高壓大容量柔性直流輸電閥基控制設(shè)備及其動態(tài)模擬試驗(yàn)研究

路建良，關(guān)兆亮，王新穎，李強(qiáng)，賀之淵，李君，陳堃

(1.先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)，北京 102200；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077；3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流輸電技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)功率四象限運(yùn)行和有功無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的能力，并具備電壓應(yīng)力低、損耗低、諧波小、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，是提升可再生能源接納能力、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性、支撐能源轉(zhuǎn)型迫切需要的新型輸電技術(shù)，已成為國際電網(wǎng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)方向[1-8]。電壓源換流器型高壓直流(voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC)換流閥作為電能轉(zhuǎn)換與控制的核心裝備，相當(dāng)于柔性直流輸電系統(tǒng)的“心臟”，也是我國重點(diǎn)發(fā)展的前沿高端電力裝備。

從1997年首個VSC-HVDC工程(Hellsjon工程，10 kV/3 MW)，到2019年投運(yùn)的渝鄂背靠背柔性直流工程(設(shè)計有南、北2個通道，每個通道設(shè)計2個單元，每個單元均為±420 kV/1 250 MW)，柔性直流輸電工程電壓等級越來越高，輸送功率容量越來越大。隨著柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級和容量的提升，對柔性直流換流閥控制鏈路延時、過流檢測及閉鎖通道鏈路延時的要求越來越苛刻[9-10]；因此，作為柔性直流換流閥的控制設(shè)備，閥基控制設(shè)備(valve-based controller，VBC)的可靠性要求也越來越高。

VBC的出廠試驗(yàn)對于柔性直流輸電工程可靠運(yùn)行至關(guān)重要。目前，柔性直流VBC的測試方法主要有2種：①基于動態(tài)模擬(以下簡稱“動模”)系統(tǒng)的純物理仿真[11-13]，即柔性直流控制系統(tǒng)的一次主電路采用降壓降容的物理電路進(jìn)行等效模擬，二次控制系統(tǒng)采用真實(shí)的VBC進(jìn)行仿真驗(yàn)證；②基于RTDS/RT-LAB/HYPERSIM等實(shí)時仿真系統(tǒng)的半實(shí)物硬件在環(huán)(hardware-in-loop，HIL)測試[13-14]，該測試系統(tǒng)中一次主電路采用運(yùn)行在現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)中的電路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行等效模擬，二次控制系統(tǒng)則采用真實(shí)的VBC進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其中，動模系統(tǒng)是物理仿真，具有實(shí)證性強(qiáng)、技術(shù)成熟、仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠等技術(shù)特點(diǎn)，是最接近于柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際的研究手段[12]。

本文首先介紹MMC型高壓直流(MMC-HVDC)輸電換流閥的電氣拓?fù)浜涂刂圃恚黄浯?，依托渝鄂柔性直流背靠背?lián)網(wǎng)工程，提出VBC全規(guī)模接入的動模系統(tǒng)設(shè)計方法；然后，研究VBC全接口、全功能測試方法；最后，通過對比所構(gòu)建的動模系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，驗(yàn)證所設(shè)計動模系統(tǒng)的正確性以及VBC的可靠性。

