得柔性直流輸電在可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、城市配網供電等方面具有極大的技術優勢。

柔性直流輸電的換流器是基于模塊化多電平而設計的，由六個橋臂組成，每個橋臂由數百個子模塊連接構成。換流器控制保護系統是指用于實現換流器層控制保護功能的軟件和硬件，要求具有強大的控制保護功能，能夠迅速響應上級站層控制系統的指令，同時向下層閥控系統下發控制命令。

本文以南澳島多端柔性直流輸電換流換流器控制保護系統為研究對象，首先簡要介紹南澳多端柔性直流輸電工程概況，其次分析換流器控制系統的硬件結構，最后詳細闡述換流器控制系統的控制策略和保護功能。

1 南澳島多端柔性直流輸電工程概況

南澳柔性直流輸電工程坐落于汕頭市澄海區和南澳島，是世界第一個多端柔性直流輸電項目，于2013年12月25日正式竣工投產。整個工程包括塑城換流站、金牛換流站、青澳換流站以及25.2公里的海纜、陸纜和架空線路組成的混合線路，組成一個三端直流輸電系統，如圖1所示。工程的系統額定電壓為±160kV，輸送容量150MW，遠期還將在南澳島建設塔嶼換流站，將輸送容量提升至200MW，實現對南澳島風電基地的友好接入。工程的順利投運極大的推動了大型風電場采用柔性直流輸電接入技術的推廣與應用。

2 柔性直流換流器控制系統的硬件結構

柔性直流換流器控制系統由電源箱、工控機、主控箱、I/O接口箱等幾個部分組成，如圖2所示。

工控機與交換機連接，主要功能包括：實時顯示換流器、閥控屏、水冷系統運行狀態，以及對換流器系統和水冷系統下發控制命令、調整控制器參數等，是換流器系統的本地本地人機操作界面;主控箱由主控板、多個擴展板、I/O板、通訊板等組成，實現換流器控制策略的運算和控制信號的輸出，系統邏輯控制（順控），以及與系統其他功能模塊間的通訊等功能;I/O接口箱接收外部設備的繼電器輸入，同時輸出開關量，實現水冷系統的啟停控制等，與主控箱內I/O板連接，實現主控箱的I/O擴展和輸入輸出。交換機主要用于換流器控制系統和閥控屏間的數據交換，以及換流器控制系統內模塊間的數據交換。電源箱輸出多路交、直流電源，對各功能模塊供電。

3 柔性直流換流器控制系統的控制保護功能

3.1 控制功能

換流器控制系統能夠接受站控系統控制命令信號，完成下述控制和操作：定有功功率或定直流電壓控制;定無功功率控制;孤島情況下電壓頻率控制;電流控制。換流器故障主要包括引起換流器內部過壓、過流的各種故障，以及控制系統誤發脈沖等造成的障礙。

當換流器交流測連接到交流電網時，控制器結構上分為外環和內環結構，外環包括有功、無功、直流電壓控制，跟蹤上級發來的指令信號，完成定有功功率或定直流電壓控制及定無功功率的控制功能。電流控制為內環，跟蹤外環計算獲得的電流指令，完成電流控制的功能。

當換流器交流測只連接風電和無源負載時，控制器執行上級發來的電壓幅值和頻率指令，完成孤島情況下電壓頻率控制，為交流側供電。

（1）定有功功率控制

在交直流并聯運行模式下，控制系統根據有功功率參考值控制換流器與交流系統交換的有功功率。

換流器接到上級傳來的定有功功率控制方式、以及功率給定值Pref后，將其與反饋值進行比較，將誤差經PI調節器計算，經限幅后作為有功軸電流給定值。為防止階躍給定對系統造成的沖擊，及防止因上位機故障傳遞錯誤指令，給定信號經斜坡函數處理限幅后作為有功功率最終給定值。調節器積分環節設置積分限幅[Ip_min_i， Ip_max_i];比例積分環節總輸出值設置限幅[Ip_min， Ip_max]。其中Ip_max≥ Ip_max_i，Ip_min≤Ip_min_i。功率控制環輸出為電流內環有功軸給定值。具體如圖5-5所示。

圖 有功功率外環控制結構

（2）定直流電壓控制

通過控制直流電壓達到平衡各節點功率，穩定整個系統工作點的目的。換流站收到上級傳來的直流電壓控制方式，以及直流電壓給定值Vdc_ref后，將其與反饋值進行比較，將誤差經PI調節器計算，經限幅后作為有功軸電流給定值。為防止階躍給定對系統造成的沖擊，給定信號經斜坡函數處理后作為有功功率最終給定值。調節器積分環節設置積分限幅[Idc_min_i， Idc_max_i];比例積分環節總輸出值設置限幅[Idc_min， Idc_max]。其中Idc_max≥ Idc_max_i，Idc_min≤ Idc_min_i。功率控制環輸出為電流內環有功軸給定值。具體如圖5-6所示。

