模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)體系框架

蔡新紅 ，趙成勇

（1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，隨著以全控型器件為基礎(chǔ)的電壓源換流器VSC（Voltage Source Converter）在高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)中的逐步應(yīng)用［1-2］，目前已投入的VSC-HVDC輸電工程已超過14項(xiàng)，多為兩電平和三電平的VSC，其存在的主要問題為IGBT串聯(lián)所帶來的靜態(tài)均壓、動(dòng)態(tài)均壓、電磁干擾以及由于過高的開關(guān)頻率帶來的開關(guān)損耗［3］。而模塊化多電平換流器 MMC（Modular Multilevel Converter）［4-5］通過子模塊串聯(lián)構(gòu)成，易于擴(kuò)展，諧波畸變小，開關(guān)損耗低，容易實(shí)現(xiàn)冗余控制［6-7］，因此MMC一經(jīng)問世，便以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前已投入的MMC-HVDC工程僅有2項(xiàng)，文獻(xiàn)［8-10］對(duì)工程的各方面給予了介紹，在控制保護(hù)系統(tǒng)方面，文獻(xiàn)［11-16］重點(diǎn)放在了MMC的控制策略、調(diào)制策略、電容電壓平衡控制、橋臂環(huán)流抑制及故障保護(hù)策略研究上，而對(duì)整體的MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護(hù)體系框架的研究文獻(xiàn)甚少，文獻(xiàn)［17］對(duì)VSC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了詳細(xì)的論述，文獻(xiàn)［18］也僅指出了MMC-HVDC控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)級(jí)控制、變流器控制和閥控制，因此對(duì)MMC-HVDC控制保護(hù)體系框架的進(jìn)一步研究是非常有必要的。

本文首先介紹了MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩端MMCHVDC輸電系統(tǒng)的基本組成，詳細(xì)闡述了MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、基本要求及主要功能，闡明了控制保護(hù)系統(tǒng)采用多重化配置及分層設(shè)計(jì)的必要性，進(jìn)一步明確了MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的體系框架，搭建了MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。最后提出了MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，為后續(xù)直流輸電系統(tǒng)通用控制保護(hù)平臺(tái)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊子圖為子模塊（SM）的電路結(jié)構(gòu)。

圖1 MMC基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of MMC

典型的兩端MMC-HVDC系統(tǒng)如圖2所示，主要包括以下設(shè)備。

a.聯(lián)接變壓器：將系統(tǒng)側(cè)交流電壓轉(zhuǎn)換為與MMC直流側(cè)電壓相匹配的電壓，以確保開關(guān)調(diào)制度不至于過小，使換流器運(yùn)行在系統(tǒng)要求的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，減少輸出電壓和電流的諧波量，同時(shí)它也是換相電抗的一部分。

圖2 兩端MMC-HVDC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Two-terminal MMC-HVDC system

b.換流器：采用模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，每個(gè)橋臂由n個(gè)相同的子模塊和橋臂電抗器串聯(lián)而成，子模塊由2個(gè)IGBT和2個(gè)反并聯(lián)二極管組成半橋，與直流電容器并聯(lián)構(gòu)成。作為MMC-HVDC系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)能量的交/直和直/交變換。

c.直流線路：可以采用電纜或架空線路，實(shí)現(xiàn)有功功率的長(zhǎng)距離傳輸。

2 MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及基本要求

2.1 設(shè)計(jì)原則

2.1.1 冗余

為了達(dá)到工程所要求的可用率和可靠性指標(biāo)，不管是控制系統(tǒng)還是保護(hù)系統(tǒng)，全部采用多重化設(shè)計(jì)［19-20］，即冗余。通常是采用雙通道設(shè)計(jì)，其中一個(gè)通道工作時(shí)，另一個(gè)通道處于熱備用狀態(tài)，并且每個(gè)通道都有自檢系統(tǒng)。當(dāng)工作中的通道發(fā)生故障時(shí)，切換邏輯將其退出工作，處于熱備用狀態(tài)的通道則自動(dòng)切換到工作狀態(tài)。

2.1.2 分層設(shè)計(jì)

