模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制保护体系框架

蔡新红 ，赵成勇

（1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003）

0 引言

20世纪90年代以来，随着以全控型器件为基础的电压源换流器VSC（Voltage Source Converter）在高压直流（HVDC）输电系统中的逐步应用［1-2］，目前已投入的VSC-HVDC输电工程已超过14项，多为两电平和三电平的VSC，其存在的主要问题为IGBT串联所带来的静态均压、动态均压、电磁干扰以及由于过高的开关频率带来的开关损耗［3］。而模块化多电平换流器 MMC（Modular Multilevel Converter）［4-5］通过子模块串联构成，易于扩展，谐波畸变小，开关损耗低，容易实现冗余控制［6-7］，因此MMC一经问世，便以其独特的技术优势受到各国学者的广泛关注。目前已投入的MMC-HVDC工程仅有2项，文献［8-10］对工程的各方面给予了介绍，在控制保护系统方面，文献［11-16］重点放在了MMC的控制策略、调制策略、电容电压平衡控制、桥臂环流抑制及故障保护策略研究上，而对整体的MMC-HVDC系统控制保护体系框架的研究文献甚少，文献［17］对VSC-HVDC控制保护系统的功能进行了详细的论述，文献［18］也仅指出了MMC-HVDC控制系统包括系统级控制、变流器控制和阀控制，因此对MMC-HVDC控制保护体系框架的进一步研究是非常有必要的。

本文首先介绍了MMC的拓扑结构及两端MMCHVDC输电系统的基本组成，详细阐述了MMC-HVDC控制保护系统的设计原则、基本要求及主要功能，阐明了控制保护系统采用多重化配置及分层设计的必要性，进一步明确了MMC-HVDC控制保护系统的体系框架，搭建了MMC-HVDC控制保护系统的总体结构。最后提出了MMC-HVDC控制保护系统的设计和实现方案，为后续直流输电系统通用控制保护平台的开发奠定了基础。

1 MMC-HVDC系统结构

MMC拓扑结构如图1所示，右边子图为子模块（SM）的电路结构。

图1 MMC基本结构Fig.1 Basic structure of MMC

典型的两端MMC-HVDC系统如图2所示，主要包括以下设备。

a.联接变压器：将系统侧交流电压转换为与MMC直流侧电压相匹配的电压，以确保开关调制度不至于过小，使换流器运行在系统要求的运行区间内，减少输出电压和电流的谐波量，同时它也是换相电抗的一部分。

图2 两端MMC-HVDC结构示意图Fig.2 Two-terminal MMC-HVDC system

b.换流器：采用模块化多电平换流器拓扑结构，如图1所示，每个桥臂由n个相同的子模块和桥臂电抗器串联而成，子模块由2个IGBT和2个反并联二极管组成半桥，与直流电容器并联构成。作为MMC-HVDC系统的核心设备，用于实现能量的交/直和直/交变换。

c.直流线路：可以采用电缆或架空线路，实现有功功率的长距离传输。

2 MMC-HVDC控制保护系统的设计原则及基本要求

2.1 设计原则

2.1.1 冗余

为了达到工程所要求的可用率和可靠性指标，不管是控制系统还是保护系统，全部采用多重化设计［19-20］，即冗余。通常是采用双通道设计，其中一个通道工作时，另一个通道处于热备用状态，并且每个通道都有自检系统。当工作中的通道发生故障时，切换逻辑将其退出工作，处于热备用状态的通道则自动切换到工作状态。

2.1.2 分层设计

一方面，从提高运行可靠性、运行操作和维护的方便性及灵活性、降低控制环节故障所造成的影响及危害的角度出发，复杂的控制系统宜采用分层结构［21］；另一方面，从加快控制速度、缩短控制周期的角度考虑，应该尽量减少决策环节，满足“扁平化”的需要，故层次不宜过多。

各层设计遵循如下原则［22］：控制指令流从高控制层向低控制层单向流动，而运行流相反，即从低控制层向高控制层单向流动；同等级层的各控制功能尽可能不相互干扰，任一环节的故障尽可能不影响其他环节。

2.1.3 控制系统与保护系统相对独立

控制和保护在硬件配置和软件配置上都要着重考虑，保护要独立于其他设备，并在物理上和电气上独立于控制系统，控制系统和保护系统统一实现时，应采用不同的主机。

2.1.4 控制与保护功能应相互配合

控制系统和保护系统的性能直接影响着整个系统运行的可靠性、安全性及经济性，因此这两者的协调配合也就至关重要，需具备良好的配合逻辑关系。

如系统发生故障时，控制系统应立即利用其快速性来抑制事故发展，使直流系统尽可能不退出运行而发挥其技术优势，给交流系统提供有力的支援。但当系统发生严重故障，控制系统达到控制范围极限，系统不能恢复稳定时，保护应迅速动作闭锁换流器触发脉冲，根据故障严重程度和不同区域，发出跳开交流断路器指令，隔离故障设备，停运系统。

