基于RTLAB的柔直閥控系統(tǒng)全接入測(cè)試方法研究

楊岳峰，孫寶奎，馬玲，鞏英才，詹雄，曹均正，唐冉

（1.中電普瑞電力工程有限公司，北京市昌平區(qū)102200；2.北京市直流輸配電工程技術(shù)研究中心，北京市昌平區(qū)102200）

0 引言

隨著我國對(duì)于能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提升，模塊化多電平柔性直流輸電技術(shù)(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)在可再生能源并網(wǎng)、新型城市電網(wǎng)改造、孤島供電、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和多端輸電等領(lǐng)域具有極大的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1-4]。MMCHVDC具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大等特點(diǎn)，對(duì)柔性直流閥控系統(tǒng)功能與性能提出了更高的要求。閥控系統(tǒng)可靠性測(cè)試已成為閥控系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的重要部分。

相比于針對(duì)子模塊控制器的測(cè)試[5]，針對(duì)柔性 直 流 輸 電(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)閥控系統(tǒng)的測(cè)試更具復(fù)雜性與多樣性，常見閥控系統(tǒng)測(cè)試方法有：基于動(dòng)態(tài)模擬仿真平臺(tái)試驗(yàn)、基于RTDS/RTLAB仿真平臺(tái)試驗(yàn)。文獻(xiàn)[6-8]設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)模擬仿真平臺(tái)用于閥控測(cè)試，雖可實(shí)現(xiàn)閥控系統(tǒng)全接入測(cè)試，但難以擴(kuò)展到幾百電平的MMC-HVDC系統(tǒng)，且不便于進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)操作與故障測(cè)試；文獻(xiàn)[9-10]分別基于RTDS/RTLAB仿真平臺(tái)搭建了閥控測(cè)試系統(tǒng)，RTDS/RTLAB平臺(tái)能方便地模擬交直流混合系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)過程，但受制于本身接口數(shù)量，都無法做到對(duì)閥控系統(tǒng)進(jìn)行全接入及全功能測(cè)試；文獻(xiàn)[11-12]應(yīng)用接口裝置對(duì)物理動(dòng)模試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行接口拓展，實(shí)現(xiàn)了閥控全接入功能，但其利用少量的物理模擬子模塊進(jìn)行子模塊接口拓展，難以真實(shí)模擬每個(gè)子模塊的動(dòng)態(tài)特性；且其系統(tǒng)主電路拓?fù)浜?jiǎn)單，難以精確模擬主電路一次設(shè)備，不便于進(jìn)行各種暫穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)級(jí)功能測(cè)試。

針對(duì)上述測(cè)試平臺(tái)的不足，本文基于RTLAB平臺(tái)對(duì)主電路一次設(shè)備及換流閥進(jìn)行精準(zhǔn)建模，搭建了一套閥控可全規(guī)模接入、等效工程現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)不僅可以測(cè)試閥控全接口、啟動(dòng)[13-14]、解鎖均壓[15-16]、環(huán)流抑制[17]等基本控制保護(hù)功能，還可以遍歷進(jìn)行子模塊故障、系統(tǒng)級(jí)故障[18-19]的測(cè)試。該測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法已應(yīng)用于張北柔性直流輸電工程[20]北京換流站閥控系統(tǒng)出廠測(cè)試中。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

從控制保護(hù)角度劃分，柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)分為3個(gè)層次：由極控系統(tǒng)組成的極控制保護(hù)層；由閥控系統(tǒng)組成的閥基控制保護(hù)層；由子模塊控制系統(tǒng)組成的子模塊控制保護(hù)層。閥控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)上層極控系統(tǒng)和底層子模塊控制系統(tǒng)連接的中間樞紐，用于實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電核心設(shè)備換流閥的控制、保護(hù)與監(jiān)視。

圖1 所示為張北四端柔性直流輸電工程拓?fù)洌劳蠷TLAB實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)搭建了閥控系統(tǒng)的全功能測(cè)試系統(tǒng)，閥控測(cè)試系統(tǒng)主要包括RTLAB實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)、極控接口裝置與子模塊接口裝置。