一方面，從提高運(yùn)行可靠性、運(yùn)行操作和維護(hù)的方便性及靈活性、降低控制環(huán)節(jié)故障所造成的影響及危害的角度出發(fā)，復(fù)雜的控制系統(tǒng)宜采用分層結(jié)構(gòu)［21］；另一方面，從加快控制速度、縮短控制周期的角度考慮，應(yīng)該盡量減少?zèng)Q策環(huán)節(jié)，滿足“扁平化”的需要，故層次不宜過多。

各層設(shè)計(jì)遵循如下原則［22］：控制指令流從高控制層向低控制層單向流動(dòng)，而運(yùn)行流相反，即從低控制層向高控制層單向流動(dòng)；同等級(jí)層的各控制功能盡可能不相互干擾，任一環(huán)節(jié)的故障盡可能不影響其他環(huán)節(jié)。

2.1.3 控制系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立

控制和保護(hù)在硬件配置和軟件配置上都要著重考慮，保護(hù)要獨(dú)立于其他設(shè)備，并在物理上和電氣上獨(dú)立于控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)采用不同的主機(jī)。

2.1.4 控制與保護(hù)功能應(yīng)相互配合

控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性及經(jīng)濟(jì)性，因此這兩者的協(xié)調(diào)配合也就至關(guān)重要，需具備良好的配合邏輯關(guān)系。

如系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)立即利用其快速性來抑制事故發(fā)展，使直流系統(tǒng)盡可能不退出運(yùn)行而發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，給交流系統(tǒng)提供有力的支援。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，控制系統(tǒng)達(dá)到控制范圍極限，系統(tǒng)不能恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)，保護(hù)應(yīng)迅速動(dòng)作閉鎖換流器觸發(fā)脈沖，根據(jù)故障嚴(yán)重程度和不同區(qū)域，發(fā)出跳開交流斷路器指令，隔離故障設(shè)備，停運(yùn)系統(tǒng)。

因此MMC-HVDC控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合能有效地抑制故障的擴(kuò)散，縮小故障區(qū)域，減少對(duì)非故障區(qū)域的危害，以便在故障消除后能迅速恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的基本要求

a.可靠性?？煽啃允菍?duì)控制與保護(hù)系統(tǒng)性能的最根本要求。控制保護(hù)裝置均采用冗余配置，防止在控制保護(hù)系統(tǒng)失效的情況下故障不能可靠清除，避免發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。每套冗余配置的控制、保護(hù)完全一樣，有自己獨(dú)立的硬件設(shè)備。

b.靈敏性?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)的靈敏性是指對(duì)控制指令及故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)的反應(yīng)能力。在系統(tǒng)任意運(yùn)行條件下，當(dāng)控制指令發(fā)生改變或出現(xiàn)故障及不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)都能敏銳感覺、正確反應(yīng)。

c.選擇性。控制保護(hù)系統(tǒng)要能夠根據(jù)不同的故障情況及嚴(yán)重程度，啟動(dòng)不同的自動(dòng)順序控制保護(hù)程序，確保設(shè)備主保護(hù)和后備保護(hù)時(shí)序上的正確配合。由于兩端換流站控制保護(hù)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，應(yīng)避免一端換流器故障引起另一端換流器的保護(hù)動(dòng)作。

d.速動(dòng)性。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，充分利用控制系統(tǒng)，動(dòng)作迅速而又能滿足選擇性要求，以盡可能快的速度停運(yùn)、隔離故障系統(tǒng)或設(shè)備，保證系統(tǒng)和設(shè)備的安全。

3 MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的主要功能

MMC-HVDC的控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于直流輸電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因此應(yīng)具有以下基本的控制保護(hù)功能。

a.直流輸電系統(tǒng)的啟?？刂啤MC-HVDC系統(tǒng)的啟動(dòng)或停運(yùn)是按照一定的時(shí)序配合完成對(duì)子模塊電容器的充電或放電、開關(guān)設(shè)備的投運(yùn)或跳閘閉鎖、換流器的解鎖或閉鎖的控制。

b.功率控制。包括MMC-HVDC系統(tǒng)輸送的有功功率的大小和方向的控制和對(duì)MMC向交流系統(tǒng)提供的無功功率的控制。功率方向的改變是通過改變電流的流動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)的。

c.變壓器分接頭控制。通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭來調(diào)節(jié)變壓器二次側(cè)基準(zhǔn)電壓，使換流器的調(diào)制度保持在最佳范圍，進(jìn)而獲得最大的有功和無功輸送能力。