1 MMC拓?fù)浼翱刂圃?/h2>

1.1 MMC基本拓?fù)?/h3>

MMC電路拓?fù)淙鐖D1所示，共由3個相單元組成，每個相單元由上下2個橋臂構(gòu)成，每個橋臂包括N個子模塊和1個橋臂電抗器。其中，每個子模塊是由2個可控開關(guān)器件、2個反并聯(lián)二極管和1個直流儲能電容組成的半橋結(jié)構(gòu)。圖1中：us,z為三相交流系統(tǒng)相電壓；is,z為交流系統(tǒng)相電流；uz,j為橋臂子模塊輸出電壓之和；uarm,z,j為橋臂輸出電壓(包括子模塊的輸出電壓之和以及橋臂電抗器上的電壓)；iz,j為橋臂電流；各變量符號下標(biāo)中z∈{A，B，C}分別表示A、B、C三相，j∈{u，n}分別表示上橋臂和下橋臂，例如下標(biāo)“A,u”表示A相上橋臂(簡稱“A上”)，其他以此類推；Ud為正負(fù)極母線極間電壓；idc為直流極線電流；P為直流側(cè)正極點(diǎn)，N為負(fù)極點(diǎn)，O為中性點(diǎn)；子模塊SM為半橋架構(gòu)，內(nèi)含的2個絕緣柵雙極晶體管(insulate-gate bipolar transistor，IGBT)編號分別為T1、T2，對應(yīng)的2個反并聯(lián)二極管編號分別為D1、D2；Csm為子模塊電容值；Lg為橋臂電抗器電感值。交流系統(tǒng)被視作單機(jī)無窮大系統(tǒng)且忽略換流變壓器的阻抗。

圖1 MMC及子模塊基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，各子模塊均有3種工作狀態(tài)。

a)T1施加開通信號、T2施加關(guān)斷信號，稱為投入狀態(tài)：子模塊電流的流動方向決定T1或D1導(dǎo)通，但子模塊輸出電壓均為子模塊電容電壓。

b)T1施加關(guān)斷信號、T2施加開通信號，稱為切除狀態(tài)：子模塊電流的流動方向決定T2或D2導(dǎo)通，但子模塊輸出電壓均為零。

c)T1和T2均施加關(guān)斷信號，稱為閉鎖狀態(tài)：當(dāng)橋臂電流為圖1所示電流方向，即流入子模塊，輸出電壓為子模塊電容電壓；當(dāng)橋臂電流流出子模塊，輸出電壓為零。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，由圖1得：

(1)

式中：uPO、uNO分別為正、負(fù)極母線對地電壓；uzO為z相(z∈{A，B，C})與中性點(diǎn)O之間的電壓，表示換流器每相輸出電壓。由式(1)得：

uzO=(uarm,z,n-uarm,z,u)/2.

uarm,z,u+uarm,z,n=Ud.

正常運(yùn)行過程中MMC的橋臂單元中N個子模塊的電容電壓大致等于直流母線電壓的1/N。為保證MMC直流母線電壓穩(wěn)定，每個相單元投入的子模塊數(shù)必須為N。在此前提下，MMC相電壓輸出會產(chǎn)生N+1個電平數(shù)[15]。

1.2 控制原理

目前，柔性直流輸電系統(tǒng)主流的控制策略是以快速電流反饋為特征的直接電流控制。該控制策略在電機(jī)控制領(lǐng)域稱為矢量控制，能夠獲得高品質(zhì)的電流響應(yīng)[5]。由文獻(xiàn)[15-16]可知：在dq坐標(biāo)系下，當(dāng)MMC采用定直流母線電壓和定無功功率控制時，通常采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制(電壓外環(huán)控制主要是穩(wěn)定直流母線電壓，而電流內(nèi)環(huán)控制主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制)；當(dāng)MMC采用定有功功率控制和定無功功率控制時，可以分解為內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器(外環(huán)功率控制器控制MMC與三相交流系統(tǒng)傳遞的有功和無功功率，輸出內(nèi)環(huán)控制指令，而內(nèi)環(huán)電流控制器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流跟隨控制指令)。

圖2 MMC典型控制框圖

按控制層級從上往下劃分，柔性直流輸電系統(tǒng)(MMC-HVDC)物理控制可分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制、閥級控制、子模塊級控制[17]。其中，閥級控制是本文研究的重點(diǎn)。