圖5-6 直流電壓外環控制結構

（3）定無功功率控制

根據系統運行情況，在保證有功功率傳輸跟蹤給定的前提下，換流器可提供一定容量的無功功率，換流器收到上級傳來的直流電壓指令信號Qref，反饋值進行比較，將誤差經PI調節器計算，經限幅后作為無功軸電流給定值。為防止階躍給定對系統造成的沖擊，給定信號經斜坡函數處理后作為有功功率最終給定值。調節器積分環節設置積分限幅[Iq_min_i， Iq_max_i];比例積分環節總輸出值設置限幅[Iq_min， Iq_max]。其中Iq_max> Iq_max_i，Iq_min< Iq_min_i。功率控制環輸出為電流內環無功軸給定值。為優先滿足有功功率需求，無功給定值做限幅，限幅值上下限為 。其中S為額定，P為實際有功功率，具體如圖5-6所示。

（4）內環控制環節接受來自外環控制的有功、無功電流的參考值Idref和Iqref。并快速跟蹤參考電流，實現換流器交流側電流幅值和相位的直接控制。內環控制主要包括內環直接電流控制、負序電壓抑制環節，暫定采用100Hz的陷波器將消除2次諧波后的給定值作為電流內環控制的參考值。內環電流調節器采用PI調節器，結構與有功功率調節器相同，分別設置調節器輸出限幅值[Vdmin Vdmax]、[Vqmin Vqmax]。然后采用前饋解耦控制方法計算d、q軸電壓給定信號，經dq-abc坐標變換得到換流器6個橋臂的指令信號，如圖5-7所示。

圖5-7 電流內環控制結構

（5）孤島電壓頻率控制

在純直流運行方式下，青澳和金牛站換流器可采用孤島電壓頻率控制模式，換流器接收上級電壓幅值（Vref）和頻率（fref）指令信號，以定V/f模式控制換流器運行。以原有電網電壓幅值和相角度為初始值，對換流器進行開環控制，將指令信號轉換為換流器電壓相角和幅值的指令信號，經極坐標到三相靜止坐標變換，得到換流器三相參考信號。定交流電壓-頻率控制方式結構圖如圖5-8所示。

3.2 保護功能

換流器級保護包括閥差動保護、閥過流速斷保護、環流檢測保護、電容電壓和過壓保護以及雙極故障保護，如圖5-9。其中閥差動保護為主保護;閥過流速斷保護、雙極故障保護為閥控相應保護的后備;電容電壓和過壓保護為直流線路過壓的后備保護，同時用于保護換流器控制失控的情況;環流監測保護用于保護閥控失控的情況。

在換流器控制保護系統內部，閥過流速斷保護是閥控差動保護的后備保護，閥過流速斷也是雙極短路保護的后備保護。

換流器控制保護系統的保護出口包括：警告，緊急閉鎖，跳閘并鎖定交流斷路器，要求直流系統停運。具體說明如下：

1）警告。當換流器檢測到不嚴重的故障，可以繼續運行時，向站控和SCADA發出警告信息。以后等冗余切換完善后，部分警告可以引起換流器控制保護的冗余切換。

2）緊急閉鎖。換流器會立刻封鎖所有脈沖，并通知站控和SACAD。

3）跳閘并鎖定交流斷路器。換流器將斷開交流斷路器并鎖定。

4）要求直流系統停運。如果換流器認為該故障下，不允許直流母線帶電，將發出要求停運。

4 結論

換流器控制保護系統是柔性直流輸電最核心的控制系統之一，它實現了柔性直流輸電系統換流器層的控制及保護功能，接受站級控制系統命令信號，并向閥控下發控制指令，是站控系統和閥控系統的連接紐帶。換流器控制保護系統還配置完善的保護功能，實現對換流器在各種故障情況下的保護。

5參考文獻

【1】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2009：21-24;TANG Guangfu. High voltage direct current transmission technology based on voltage source converter [M]. Beijin： Chinese Electric Power Press，2009：21-24.

【2】南方電網科學研究院直流輸電研究所.換流站電氣主接線研究.南方電網科學研究院863課題“大型風電場柔性直流輸電接入技術研究與開發”專題報告，2012，9.

【3】南方電網科學研究院直流輸電研究所.換流站主設備配置及選型研究.南方電網科學研究院863課題“大型風電場柔性直流輸電接入技術研究與開發”專題報告，2012，9.

【4】南方電網科學研究院直流輸電研究所.多端柔性直流輸電控制和保護策略配置研究.南方電網科學研究院863課題“大型風電場柔性直流輸電接入技術研究與開發”專題報告，2012，9.