d.干擾或故障狀態(tài)下維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于MMC-HVDC系統(tǒng)兩端的控制系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的，不需要站間通信，當(dāng)一端交流系統(tǒng)故障或運(yùn)行異常時(shí)，為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行必須采取相應(yīng)的控制保護(hù)策略，避免該類故障的發(fā)生對(duì)設(shè)備造成的危害。

e.事故后快速恢復(fù)供電和黑啟動(dòng)［23］。當(dāng)系統(tǒng)一端發(fā)生電壓崩潰或停電時(shí)，MMC-HVDC系統(tǒng)可以為故障后電網(wǎng)的黑啟動(dòng)提供支撐。這時(shí)的直流系統(tǒng)相當(dāng)于無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的備用發(fā)電機(jī)，隨時(shí)準(zhǔn)備向癱瘓的電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷供電。實(shí)現(xiàn)這一功能的前提是直流系統(tǒng)的另一端連接在運(yùn)行正常的電網(wǎng)上。

f.直流輸電保護(hù)控制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)異常運(yùn)行狀況時(shí)，能迅速啟動(dòng)控制保護(hù)策略，保護(hù)一、二次設(shè)備安全，減少因過壓或過流對(duì)設(shè)備造成的危害，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

g.信息監(jiān)控。對(duì)換流站、直流線路等各個(gè)一次設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)以及控制系統(tǒng)本身的信息進(jìn)行監(jiān)視控制。

4 MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)按照功能可分為：遠(yuǎn)方控制接口 RCI（Remote Control Interface）系統(tǒng)、運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)、交直流站控系統(tǒng)和直流控制保護(hù)系統(tǒng) 4 個(gè)部分［24-25］，如圖 3 所示。

圖3 MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Functional structure of MMC-HVDC control and protection system

4.1 RCI系統(tǒng)

RCI系統(tǒng)用于與網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、直流集控中心等交換直流換流站的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并執(zhí)行遠(yuǎn)方調(diào)度命令，由遠(yuǎn)動(dòng)工作站、遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備等組成。

4.2 運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)

運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)是換流站正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)行人員的主人機(jī)界面和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。主要包括：站時(shí)鐘系統(tǒng)、站LAN網(wǎng)、運(yùn)行人員工作站、工程師工作站、站長(zhǎng)工作站、SCADA服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、規(guī)約轉(zhuǎn)換工作站或規(guī)約轉(zhuǎn)換器、培訓(xùn)系統(tǒng)、MIS接口工作站等。

4.3 交直流站控系統(tǒng)

交直流站控系統(tǒng)分為交流站控和直流站控2個(gè)部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行交/直流設(shè)備的投切、啟停、運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、狀態(tài)監(jiān)視、測(cè)量等功能。主要設(shè)備包括站控系統(tǒng)的主機(jī)、分布式現(xiàn)場(chǎng)總線和分布式I/O等。

交直流站控系統(tǒng)的主要功能可以歸納如下：整個(gè)換流站范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集及信息處理、上傳至運(yùn)行人員控制系統(tǒng)；全站范圍內(nèi)的開關(guān)、刀閘和地刀的操作控制；聯(lián)鎖功能；同期功能；站控系統(tǒng)內(nèi)部及輔助系統(tǒng)的事件生成和上傳至運(yùn)行人員控制系統(tǒng)；在線諧波監(jiān)視；對(duì)輔助系統(tǒng)的監(jiān)控（包括站用電系統(tǒng)的控制、監(jiān)視，以及對(duì)其他輔助系統(tǒng)的監(jiān)視功能）；對(duì)一次測(cè)量裝置的接口功能。

4.4 直流控制保護(hù)系統(tǒng)

直流控制保護(hù)系統(tǒng)（圖4）是整個(gè)直流輸電工程的核心，其控制特性能直接決定直流系統(tǒng)的各種響應(yīng)特性。直流控制保護(hù)系統(tǒng)包括直流控制系統(tǒng)和直流保護(hù)系統(tǒng)2個(gè)部分。

圖4 直流控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of DC control and protection system

a.直流控制系統(tǒng)按控制級(jí)別由高到低可分為系統(tǒng)控制級(jí)、極控制級(jí)、閥控制級(jí)與功率子模塊控制保護(hù)單元 SMC（SubModular Control unit）。

b.直流保護(hù)系統(tǒng)的控制、保護(hù)功能分別由不同的主機(jī)完成，保護(hù)區(qū)內(nèi)的所有保護(hù)功能集成在1臺(tái)主機(jī)內(nèi)。通常直流保護(hù)系統(tǒng)采取2套冗余配置或三選二冗余配置。直流保護(hù)系統(tǒng)主要由決策單元、開關(guān)量輸入輸出接口和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個(gè)部分構(gòu)成。