2 閥基控制設(shè)備設(shè)計

2.1 閥級控制軟件策略設(shè)計

2.1.1 MMC電壓調(diào)制策略

調(diào)制技術(shù)對于MMC的控制至關(guān)重要。最近電平逼近調(diào)制、載波移相調(diào)制和載波層疊調(diào)制具有易擴(kuò)展性和易實(shí)現(xiàn)性，廣泛用于MMC調(diào)制中。渝鄂工程采用最近電平逼近調(diào)制策略[18]，如圖3所示，圖中：橫坐標(biāo)ωt為電壓波形的電角度，t為時間；Ucap為子模塊電容電壓額定值，也是1個電平所代表的電壓數(shù)值。

圖3 橋臂電壓調(diào)制方法

在每個控制周期，每相上橋臂需要投入的子模塊數(shù)的實(shí)時表達(dá)式為

每相下橋臂需要投入的子模塊數(shù)的實(shí)時表達(dá)式為

式中：[x]表示取與x最接近的整數(shù)；uz,u,ref、uz,n,ref分別為每個時刻z相(z∈{A，B，C})上下橋臂子模塊輸出電壓的調(diào)制信號。

2.1.2 橋臂環(huán)流抑制

考慮到分布式布置的各子模塊電容電壓不可能完全均衡，各相之間能量分配的不平衡以及相間電壓差的存在，導(dǎo)致了換流器內(nèi)部環(huán)流的產(chǎn)生，文獻(xiàn)[19]指出環(huán)流為二倍頻負(fù)序分量。

典型的橋臂環(huán)流抑制策略如圖4所示。環(huán)流抑制的目的就是消去二倍頻負(fù)序交流分量。首先采用二倍頻負(fù)序(圖中2θ-表示二倍頻負(fù)序)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將二倍頻環(huán)流ic,z(z∈{A，B，C})分離為2個直流分量ic,d和ic,q，ic,d和ic,q分別為二倍頻環(huán)流在負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq軸分量；其次設(shè)置ic,d、ic,q的參考值為0，與ic,d、ic,q作差比較后，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器(k1、T1為d軸的比例系數(shù)與積分時間常數(shù)，k2、T2為q軸的比例系數(shù)與積分時間常數(shù))，再引入前饋量消去dq軸耦合部分，得到負(fù)序三相內(nèi)部不平衡電壓在dq軸的分量uc,d,ref、uc,q,ref；然后經(jīng)過逆變換，可得負(fù)序三相內(nèi)部不平衡電壓ucor,z(z∈{A，B，C})；最終將得到的負(fù)序三相內(nèi)部不平衡電壓疊加到橋臂電壓參考波上。

圖4 橋臂環(huán)流抑制原理

2.1.3 充電期間自主均壓策略

MMC解鎖前，將子模塊電容充電過程分為2個階段。首先是不控充電階段，換流閥交流側(cè)或者直流側(cè)電壓逐步升高，給子模塊充電，在不控充電完成后，子模塊電容電壓無法達(dá)到額定電壓，并且各子模塊電容電壓可能不均；當(dāng)交流充電電壓或者直流充電電壓升高至設(shè)置值后，進(jìn)入主動均壓階段。

自主均壓包括3種工況：僅交流側(cè)充電下的自主均壓、僅直流側(cè)充電下的自主均壓、交流側(cè)直流側(cè)混合充電下的自主均壓。

VBC主動均壓策略步驟如下：

a)換流器不控充電穩(wěn)定后，以導(dǎo)通所有子模塊的方式解鎖換流器；

b)每隔一定延時，各橋臂切出一定數(shù)目的子模塊；

c)直至各橋臂的導(dǎo)通子模塊數(shù)量減少至目標(biāo)值N。

2.1.4 解鎖后子模塊均壓策略

當(dāng)采用最近電平逼近的調(diào)制策略時，子模塊電容電壓排序均壓控制方法[20]具有很大的優(yōu)勢。主要邏輯流程如下：

a)分別對每一相上、下橋臂可用子模塊的電容電壓進(jìn)行大小排序；

b)根據(jù)第2.1.1節(jié)調(diào)制策略確定每相上、下橋臂需要投入的子模塊個數(shù)nz,u和nz,n(z∈{A，B，C})；

c)根據(jù)橋臂電流的方向確定投切的子模塊；

d)在電容排序均壓的基礎(chǔ)上，還可以引入“附加開關(guān)點(diǎn)”[21]，確保電容充、放電過程中最高電容電壓值與最低電容電壓值之間的電壓差額Δu始終被限定在設(shè)定的臨界值范圍之內(nèi)。