圖1 張北柔性直流輸電工程拓?fù)銯ig.1 Topology of Zhangbei HVDC power transmission project

在RTLAB平臺(tái)按照工程參數(shù)搭建了柔直模型，其中，張北站、康保站、豐寧站三端系統(tǒng)的一次線路、換流閥及全部控制保護(hù)系統(tǒng)完全由RTLAB全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建完成；北京站主電路、換流閥和極控系統(tǒng)等由仿真平臺(tái)搭建，而閥控系統(tǒng)采用真實(shí)硬件接入，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)張北工程北京站閥控系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試；極控接口裝置實(shí)現(xiàn)RTLAB平臺(tái)極控系統(tǒng)模型與閥控系統(tǒng)的連接，可模擬極控制設(shè)備的故障；子模塊接口裝置實(shí)現(xiàn)RTLAB平臺(tái)換流閥模型與閥控系統(tǒng)的連接，可模擬子模塊控制器各類故障以及采集并轉(zhuǎn)換橋臂電流信息。測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)際閥控系統(tǒng)連接示意圖和實(shí)物圖如圖2—3所示。

圖2 閥控測(cè)試系統(tǒng)連接圖Fig.2 Connection schematic diagram of valve base control test system

1.2 RTLAB平臺(tái)模型搭建

RTLAB實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)具有模型易擴(kuò)展、參數(shù)設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)，其基于多核處理器和FPGA并行處理技術(shù)，能夠在μs級(jí)以下的小步長實(shí)時(shí)運(yùn)行，可以精準(zhǔn)搭建MMC-HVDC系統(tǒng)、精確模擬電力系統(tǒng)的各種電磁暫態(tài)。

RTLAB平臺(tái)采用FPGA以250 ns的步長模擬MMC換流閥的高速暫態(tài)；同時(shí)多核處理器以10~20μs對(duì)交流電網(wǎng)及直流傳輸線路進(jìn)行建模仿真；利用長距離分布參數(shù)線路進(jìn)行解耦，并利用狀態(tài)空間節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分，解決多尺度仿真問題，該平臺(tái)可達(dá)到單橋臂500個(gè)子模塊、6000個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)仿真規(guī)模。以北京換流站雙極系統(tǒng)為例，在RTLAB中搭建圖4所示系統(tǒng)模型。

圖3 閥控測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Photographs of valve base control test system

圖4 北京換流站RTLAB仿真模型Fig.4 RTLAB platform based simulation model of Beijing Converter Station

RTLAB仿真平臺(tái)搭建的模型可方便修改系統(tǒng)運(yùn)行模式和模擬系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域故障，從而全面驗(yàn)證北京站接入的實(shí)際閥控系統(tǒng)的全工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。

1.3 子模塊接口裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)RTLAB平臺(tái)本身配置接口類型、接口數(shù)量以及接口協(xié)議均難以滿足閥控全規(guī)模接入的需求，本文研發(fā)的子模塊接口裝置由一塊核心處理板、若干子模塊接口板、橋臂電流接口板和一套調(diào)試后臺(tái)組成，設(shè)計(jì)連接如圖5所示。

圖5 子模塊接口裝置設(shè)計(jì)Fig.5 Design diagram of submodule interface device

子模塊接口裝置核心處理板采用333 M高主頻SOC處理器，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)高速并行接口通信，板載ARM單元靈活實(shí)現(xiàn)邏輯處理功能，將從RTLAB平臺(tái)獲取的子模塊信息與調(diào)試后臺(tái)下發(fā)的子模塊故障狀態(tài)協(xié)調(diào)處理，模擬子模塊運(yùn)行特性與時(shí)序。

核心處理板通過高速Aurora通信接口實(shí)現(xiàn)與RTLAB平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，通信速率高達(dá)2 Gbps，單通道可傳輸上百個(gè)子模塊的狀態(tài)信息；其鏈路延時(shí)可控制在ns級(jí)，相比于柔直系統(tǒng)的百μs級(jí)鏈路延時(shí)可忽略不計(jì)。

接口板采用純FPGA硬件設(shè)計(jì)，高速并行處理與流水線操作，按照工程標(biāo)準(zhǔn)接口與協(xié)議（IEC60044-8 10 Mbps）同閥控建立一對(duì)一通信，接口板內(nèi)部執(zhí)行延時(shí)以及與閥控系統(tǒng)的通信延時(shí)完全等效工程實(shí)際，提高了測(cè)試系統(tǒng)的有效性。

