李潔 吳子帆 黃烜 張安琪 周培鈺 黃力

【摘 要】論述了換流閥控制保護系統(tǒng)的構(gòu)成和功能，結(jié)合南澳多端柔性直流輸電工程的特點，對換流閥控制保護系統(tǒng)的電容電壓平衡、環(huán)流抑制和保護策略進行分析研究。本文提出的換流閥控制保護策略對實際工程應(yīng)用具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】換流閥；控制保護系統(tǒng)；環(huán)流抑制；電容電壓均衡；策略

1 前言

世界第一條多端柔性直流輸電工程于2013年底在廣東省汕頭市南澳縣投入運行（以下稱為：“南澳多端柔性直流輸電工程”），該工程采用電壓源換流器（voltage source converter，VSC）和脈寬調(diào)制技術(shù)（pulse width modulation，PWM）進行直流輸電，并可以獨立快速控制所傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率，極大地增強了輸電的靈活性，非常適合應(yīng)用于孤島供電、分布式電源并網(wǎng)、大型風電場并網(wǎng)等領(lǐng)域[1-2]。如圖1所示，南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)由±160kV塑城換流站、±160kV金牛換流站和±160kV青澳換流站組成，其中金牛換流站和青澳換流站在海島上，塑城換流站在大陸側(cè)。海島上的風能通過金牛換流站和青澳換流站輸送到塑城換流站后供給大陸用戶。

換流閥控制保護系統(tǒng)是換流站內(nèi)重要控制設(shè)備，具有觸發(fā)換流器閥塔內(nèi)功率模塊、對電容電壓的進行均衡控制與監(jiān)測，以及抑制換流器內(nèi)部環(huán)流等功能。同時，換流閥控制保護系統(tǒng)也負責實現(xiàn)功率模塊與控制保護系統(tǒng)的通訊和數(shù)據(jù)交換[3]。因此，研究換流閥控制保護策略顯得尤為重要。

同時，研究換流閥控制保護的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制保護功能的實現(xiàn)方法，故障特性和保護配置等內(nèi)容對后續(xù)的工程設(shè)計，現(xiàn)場調(diào)試及運行維護都具有重要意義。本文針對南澳多端柔性直流輸電工程的特點，對換流閥的控制保護策略進行分析和研究。

2 換流閥控制系統(tǒng)的描述

2.1 換流閥控制保護系統(tǒng)的構(gòu)成

換流閥控制保護系統(tǒng)主要由功率模塊控制、換流閥控制與監(jiān)測和換流閥控接口系統(tǒng)三部分構(gòu)成[4-5]：其中（1）功率模塊控制主要負責功率模塊的電容電壓、模塊溫度、工作狀態(tài)等的監(jiān)測以及接收來自換流器控制的IGBT、晶閘管的觸發(fā)信號、真空斷路器的動作指令等功能；（2）換流閥控制與監(jiān)測系統(tǒng)以換流器的一個橋臂為主要控制對象，主要負責接收來自換流器控制保護系統(tǒng)的調(diào)制電壓、操作指令等數(shù)據(jù)，同時，還負責接收來自對應(yīng)橋臂的所有功率模塊的電容電壓、模塊溫度、工作狀態(tài)等信息，并根據(jù)橋臂電流實施對該橋臂中所有功率模塊電容電壓的均衡控制；（3）閥控接口系統(tǒng)包括兩套互為冗余的系統(tǒng)，分別負責與對應(yīng)上層控制保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。同時，也負責對換流器橋臂環(huán)流的監(jiān)測與控制，并將控制的結(jié)果（參考電壓）下發(fā)給每個橋臂。另外，該接口系統(tǒng)也負責與測量裝置、故障錄波裝置、SCADA設(shè)備等的通訊功能以及對換流站內(nèi)部電壓、電流的監(jiān)測與保護功能。

2.2 換流閥控制保護系統(tǒng)的功能s

換流閥控制保護系統(tǒng)的功能[6-8]主要有：（1）接收換流器控制的調(diào)制信號并產(chǎn)生驅(qū)動功率模塊內(nèi)IGBT的觸發(fā)脈沖；（2）負責閥控系統(tǒng)的自檢，監(jiān)測各功率模塊內(nèi)部電容電壓、模塊溫度及其控制電路的工作狀態(tài)；（3）負責橋臂內(nèi)電容電壓平衡控制及換流器內(nèi)的環(huán)流抑制；（4）負責冗余的功率模塊在故障狀態(tài)下的切換；（5）在嚴重故障，例如正、負極雙極短路情況下通過功率模塊內(nèi)的旁路開關(guān)和晶閘管對其進行保護。

閥控系統(tǒng)為完全冗余的雙重化系統(tǒng)。雙重化的閥控系統(tǒng)之間可以進行系統(tǒng)切換，系統(tǒng)切換遵循如下原則：在任何時候運行的有效系統(tǒng)總是雙重化系統(tǒng)中較為完好的那一重系統(tǒng)。通過綜合考慮系統(tǒng)運行的各種工況，定義各種控制設(shè)備狀態(tài)和故障等級，對系統(tǒng)的切換邏輯進行優(yōu)化設(shè)計，考慮有效的將故障系統(tǒng)切換下來，避免引起直流系統(tǒng)的擾動，考慮盡可能的減少直流系統(tǒng)停運率。

本文主要研究換流閥的控制保護系統(tǒng)的電容電壓平衡、環(huán)流抑制、保護及系統(tǒng)切換策略。

3 總結(jié)

本文針對南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)的特點，對換流閥控制保護系統(tǒng)的電容電壓平衡、環(huán)流抑制、保護及系統(tǒng)切換策略進行了比較深入的分析研究。提出的換流閥控制保護策略應(yīng)用于南澳多端柔性直流輸電工程，從目前的運行情況來看，換流閥控制保護策略可行可靠。

參考文獻：

[1]皇甫成，湯廣福，阮將軍，等.VSC-HVDC統(tǒng)一電磁暫態(tài)模型及其控制策略[J].高電壓技術(shù)，2008，34（5）：903-908.

[2]劉鐘淇，宋強，劉文華.基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動化，2010，34（2）：53-58.

[3]潘偉勇.模塊化多電平直流輸電系統(tǒng)控制和保護策略研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[4]吳翠朋.柔性直流輸電系統(tǒng)保護策略探討[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2010.

[5]Gemmell B，Dorn J，Retzmann D，et al.Prospects of Multilevel VSC Technologies for Power Transmission [C].Chicago，USA，IEEE T&D Conference and Exposition，2008-4.

[6]管敏洲，徐政.MMC型VSC-HVDC系統(tǒng)電容電壓的優(yōu)化平衡控制[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（12）：9-14

（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責任公司汕頭供電局）