5 MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于一種分層、分布的開放式系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的安全性和保護(hù)的可靠性，兩端換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)采用完全雙重化設(shè)計(jì)［26］，可確保直流系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槿我豢刂葡到y(tǒng)的單重故障而發(fā)生停運(yùn)，也不會(huì)因?yàn)閱沃毓收隙?duì)換流站的監(jiān)視。

MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護(hù)系統(tǒng)照按面向物理或邏輯對(duì)象的原則進(jìn)行功能配置，可將MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)分為3個(gè)層次［27］：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控層、控制保護(hù)層、輸入輸出層，其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中控制保護(hù)層是MMC-HVDC系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心部分，按上下層結(jié)構(gòu)劃分，主要由直流系統(tǒng)控制層、極控制保護(hù) PCP（Polar Control Protection）層、閥組控制（VBC）層及功率子模塊控制保護(hù)單元4個(gè)層次組成。

圖5 MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of MMC-HVDC control and protection system

5.1 直流系統(tǒng)控制層

直流系統(tǒng)控制層是MMC-HVDC控制系統(tǒng)中級(jí)別最高的控制層次。直流系統(tǒng)控制層接收調(diào)度中心的控制指令，通過控制總線下發(fā)給極控制層，并向調(diào)度中心反饋有關(guān)運(yùn)行信息。直流系統(tǒng)控制層的控制功能是通過向其下層發(fā)出控制指令來實(shí)現(xiàn)的，響應(yīng)速度較慢。系統(tǒng)控制除接受調(diào)度控制外，還可以由運(yùn)行人員手動(dòng)控制。

系統(tǒng)控制層的主要功能包括以下8項(xiàng)。

a.注入功率控制。與電力調(diào)度中心通信聯(lián)系，接收調(diào)度中心的輸電功率（包括有功功率和無功功率）控制指令，向極控制層發(fā)出功率控制指令，分配各直流線路的功率和方向，并向通信中心傳送有關(guān)的運(yùn)行信息。

b.運(yùn)行模式控制。根據(jù)調(diào)度中心的指令，向極控制層發(fā)出運(yùn)行模式的控制和各定值指令。運(yùn)行模式包括定直流電壓、定有功功率、定無功功率、定交流電壓和定交流頻率。

c.系統(tǒng)穩(wěn)定控制。系統(tǒng)穩(wěn)定控制是指利用MMC-HVDC系統(tǒng)所連接交流系統(tǒng)的某些運(yùn)行參數(shù)的變化，發(fā)出各種調(diào)制控制指令，對(duì)直流功率、直流電壓、換流器吸收的無功功率和無源網(wǎng)絡(luò)頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)制，用以改善交流系統(tǒng)運(yùn)行性能，并盡可能減小對(duì)交流系統(tǒng)的負(fù)面影響。

d.快速功率變化控制。快速功率變化包括功率的提升和功率的回降，主要用于對(duì)直流所連兩端交流系統(tǒng)進(jìn)行緊急功率支援。

e.系統(tǒng)的啟、停控制?？刂芃MC-HVDC系統(tǒng)的啟動(dòng)或停運(yùn)，使之按照一定時(shí)序進(jìn)行直流電容的充放電、換流器的解鎖或閉鎖及交/直流側(cè)開關(guān)設(shè)備的操作。

f.潮流反轉(zhuǎn)控制。在這種控制模式下，MMCHVDC系統(tǒng)輸送有功、無功功率的大小和方向都可以進(jìn)行控制。功率反轉(zhuǎn)是通過改變電流的流動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)的，直流線路上電壓的極性不變。

g.協(xié)調(diào)交流系統(tǒng)控制。其實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心指令，滿足有功功率、無功功率、交直流電壓、電流、頻率等方面要求。

h.接收極控制層反饋的有關(guān)運(yùn)行信息。判斷是否達(dá)到調(diào)度中心指令要求，實(shí)時(shí)調(diào)整向極控制層發(fā)送的指令。