2.2 閥級控制硬件設(shè)計

2.2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

VBC主要由電流控制單元、橋臂匯總控制單元、橋臂分段控制單元3個部分組成，整個VBC系統(tǒng)采用雙冗余熱備用設(shè)計。此外，VBC還設(shè)計有三重化配置的橋臂過流快速保護(hù)單元〔接收光學(xué)電流互感器(optical current transformer，OCT)傳來的橋臂電流進(jìn)行過流判斷及保護(hù)動作〕以及雙重化配置的閥基監(jiān)視設(shè)備(valve monitor，VM)，硬件架構(gòu)如圖5所示。

2.2.2 各功能機(jī)箱設(shè)計

VBC各功能單元設(shè)計如下。

a)電流控制單元：主要實(shí)現(xiàn)MMC電壓調(diào)制、交直流充電工況下的VBC自主均壓、橋臂環(huán)流抑制、整個閥級別的保護(hù)等；

b)橋臂匯總控制單元：主要實(shí)現(xiàn)同一橋臂不同分段間的均壓控制；

c)橋臂分段控制單元：主要實(shí)現(xiàn)該分段內(nèi)子模塊的均壓控制、子模塊的部分保護(hù)功能；

d)橋臂電流快速保護(hù)單元：實(shí)行換流閥橋臂電流的快速判定、以及生成換流閥快速閉鎖指令；

圖5 VBC硬件架構(gòu)

e)VM設(shè)備：主要用于實(shí)時監(jiān)視VBC與子模塊的運(yùn)行狀態(tài)、順序事件記錄、錄波等，并設(shè)計有人機(jī)交互界面，可以對VBC進(jìn)行保護(hù)定值整定等操作。

3 動模系統(tǒng)設(shè)計

動模系統(tǒng)的功能主要是驗(yàn)證柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略的正確性以及換流站級控制、VBC等設(shè)備的可靠性。在動模系統(tǒng)設(shè)計中：一方面，需要考慮一次系統(tǒng)降壓降容后的等效性，包括MMC內(nèi)、外部動態(tài)特性的等比例精確模擬；另一方面，需要考慮仿真系統(tǒng)的全面性和易擴(kuò)展性，以滿足不同工程的驗(yàn)證需求。

本文設(shè)計的動模系統(tǒng)如圖6所示，包含一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)，一次系統(tǒng)由交直流場系統(tǒng)和模擬換流閥系統(tǒng)構(gòu)成，二次系統(tǒng)包括了極控制保護(hù)(pole control and protection，PCP)、VBC系統(tǒng)、錄波系統(tǒng)、時鐘分配系統(tǒng)，以及監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)。

3.1 一次系統(tǒng)設(shè)計

動模系統(tǒng)的一次主電路按照“相似性”和“等慣性”原則設(shè)計，以盡可能模擬MMC自身動態(tài)特性。根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]提出的基于等時間常數(shù)的MMC動模系統(tǒng)設(shè)計方案，搭建了適用于渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程的動模系統(tǒng)，其一次系統(tǒng)接線如圖7所示，設(shè)計有比較詳細(xì)的交直流場設(shè)備及對應(yīng)的PT/CT等采集單元。

動模系統(tǒng)主電路的具體參數(shù)詳見表1。

表1 動模參數(shù)

圖6 動模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 動模系統(tǒng)主電路接線圖

動模子模塊基于靈活易拓展的設(shè)計思路，每個動模子模塊都設(shè)計有子模塊級控制、保護(hù)功能。動模系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