橋臂電流接口板將RTLAB平臺(tái)固定通信接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換為不同系列閥控系統(tǒng)所需橋臂電流接口與協(xié)議，并補(bǔ)償RTLAB平臺(tái)難以模擬的實(shí)際工程中CT采樣延時(shí)，從而保證橋臂電流從采樣到下發(fā)至閥控系統(tǒng)的延時(shí)嚴(yán)格滿足工程實(shí)際。

調(diào)試后臺(tái)與子模塊接口裝置核心處理板通過千兆以太網(wǎng)通信，可在線設(shè)定子模塊和橋臂電流故障及完成接口裝置工程參數(shù)配置。通過子模塊故障模擬，可遍歷諸如IGBT過流、旁路開關(guān)拒合、驅(qū)動(dòng)過壓等動(dòng)模平臺(tái)難以模擬的子模塊級(jí)故障；人機(jī)交互系統(tǒng)的隨機(jī)操作與多故障一鍵下發(fā)功能設(shè)計(jì)，可模擬子模塊故障工況的隨機(jī)性與復(fù)雜性；靈活的橋臂電流故障模擬，實(shí)現(xiàn)閥控系統(tǒng)對(duì)橋臂電流相關(guān)功能測(cè)試；工程參數(shù)配置功能滿足不同系列閥控系統(tǒng)完全按照工程全規(guī)模接入RTLAB平臺(tái)的需求。

1.4 極控接口裝置設(shè)計(jì)

為了滿足RTLAB內(nèi)極控系統(tǒng)模型與不同系列閥控系統(tǒng)的連接需求，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議靈活轉(zhuǎn)換，降低模型中極控系統(tǒng)的復(fù)雜度，自主開發(fā)了極控接口裝置，其由1塊核心處理板和2塊接口板組成，設(shè)計(jì)連接示意如圖6所示。

圖6 極控接口裝置設(shè)計(jì)Fig.6 Design diagram of pole control and protection interface devices

核心處理板采用FPGA+DSP架構(gòu)，DSP單元進(jìn)行邏輯功能處理，模擬主從切換、同主/同從故障等功能測(cè)試，F(xiàn)PGA單元實(shí)現(xiàn)高速并行處理與通信；其與RTLAB平臺(tái)同樣采用高速Aurora通信交互數(shù)據(jù)，延時(shí)在ns級(jí)。

2 柔直閥控系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目

利用本文閥控全接入RTLAB測(cè)試系統(tǒng)，可全面、便捷地進(jìn)行閥控系統(tǒng)設(shè)備級(jí)與系統(tǒng)級(jí)功能測(cè)試，主要測(cè)試項(xiàng)目見表1。

常規(guī)的基于RTDS/RTLAB仿真平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)[9~10]中換流閥模型一般采用高速等效模型，難以仿真每個(gè)子模塊的各種動(dòng)態(tài)特性，并且對(duì)外僅提供高速光纖通信，無法完成閥控接口的一對(duì)一接入，因此無法開展表1中閥控通信功能、子模塊故障處理等功能測(cè)試；雖然可開展控制功能及系統(tǒng)故障相關(guān)系統(tǒng)性測(cè)試，但由于其無法實(shí)現(xiàn)閥控系統(tǒng)全接入，其控制保護(hù)鏈路延時(shí)不能完全等效于工程實(shí)際，其測(cè)試效果也存在偏差。

基于動(dòng)態(tài)模擬仿真平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)[11-12]無法靈活切換直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，也無法模擬全面的接地等系統(tǒng)性故障，因此其無法滿足表1中系統(tǒng)性控制功能和故障測(cè)試。

表1 閥控系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目Table 1 Testing items of valve base control test system

2.1 可控充電策略測(cè)試

為抑制解鎖沖擊電流、消除換流閥一次設(shè)備器件差異性的影響，在柔直換流閥啟動(dòng)控制中引入可控充電控制策略，使子模塊充電到額定工作電壓左右，降低解鎖沖擊電流和黑啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