5.2 極控制保護(hù)層

極控制保護(hù)層主要包括極控制系統(tǒng)和極保護(hù)系統(tǒng)兩部分，是聯(lián)系上層系統(tǒng)控制層和下層閥控層的中間環(huán)節(jié)，也是MMC-HVDC控制保護(hù)層的核心控制層，它直接接收上層的控制指令并向閥控層發(fā)送控制指令，同時(shí)接收閥控層的狀態(tài)信息反饋。

5.2.1 極控制系統(tǒng)

極控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量和系統(tǒng)控制層發(fā)出的交流電壓、直流電壓、有功功率、無功功率等參考指令的接入，并通過外環(huán)控制設(shè)計(jì)對(duì)有功量及無功量進(jìn)行有效的控制，輸出的有功電流和無功電流參考指令通過內(nèi)環(huán)電流解耦控制器得到跟蹤，得到換流器期望的正弦參考基波電壓，下發(fā)給閥組控制層，以獲得期望的電壓、潮流等運(yùn)行指標(biāo)，并把本級(jí)有關(guān)運(yùn)行信息反饋給直流系統(tǒng)控制層。極控制系統(tǒng)包括以下具體控制功能。

a.直流電壓、功率等控制。根據(jù)直流系統(tǒng)控制層提供的直流電壓、有功功率、無功功率和交流電壓或頻率參考值，通過一定的控制策略得到調(diào)制信號(hào)，然后將其輸入到閥控層的觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)換流器的控制。典型的兩端極控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。

b.直流電壓限幅控制。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障引起直流電壓上升或下降且超過限值時(shí)，為避免因故障電流致使直流電壓失去控制或電壓過高損壞器件及降低絕緣性能，引發(fā)新的故障，故在直流電壓的控制中進(jìn)行限幅控制。

c.直流電壓、電流變化速率的控制。直流電壓、電流變化速率過大將會(huì)損壞器件，故將電壓、電流的變化速率限制在器件所能承受的范圍之內(nèi)。

d.換流單元閉鎖和解鎖及緊急閉鎖順序控制。在干擾和故障狀態(tài)下，為維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，保護(hù)設(shè)備，通過一定步驟對(duì)換流器實(shí)施解鎖或閉鎖控制。

e.直流線路故障重啟。當(dāng)直流線路瞬時(shí)故障時(shí)，極控系統(tǒng)可以通過暫時(shí)閉鎖控制換流站脈沖限制暫態(tài)過電流，經(jīng)過一定時(shí)間后，直流系統(tǒng)試圖重啟，以恢復(fù)直流系統(tǒng)的運(yùn)行。

f.負(fù)序電流控制。當(dāng)MMC系統(tǒng)側(cè)交流系統(tǒng)電壓不平衡或發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，換流器交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，為避免系統(tǒng)故障保護(hù)動(dòng)作，威脅換流裝置的安全，必須采取抑制負(fù)序控制的策略，使有功、無功及直流電壓中2次諧波分量限制在系統(tǒng)能正常運(yùn)行的范圍內(nèi)，以便故障解除后系統(tǒng)能迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)。

g.運(yùn)行信息的采集和處理。處理整個(gè)極控制層內(nèi)信息的采集及信號(hào)，送至上一控制層；接收下一層運(yùn)行信息，判斷是否達(dá)到換流器控制層指令要求，實(shí)時(shí)調(diào)整向下一層發(fā)送的控制指令。

5.2.2 極保護(hù)系統(tǒng)［28］

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)原則，保護(hù)系統(tǒng)采用完全雙重化冗余配置，防止在保護(hù)系統(tǒng)失效的情況下故障不能切除。保護(hù)系統(tǒng)的配置是根據(jù)不同的故障類型進(jìn)行的，根據(jù)MMC-HVDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)主要分為交流系統(tǒng)的保護(hù)、換流站的保護(hù)和直流輸電線路的保護(hù)。極保護(hù)系統(tǒng)的功能主要包括直流場(chǎng)保護(hù)、直流線路保護(hù)等。

圖6 兩端MMC-HVDC極控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Design of two-terminal MMC-HVDC polar control structure