3.2 二次系統(tǒng)設(shè)計

動模系統(tǒng)的二次系統(tǒng)除了VBC外，主要包含PCP設(shè)備、第三方錄波設(shè)備、授時設(shè)備(GPS)等，其中：PCP主要包含運(yùn)行人員工作站、控制保護(hù)機(jī)箱、IO接口裝置等；第三方錄波設(shè)備可以連接動模系統(tǒng)的電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)量等電氣信息，實(shí)現(xiàn)自動故障錄波；GPS設(shè)備將所有二次設(shè)備連接在相同時間基準(zhǔn)，便于時序分析。二次設(shè)備實(shí)物如圖9所示。

4 動模系統(tǒng)閥控設(shè)備試驗(yàn)與對比驗(yàn)證

4.1 閥控設(shè)備試驗(yàn)項(xiàng)目

利用本文搭建的動模系統(tǒng)，VBC可以全規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)全功能、全規(guī)模系統(tǒng)測試，可對VBC進(jìn)行包括完全等效的設(shè)備啟停、解閉鎖、自主均壓、VBC本體故障模擬、換流閥故障模擬、無源逆變、靜止同步補(bǔ)償裝置(static synchronous compensation，STATCOM)、HVDC等不同運(yùn)行工況試驗(yàn)。

圖8 動模系統(tǒng)實(shí)物

圖9 二次系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物

下面選取幾種典型工況，分析閥控設(shè)備的控制性能，并與渝鄂工程現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證動模系統(tǒng)的運(yùn)行特性及仿真的等效性。

4.2 閥控自主均壓

4.2.1 交流充電工況下閥控自主均壓

MMC經(jīng)過交流不控整流充電后，單個子模塊電容電壓偏低，此時若直接解鎖，會在解鎖瞬間對交流電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊。為改善此電氣特性，閥控設(shè)備設(shè)計有交流充電工況下的自主均壓，在提升單個子模塊電容電壓的同時，保證電容電壓平衡度。

系統(tǒng)設(shè)定為空載加壓試驗(yàn)(open line test，OLT)工況，交流側(cè)合閘為換流閥充電后，VBC執(zhí)行自主均壓，動模系統(tǒng)與工程現(xiàn)場的6個橋臂平均電壓對比如圖10所示。

圖10 交流充電自主均壓下子模塊平均電壓對比

由圖10可知：6個橋臂子模塊平均電壓被調(diào)節(jié)到接近子模塊額定電壓的水平；因?yàn)閯幽Ｏ到y(tǒng)一次參數(shù)的離散型，6個橋臂間平均電壓略有差異，但最大偏差小于10 V；動模系統(tǒng)與工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)誤差也小于10 V，偏差小于0.006(標(biāo)幺值)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該試驗(yàn)中動模系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果與工程現(xiàn)場的波形高度吻合。

4.2.2 直流充電工況下閥控自主均壓

柔性直流輸電工程通過直流母線連接2個換流站，當(dāng)直流母線對側(cè)換流站交流充電后，本側(cè)換流站的換流閥通過直流側(cè)進(jìn)行直流充電，此時子模塊電容電壓很低。由于一次參數(shù)的離散性，子模塊電容電壓可能進(jìn)一步發(fā)生不均衡，甚至低于高位取能電源的工作電壓范圍，導(dǎo)致子模塊無通信，或?qū)е赂呶蝗∧茈娫磽p壞；為此，VBC設(shè)計直流充電模式下的自主均壓，該功能在黑啟動邏輯中更為重要。

動模系統(tǒng)調(diào)整至無源逆變工況(對應(yīng)渝鄂工程現(xiàn)場直流母線對側(cè)換流站交流充電、本側(cè)換流站直流充電工況)，為了驗(yàn)證該控制策略的魯棒性，人為擴(kuò)大了動模系統(tǒng)上下橋臂子模塊參數(shù)的不一致性。動模系統(tǒng)與工程現(xiàn)場A相上下橋臂的電容電壓平衡值Uavg、子模塊電壓最大值Umax、子模塊電壓最小值Umin如圖11所示。

