多端柔性直流輸電換流器控制保護(hù)系統(tǒng)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(duì)換流器控制保護(hù)系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行詳細(xì)分析。柔性直流輸電換流器級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)，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(guān)的保護(hù)功能。該系統(tǒng)接收上層站級(jí)控制系統(tǒng)命令，并向其反饋換流器和換流閥部分狀態(tài)信息;向下層閥控系統(tǒng)發(fā)送控制命令，并接收閥控的狀態(tài)和保護(hù)信息。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電;換流器;控制策略

柔性直流輸電技術(shù)是現(xiàn)今世界上最先進(jìn)的輸變電技術(shù)之一，也是中國重點(diǎn)發(fā)展的智能電網(wǎng)領(lǐng)域。由于柔性直流輸電具有不存在換相失敗問題;控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)精確、操作方便;有功無功可以獨(dú)立控制;運(yùn)行損耗小等優(yōu)點(diǎn)，使得柔性直流輸電在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市配網(wǎng)供電等方面具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

柔性直流輸電的換流器是基于模塊化多電平而設(shè)計(jì)的，由六個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由數(shù)百個(gè)子模塊連接構(gòu)成。換流器控制保護(hù)系統(tǒng)是指用于實(shí)現(xiàn)換流器層控制保護(hù)功能的軟件和硬件，要求具有強(qiáng)大的控制保護(hù)功能，能夠迅速響應(yīng)上級(jí)站層控制系統(tǒng)的指令，同時(shí)向下層閥控系統(tǒng)下發(fā)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(hù)系統(tǒng)為研究對(duì)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，最后詳細(xì)闡述換流器控制系統(tǒng)的控制策略和保護(hù)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(qū)和南澳島，是世界第一個(gè)多端柔性直流輸電項(xiàng)目，于2013年12月25日正式竣工投產(chǎn)。整個(gè)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(gè)三端直流輸電系統(tǒng)，如圖1所示。工程的系統(tǒng)額定電壓為±160kV，輸送容量150MW，遠(yuǎn)期還將在南澳島建設(shè)塔嶼換流站，將輸送容量提升至200MW，實(shí)現(xiàn)對(duì)南澳島風(fēng)電基地的友好接入。工程的順利投運(yùn)極大的推動(dòng)了大型風(fēng)電場(chǎng)采用柔性直流輸電接入技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

2 柔性直流換流器控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

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

工控機(jī)與交換機(jī)連接，主要功能包括：實(shí)時(shí)顯示換流器、閥控屏、水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以及對(duì)換流器系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)下發(fā)控制命令、調(diào)整控制器參數(shù)等，是換流器系統(tǒng)的本地本地人機(jī)操作界面;主控箱由主控板、多個(gè)擴(kuò)展板、I/O板、通訊板等組成，實(shí)現(xiàn)換流器控制策略的運(yùn)算和控制信號(hào)的輸出，系統(tǒng)邏輯控制（順控），以及與系統(tǒng)其他功能模塊間的通訊等功能;I/O接口箱接收外部設(shè)備的繼電器輸入，同時(shí)輸出開關(guān)量，實(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的啟?？刂频?，與主控箱內(nèi)I/O板連接，實(shí)現(xiàn)主控箱的I/O擴(kuò)展和輸入輸出。交換機(jī)主要用于換流器控制系統(tǒng)和閥控屏間的數(shù)據(jù)交換，以及換流器控制系統(tǒng)內(nèi)模塊間的數(shù)據(jù)交換。電源箱輸出多路交、直流電源，對(duì)各功能模塊供電。

3 柔性直流換流器控制系統(tǒng)的控制保護(hù)功能

3.1 控制功能

換流器控制系統(tǒng)能夠接受站控系統(tǒng)控制命令信號(hào)，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(nèi)部過壓、過流的各種故障，以及控制系統(tǒng)誤發(fā)脈沖等造成的障礙。

當(dāng)換流器交流測(cè)連接到交流電網(wǎng)時(shí)，控制器結(jié)構(gòu)上分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)包括有功、無功、直流電壓控制，跟蹤上級(jí)發(fā)來的指令信號(hào)，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(nèi)環(huán)，跟蹤外環(huán)計(jì)算獲得的電流指令，完成電流控制的功能。

當(dāng)換流器交流測(cè)只連接風(fēng)電和無源負(fù)載時(shí)，控制器執(zhí)行上級(jí)發(fā)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(cè)供電。

（1）定有功功率控制

在交直流并聯(lián)運(yùn)行模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)有功功率參考值控制換流器與交流系統(tǒng)交換的有功功率。

換流器接到上級(jí)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(jìn)行比較，將誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算，經(jīng)限幅后作為有功軸電流給定值。為防止階躍給定對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，及防止因上位機(jī)故障傳遞錯(cuò)誤指令，給定信號(hào)經(jīng)斜坡函數(shù)處理限幅后作為有功功率最終給定值。調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)設(shè)置積分限幅[Ip_min_i， Ip_max_i];比例積分環(huán)節(jié)總輸出值設(shè)置限幅[Ip_min， Ip_max]。其中Ip_max≥ Ip_max_i，Ip_min≤Ip_min_i。功率控制環(huán)輸出為電流內(nèi)環(huán)有功軸給定值。具體如圖5-5所示。