5.3 閥組控制層

閥組控制層在功能上是聯(lián)系上層控制系統(tǒng)與底層開關(guān)器件控制的中間樞紐。閥組控制層接收極控制層輸出的控制信號(hào)，并通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生相應(yīng)的閥觸發(fā)脈沖以控制閥組的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器閥的觸發(fā)控制。同時(shí)接收各子模塊開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的回報(bào)信號(hào)及狀態(tài)信息并上報(bào)至極控制保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控單元。閥組控制層是實(shí)現(xiàn)各種指令的具體執(zhí)行操作層，與系統(tǒng)控制層、極控制層相比，其響應(yīng)速度是最快的。閥組控制層的功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

閥組控制層主要包括以下功能。

a.開關(guān)調(diào)制。各換流器閥的觸發(fā)脈沖是通過接收極控制層傳來的控制指令，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制而產(chǎn)生的。產(chǎn)生調(diào)制觸發(fā)脈沖的方法有多種［10］，較常用的除正弦脈寬調(diào)制外，還有空間矢量脈寬調(diào)制、特定諧波消除及載波移相正弦脈寬調(diào)制等。

b.閥組導(dǎo)通、關(guān)斷控制。閥組控制系統(tǒng)將調(diào)制產(chǎn)生的換流器閥的觸發(fā)脈沖發(fā)射、分配和轉(zhuǎn)換并送到每個(gè)子模塊的控制極，以控制閥組的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器閥的觸發(fā)控制。

c.閥組保護(hù)控制。保護(hù)換流器閥不受正向電壓和電壓變化率陡值的沖擊。如果出現(xiàn)閥擊穿或短路，能夠閉鎖觸發(fā)脈沖，自我保護(hù)，并觸發(fā)相應(yīng)的控制保護(hù)機(jī)制。

圖7 閥組控制層功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Functional structure of valves control layer

d.閥組的導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過光纖與閥控單元相連，監(jiān)測(cè)閥組子模塊的通、斷狀態(tài)；判斷閥組是否正常運(yùn)行，并且將狀態(tài)信息反饋給極保護(hù)系統(tǒng)。

e.子模塊電容電壓平衡控制。對(duì)于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身而言，子模塊電容在橋臂電流發(fā)生變化時(shí)，存在電容的充放電現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)子模塊電容電壓不均衡，造成功率器件的電壓應(yīng)力不一致，因而必須對(duì)各橋臂子模塊的電容電壓進(jìn)行均衡控制。

f.內(nèi)部環(huán)流抑制控制。MMC內(nèi)部環(huán)流是由各相上、下橋臂電壓之和彼此不一致引起的，它只在MMC三相橋臂間流動(dòng)，對(duì)外部交流系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響，但會(huì)造成換流器橋臂電流波形畸變。因此需抑制內(nèi)部環(huán)流，使橋臂電流更逼近正弦波，以減小相單元總能量的波動(dòng)幅度，有利于MMC的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.4 功率子模塊控制保護(hù)單元

功率子模塊控制保護(hù)單元是直接對(duì)MMC中的每個(gè)子模塊進(jìn)行觸發(fā)控制的設(shè)備，其主要功能有：

a.負(fù)責(zé)接收閥控制層通過光纖輸出的子模塊控制脈沖，并對(duì)各子模塊下達(dá)觸發(fā)脈沖指令；

b.上報(bào)各子模塊電容電壓及狀態(tài)信息，并將這些信息傳送到閥組控制的檢測(cè)板，每塊檢測(cè)板對(duì)子模塊電容電壓進(jìn)行預(yù)處理，將電容電壓值與電容編碼，連同出現(xiàn)故障的子模塊信息上報(bào)至中央處理板。

6 結(jié)論

本文較為全面地構(gòu)建了MMC-HVDC系統(tǒng)控制保護(hù)體系框架，明確了控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和基本要求，指出了采用冗余配置及分層控制結(jié)構(gòu)的必要性，明確了控制保護(hù)系統(tǒng)各層次之間的關(guān)系及實(shí)現(xiàn)的控制功能，詳細(xì)闡述了控制保護(hù)系統(tǒng)各層控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為新型混合雙饋入直流輸電系統(tǒng)通用控制保護(hù)平臺(tái)的開發(fā)和建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。隨著我國大力發(fā)展智能電網(wǎng)技術(shù)的需求趨勢(shì)，MMCHVDC系統(tǒng)控制保護(hù)體系框架的建立有利于縮短設(shè)計(jì)周期及工程實(shí)用化，因而是非常有實(shí)際意義的。