圖11 直流充電自主均壓效果對比

由圖11可知：工程現(xiàn)場上下橋臂電壓一致性更好，電壓最大、最小值的差異控制在50 V左右；由于人為設(shè)定的系統(tǒng)差異，動模系統(tǒng)上下橋臂電壓存在一定差異，但可靠收斂，各橋臂內(nèi)電容電壓最大、最小值之差控制在100 V左右，均滿足控制要求(子模塊電壓最大、最小值之差在額定電壓的±5%以內(nèi))。

由于工程現(xiàn)場不同橋臂電氣參數(shù)差異沒有動模試驗(yàn)中的參數(shù)差異大，該工況6個橋臂子模塊電壓平均值Uavg如圖12所示，6個橋臂子模塊電壓平均值的最大、最小差異在10 V以內(nèi)，一致性很好。

圖12 工程現(xiàn)場直流充電自主均壓效果

4.3 系統(tǒng)啟停運(yùn)試驗(yàn)

4.3.1 系統(tǒng)解鎖

為了便于分析系統(tǒng)解鎖時刻換流閥跟蹤效果，將PCP下發(fā)的橋臂電壓參考值、VBC調(diào)制出的應(yīng)投入子模塊個數(shù)以及統(tǒng)計的換流閥實(shí)際投入子模塊個數(shù)，均由有名值轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值。動模系統(tǒng)與工程現(xiàn)場解鎖時換流閥跟蹤效果以及橋臂電流波形如圖13所示。

圖13 解鎖時刻波形對比

由試驗(yàn)結(jié)果可知：①系統(tǒng)解鎖后，VBC調(diào)制出的子模塊應(yīng)投入個數(shù)可以快速跟蹤PCP下發(fā)的電壓參考值；②子模塊真實(shí)投入個數(shù)可以快速跟蹤投切指令，波形中所體現(xiàn)的時差為正常系統(tǒng)執(zhí)行中的鏈路延時；③系統(tǒng)解鎖時橋臂電流也控制在合理范圍內(nèi)；④動模系統(tǒng)子模塊投切跟蹤試驗(yàn)結(jié)果與工程現(xiàn)場的波形高度吻合。

4.3.2 系統(tǒng)閉鎖

系統(tǒng)閉鎖后，VBC跳轉(zhuǎn)至自主均壓流程，子模塊平均電壓慢慢由額定電壓降低，橋臂電流波動幅值變小(由于動模采集設(shè)備存在零漂，閉鎖后橋臂電流還有較小幅度的波動)，如圖14所示。

圖14 閉鎖時刻波形對比

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該試驗(yàn)中動模系統(tǒng)6個橋臂子模塊平均電壓及橋臂電流的試驗(yàn)結(jié)果與工程現(xiàn)場的波形高度吻合。

4.4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

4.4.1 電容電壓平衡控制

選取工程現(xiàn)場特定功率點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與動模相同工況進(jìn)行對比，以A相上橋臂為例，通過對比該橋臂電容電壓平均值Uavg、子模塊電壓最大值Umax、子模塊電壓最小值Umin的偏差，分析解鎖后電容電壓平衡控制效果，如圖15所示。

圖15 解鎖穩(wěn)態(tài)下均壓波形對比

由試驗(yàn)結(jié)果可知：動模系統(tǒng)與工程現(xiàn)場，6個橋臂子模塊電壓平均值均在額定電壓附近波動，波動幅度約20 V，子模塊均壓效果良好；每個橋臂的子模塊電容電壓最大值、最小值偏差控制在150 V以內(nèi)，滿足波動要求(額定電壓的±5%以內(nèi))。

該試驗(yàn)中動模系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果與工程現(xiàn)場的波形同樣高度吻合。