圖 有功功率外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

（2）定直流電壓控制

通過控制直流電壓達(dá)到平衡各節(jié)點(diǎn)功率，穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)工作點(diǎn)的目的。換流站收到上級(jí)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(jìn)行比較，將誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算，經(jīng)限幅后作為有功軸電流給定值。為防止階躍給定對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，給定信號(hào)經(jīng)斜坡函數(shù)處理后作為有功功率最終給定值。調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)設(shè)置積分限幅[Idc_min_i， Idc_max_i];比例積分環(huán)節(jié)總輸出值設(shè)置限幅[Idc_min， Idc_max]。其中Idc_max≥ Idc_max_i，Idc_min≤ Idc_min_i。功率控制環(huán)輸出為電流內(nèi)環(huán)有功軸給定值。具體如圖5-6所示。

圖5-6 直流電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

（3）定無功功率控制

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)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(jí)傳來的直流電壓指令信號(hào)Qref，反饋值進(jìn)行比較，將誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算，經(jīng)限幅后作為無功軸電流給定值。為防止階躍給定對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，給定信號(hào)經(jīng)斜坡函數(shù)處理后作為有功功率最終給定值。調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)設(shè)置積分限幅[Iq_min_i， Iq_max_i];比例積分環(huán)節(jié)總輸出值設(shè)置限幅[Iq_min， Iq_max]。其中Iq_max> Iq_max_i，Iq_min< Iq_min_i。功率控制環(huán)輸出為電流內(nèi)環(huán)無功軸給定值。為優(yōu)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(shí)際有功功率，具體如圖5-6所示。

（4）內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)接受來自外環(huán)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(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)電流幅值和相位的直接控制。內(nèi)環(huán)控制主要包括內(nèi)環(huán)直接電流控制、負(fù)序電壓抑制環(huán)節(jié)，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(nèi)環(huán)控制的參考值。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，結(jié)構(gòu)與有功功率調(diào)節(jié)器相同，分別設(shè)置調(diào)節(jié)器輸出限幅值[Vdmin Vdmax]、[Vqmin Vqmax]。然后采用前饋解耦控制方法計(jì)算d、q軸電壓給定信號(hào)，經(jīng)dq-abc坐標(biāo)變換得到換流器6個(gè)橋臂的指令信號(hào)，如圖5-7所示。

圖5-7 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

（5）孤島電壓頻率控制

在純直流運(yùn)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(jí)電壓幅值（Vref）和頻率（fref）指令信號(hào)，以定V/f模式控制換流器運(yùn)行。以原有電網(wǎng)電壓幅值和相角度為初始值，對(duì)換流器進(jìn)行開環(huán)控制，將指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為換流器電壓相角和幅值的指令信號(hào)，經(jīng)極坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)變換，得到換流器三相參考信號(hào)。定交流電壓-頻率控制方式結(jié)構(gòu)圖如圖5-8所示。

3.2 保護(hù)功能

換流器級(jí)保護(hù)包括閥差動(dòng)保護(hù)、閥過流速斷保護(hù)、環(huán)流檢測(cè)保護(hù)、電容電壓和過壓保護(hù)以及雙極故障保護(hù)，如圖5-9。其中閥差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù);閥過流速斷保護(hù)、雙極故障保護(hù)為閥控相應(yīng)保護(hù)的后備;電容電壓和過壓保護(hù)為直流線路過壓的后備保護(hù)，同時(shí)用于保護(hù)換流器控制失控的情況;環(huán)流監(jiān)測(cè)保護(hù)用于保護(hù)閥控失控的情況。

在換流器控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部，閥過流速斷保護(hù)是閥控差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)，閥過流速斷也是雙極短路保護(hù)的后備保護(hù)。

換流器控制保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)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(tǒng)停運(yùn)。具體說明如下：

1）警告。當(dāng)換流器檢測(cè)到不嚴(yán)重的故障，可以繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，向站控和SCADA發(fā)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(hù)的冗余切換。

2）緊急閉鎖。換流器會(huì)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(tǒng)停運(yùn)。如果換流器認(rèn)為該故障下，不允許直流母線帶電，將發(fā)出要求停運(yùn)。

4 結(jié)論

換流器控制保護(hù)系統(tǒng)是柔性直流輸電最核心的控制系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了柔性直流輸電系統(tǒng)換流器層的控制及保護(hù)功能，接受站級(jí)控制系統(tǒng)命令信號(hào)，并向閥控下發(fā)控制指令，是站控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)的連接紐帶。換流器控制保護(hù)系統(tǒng)還配置完善的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器在各種故障情況下的保護(hù)。

5參考文獻(xiàn)

【1】湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[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(wǎng)科學(xué)研究院直流輸電研究所.換流站電氣主接線研究.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院863課題“大型風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”專題報(bào)告，2012，9.

【3】南方電網(wǎng)科學(xué)研究院直流輸電研究所.換流站主設(shè)備配置及選型研究.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院863課題“大型風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”專題報(bào)告，2012，9.

【4】南方電網(wǎng)科學(xué)研究院直流輸電研究所.多端柔性直流輸電控制和保護(hù)策略配置研究.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院863課題“大型風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”專題報(bào)告，2012，9.