換流站運(yùn)行模式和合閘順序的不同，導(dǎo)致?lián)Q流閥充電方式不同，可控充電也相應(yīng)分為交流側(cè)可控充電、直流側(cè)可控充電和交直流側(cè)可控充電3種模式。以端對(duì)端運(yùn)行模式為例，為了驗(yàn)證閥控在各種充電工況下邏輯的正確性，設(shè)計(jì)如下測(cè)試模式，分別如圖7—8所示。

1）充電模式1：本端先合閘，對(duì)端后合閘。

2）充電模式2：對(duì)端先合閘，本端后合閘。

(2)一段還原過程中氫氣露點(diǎn)的提高能有效促進(jìn)還原反應(yīng)的遷移效果，得到形貌均勻、還原充分的二氧化鉬顆粒。

圖7 中端對(duì)端柔性直流系統(tǒng)依次執(zhí)行本端、對(duì)端合交流斷路器和對(duì)端解鎖操作，本端換流閥依次進(jìn)行純交流充電測(cè)試、交流轉(zhuǎn)交直流混合充電過程測(cè)試和交直流混合充電穩(wěn)態(tài)測(cè)試。

圖7 充電模式1合閘順序Fig.7 Diagram of switching order for charging mode 1

圖8 中端對(duì)端柔性直流系統(tǒng)依次執(zhí)行對(duì)端合交流斷路器、對(duì)端解鎖和本端合交流斷路器操作，本端換流閥依次進(jìn)行純直流充電測(cè)試、直流電壓上升過程的直流充電測(cè)試和直流轉(zhuǎn)交直流混合充電至穩(wěn)態(tài)過程測(cè)試。

圖8 充電模式2合閘順序Fig.8 Diagram of switching order for charging mode 2

在以上6種工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和工況轉(zhuǎn)換中，通過自動(dòng)錄波和手動(dòng)錄波波形，查看系統(tǒng)各個(gè)觀測(cè)量的變化趨勢(shì)和穩(wěn)態(tài)值是否與設(shè)計(jì)值一致，驗(yàn)證閥控系統(tǒng)可控充電策略是否正確。

2.2 子模塊均壓控制測(cè)試

MMC的子模塊儲(chǔ)能電容彼此獨(dú)立，各子模塊電容的充放電特性、損耗和電容值等的差異會(huì)使電容電壓出現(xiàn)不平衡，為此，閥控設(shè)計(jì)子模塊均壓控制算法，確保各個(gè)子模塊電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

子模塊均壓控制策略，需保證柔性直流系統(tǒng)運(yùn)行在STATCOM/HVDC工況，功率圓圖各個(gè)功率點(diǎn)下，子模塊電壓平衡指標(biāo)和子模塊開關(guān)頻率滿足要求。子模塊均壓測(cè)試流程如圖9所示，張北柔性直流輸電工程功率圓圖如圖10所示。

圖9 閥控穩(wěn)態(tài)均壓測(cè)試流程Fig.9 Testing flowchart of steady state voltage-equalizing of valve base control test system

圖10 張北柔直工程功率圓圖Fig.10 Power circle diagram of Zhangbei flexible HVDC power transmission project

在子模塊均壓測(cè)試中，當(dāng)由于電壓不平衡度或開關(guān)頻率不滿足要求修改附加投切閾值后，閥控測(cè)試需重新遍歷STATCOM/HVDC工況下全部功率點(diǎn)，通過反復(fù)迭代測(cè)試，獲得滿足要求的子模塊均壓效果。

2.3 環(huán)流抑制策略測(cè)試

橋臂電流中疊加二倍頻環(huán)流會(huì)導(dǎo)致橋臂電流波形畸變，增大換流器損耗，加劇子模塊電容電壓的波動(dòng)，從而提高了對(duì)子模塊開關(guān)器件和電容的容量要求。為此，閥控設(shè)計(jì)環(huán)流抑制策略，抑制橋臂間環(huán)流，使換流閥運(yùn)行更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。

為驗(yàn)證閥控系統(tǒng)的環(huán)流抑制效果，與子模塊均壓測(cè)試方法類似：利用RTLAB平臺(tái)修改換流閥模型，使其運(yùn)行在STATCOM/HVDC工況的不同功率點(diǎn)；利用閥監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行環(huán)流參數(shù)調(diào)節(jié)，通過反復(fù)迭代，實(shí)現(xiàn)閥控在全部運(yùn)行工況下、功率圓圖各個(gè)功率點(diǎn)，橋臂電流二倍頻諧波含量滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 保護(hù)功能測(cè)試