4.4.2 VBC跟蹤參考波的效果

動模系統(tǒng)與工程現(xiàn)場解鎖運(yùn)行期間，PCP下發(fā)的橋臂電壓參考值、VBC調(diào)制出的子模塊應(yīng)投入子模塊個數(shù)、VBC統(tǒng)計的橋臂實(shí)際投入子模塊個數(shù)均調(diào)整到標(biāo)幺值后的波形如圖16所示，其中(c)、(d)小圖分別為(a)、(b)小圖的細(xì)節(jié)(局部放大)。

根據(jù)圖16可知：①系統(tǒng)解鎖運(yùn)行期間，VBC調(diào)制出的子模塊投入個數(shù)可很好跟蹤PCP下發(fā)電壓參考值；②子模塊真實(shí)投入個數(shù)可很好跟蹤投切指令，由于子模塊投切狀態(tài)滯后投切指令1個控制周期，故子模塊真實(shí)投入個數(shù)波形與子模塊投切個數(shù)指令的波形相同，但時間滯后1個控制周期。動模系統(tǒng)和工程現(xiàn)場的子模塊投切跟蹤性能均良好，波形高度吻合。

圖16 解鎖穩(wěn)態(tài)下VBC跟蹤參考波效果對比

4.5 系統(tǒng)切換時電氣量波動情況

系統(tǒng)切換時子模塊電氣量波動情況如圖17所示。電流機(jī)箱采用雙冗余配置，冗余系統(tǒng)間交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跟隨，系統(tǒng)切換時(即圖17中的主從值班信號變化時刻)6個橋臂子模塊平均電壓無明顯變化，直流電壓也無明顯震蕩，可見該套系統(tǒng)在系統(tǒng)切換過程可以平穩(wěn)過渡、擾動小，動模系統(tǒng)波形與工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)也高度吻合。

圖17 系統(tǒng)切換時子模塊平均電壓

4.6 控制鏈路延時測試

閥控設(shè)備降低自身鏈路延時對提高系統(tǒng)的控制性能有較大意義，實(shí)測該套閥控裝置鏈路延時如圖18所示，CH1的上升沿表示VBC收到PCP的調(diào)制波，CH2的上升沿表示換流閥功率模塊執(zhí)行觸發(fā)命令，通過示波器自帶的測量時間功能可知，總鏈路延時為95.8 μs，滿足工程設(shè)計需求。

圖18 控制鏈路延時

4.7 工程現(xiàn)場大功率試驗(yàn)

采用經(jīng)本動模系統(tǒng)測試出廠的VBC在渝鄂工程現(xiàn)場配合PCP設(shè)備開展大功率試驗(yàn)，有功功率指令設(shè)定1 000 MW、無功功率指令設(shè)定-156.7 Mvar，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有功功率、無功功率、直流電壓、直流電流與橋臂電流波形如圖19所示，可見，上述物理量的波動范圍均在合理范圍內(nèi)，充分證明經(jīng)過本動模系統(tǒng)出廠測試的VBC設(shè)備完全滿足渝鄂工程的需求。

圖19 渝鄂現(xiàn)場大功率試驗(yàn)波形

5 結(jié)束語

本文首先介紹了高壓大容量柔性直流輸電MMC與二次控制系統(tǒng)的構(gòu)成；其次，依托渝鄂背靠背柔性直流工程，研究了工程閥控設(shè)備全規(guī)模接入的動模系統(tǒng)構(gòu)建方法，并提出了VBC核心的試驗(yàn)項(xiàng)目及其方法；然后，將動模系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與渝鄂工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，證明了所搭建動模系統(tǒng)與渝鄂工程的等效性，也表明該套動模系統(tǒng)滿足渝鄂工程閥控設(shè)備出廠測試要求。由動模數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的比對可知，該動模系統(tǒng)的設(shè)計方法和試驗(yàn)方法對其他工程類似設(shè)備的試驗(yàn)驗(yàn)證具有很大的參考價值。