閥控保護(hù)功能測(cè)試主要包括閥控自檢通信故障測(cè)試、系統(tǒng)級(jí)故障測(cè)試以及子模塊級(jí)故障測(cè)試。

為全面驗(yàn)證閥控保護(hù)邏輯的正確性，要模擬遍歷各種工況下可能的所有故障進(jìn)行測(cè)試。閥控保護(hù)邏輯測(cè)試流程如圖11所示，當(dāng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)閥控邏輯不正確時(shí)，在修改程序后，要重新進(jìn)行故障遍歷，充分驗(yàn)證閥控保護(hù)功能。

圖11 閥控保護(hù)邏輯測(cè)試流程Fig.11 Testing flowchart of protection logic test for valve base control test system

3 閥控測(cè)試系統(tǒng)效果驗(yàn)證

基于本測(cè)試平臺(tái)測(cè)試的張北柔性直流輸電工程北京站閥控系統(tǒng)已通過工程現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證，文中選取了張北站—北京站端對(duì)端調(diào)試的北京站典型試驗(yàn)工況的波形。

圖12 為工程現(xiàn)場(chǎng)北京站可控充電波形。t0時(shí)刻可控充電信號(hào)由0變1，閥控啟動(dòng)可控充電功能；左側(cè)波形為可控充電過程，橋臂模塊投入個(gè)數(shù)每隔一段時(shí)間切除1個(gè)，橋臂模塊平均電壓逐步抬高；右側(cè)波形為可控充電穩(wěn)態(tài)波形，橋臂子模塊投入個(gè)數(shù)與子模塊平均電壓維持在設(shè)計(jì)值。

圖12 工程現(xiàn)場(chǎng)可控充電穩(wěn)態(tài)波形Fig.12 Steady-state waveform of controllable charging at project site

圖13 為現(xiàn)場(chǎng)在有功功率為0.5 pu工況下的運(yùn)行控制效果波形，以A相控制效果進(jìn)行說明。

圖13 中直流母線電壓平穩(wěn)，橋臂子模塊電壓穩(wěn)定于閥控設(shè)計(jì)值，橋臂電流波形平滑，二倍頻環(huán)流被控制在0.3%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

圖13 工程現(xiàn)場(chǎng)大功率解鎖運(yùn)行波形Fig.13 High-power unlocking operating waveform at project site

圖14 所示為橋臂電流不平衡保護(hù)動(dòng)作的波形。通道1所示，t0時(shí)刻人為模擬橋臂電流不平衡故障；通道2所示，t1時(shí)刻閥控檢測(cè)到故障并生成不平衡保護(hù)跳閘信號(hào)，同時(shí)閥控執(zhí)行換流閥閉鎖，通道3所示直流電壓逐漸下降無明顯過沖。在試驗(yàn)中閥控準(zhǔn)確檢測(cè)到故障，且動(dòng)作定值、保護(hù)延時(shí)等與設(shè)計(jì)一致，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

圖14 工程現(xiàn)場(chǎng)橋臂電流不平衡保護(hù)動(dòng)作波形Fig.14 Action waveform of bridge-arm current unbalance protection at project site

通過分析張北工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與運(yùn)行波形，閥控的控制保護(hù)功能均得到了充分的驗(yàn)證，表明閥控的控制保護(hù)功能經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試后能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，進(jìn)一步說明文中設(shè)計(jì)的基于RTLAB平臺(tái)的閥控全接入出廠測(cè)試平臺(tái)的準(zhǔn)確性與可靠性。

4 結(jié)語

1）本文基于RTLAB平臺(tái)搭建的柔直閥控全接入測(cè)試系統(tǒng)、提出的測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試方法滿足閥控系統(tǒng)出廠測(cè)試要求，解決了現(xiàn)有閥控測(cè)試系統(tǒng)的不足。

2）張北柔性直流輸電工程北京站的現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行進(jìn)一步證明文中設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試方法的準(zhǔn)確性與可靠性。