因此MMC-HVDC控制系统和保护系统的协调配合能有效地抑制故障的扩散，缩小故障区域，减少对非故障区域的危害，以便在故障消除后能迅速恢复系统的稳定运行。

2.2 对控制保护系统的基本要求

a.可靠性。可靠性是对控制与保护系统性能的最根本要求。控制保护装置均采用冗余配置，防止在控制保护系统失效的情况下故障不能可靠清除，避免发生误动或拒动。每套冗余配置的控制、保护完全一样，有自己独立的硬件设备。

b.灵敏性。控制保护系统的灵敏性是指对控制指令及故障和不正常运行状态的反应能力。在系统任意运行条件下，当控制指令发生改变或出现故障及不正常运行状态时都能敏锐感觉、正确反应。

c.选择性。控制保护系统要能够根据不同的故障情况及严重程度，启动不同的自动顺序控制保护程序，确保设备主保护和后备保护时序上的正确配合。由于两端换流站控制保护系统相对独立，应避免一端换流器故障引起另一端换流器的保护动作。

d.速动性。为提高系统运行的稳定性，充分利用控制系统，动作迅速而又能满足选择性要求，以尽可能快的速度停运、隔离故障系统或设备，保证系统和设备的安全。

3 MMC-HVDC控制保护系统的主要功能

MMC-HVDC的控制保护系统对于直流输电系统的安全、经济运行起着至关重要的作用，因此应具有以下基本的控制保护功能。

a.直流输电系统的启停控制。MMC-HVDC系统的启动或停运是按照一定的时序配合完成对子模块电容器的充电或放电、开关设备的投运或跳闸闭锁、换流器的解锁或闭锁的控制。

b.功率控制。包括MMC-HVDC系统输送的有功功率的大小和方向的控制和对MMC向交流系统提供的无功功率的控制。功率方向的改变是通过改变电流的流动方向来实现的。

c.变压器分接头控制。通过调节变压器分接头来调节变压器二次侧基准电压，使换流器的调制度保持在最佳范围，进而获得最大的有功和无功输送能力。

d.干扰或故障状态下维持系统稳定运行。由于MMC-HVDC系统两端的控制系统是相对独立的，不需要站间通信，当一端交流系统故障或运行异常时，为了维持系统的稳定运行必须采取相应的控制保护策略，避免该类故障的发生对设备造成的危害。

e.事故后快速恢复供电和黑启动［23］。当系统一端发生电压崩溃或停电时，MMC-HVDC系统可以为故障后电网的黑启动提供支撑。这时的直流系统相当于无转动惯量的备用发电机，随时准备向瘫痪的电网内重要负荷供电。实现这一功能的前提是直流系统的另一端连接在运行正常的电网上。

f.直流输电保护控制。当系统发生故障或出现异常运行状况时，能迅速启动控制保护策略，保护一、二次设备安全，减少因过压或过流对设备造成的危害，提高系统运行的安全性和经济性。

g.信息监控。对换流站、直流线路等各个一次设备的各种运行参数、运行状态以及控制系统本身的信息进行监视控制。

4 MMC-HVDC控制保护系统的总体结构

MMC-HVDC控制保护系统按照功能可分为：远方控制接口 RCI（Remote Control Interface）系统、运行人员监控系统、交直流站控系统和直流控制保护系统 4 个部分［24-25］，如图 3 所示。

图3 MMC-HVDC控制保护系统功能结构示意图Fig.3 Functional structure of MMC-HVDC control and protection system

4.1 RCI系统

RCI系统用于与网调、省调、直流集控中心等交换直流换流站的监控数据并执行远方调度命令，由远动工作站、远动通信设备等组成。

4.2 运行人员监控系统

运行人员监控系统是换流站正常运行时运行人员的主人机界面和监控数据存储系统。主要包括：站时钟系统、站LAN网、运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站、SCADA服务器、网络打印机、规约转换工作站或规约转换器、培训系统、MIS接口工作站等。

4.3 交直流站控系统

交直流站控系统分为交流站控和直流站控2个部分，负责执行交/直流设备的投切、启停、运行方式转换、状态监视、测量等功能。主要设备包括站控系统的主机、分布式现场总线和分布式I/O等。

交直流站控系统的主要功能可以归纳如下：整个换流站范围内的数据采集及信息处理、上传至运行人员控制系统；全站范围内的开关、刀闸和地刀的操作控制；联锁功能；同期功能；站控系统内部及辅助系统的事件生成和上传至运行人员控制系统；在线谐波监视；对辅助系统的监控（包括站用电系统的控制、监视，以及对其他辅助系统的监视功能）；对一次测量装置的接口功能。

4.4 直流控制保护系统

直流控制保护系统（图4）是整个直流输电工程的核心，其控制特性能直接决定直流系统的各种响应特性。直流控制保护系统包括直流控制系统和直流保护系统2个部分。

图4 直流控制保护系统结构示意图Fig.4 Structure of DC control and protection system

a.直流控制系统按控制级别由高到低可分为系统控制级、极控制级、阀控制级与功率子模块控制保护单元 SMC（SubModular Control unit）。

b.直流保护系统的控制、保护功能分别由不同的主机完成，保护区内的所有保护功能集成在1台主机内。通常直流保护系统采取2套冗余配置或三选二冗余配置。直流保护系统主要由决策单元、开关量输入输出接口和数据采集系统3个部分构成。

5 MMC-HVDC控制保护系统的设计与实现

MMC-HVDC控制保护系统的设计基于一种分层、分布的开放式系统，为了提高系统的安全性和保护的可靠性，两端换流站的控制保护系统采用完全双重化设计［26］，可确保直流系统不会因为任一控制系统的单重故障而发生停运，也不会因为单重故障而失去对换流站的监视。

MMC-HVDC系统控制保护系统照按面向物理或逻辑对象的原则进行功能配置，可将MMC-HVDC控制保护系统分为3个层次［27］：数据采集与监控层、控制保护层、输入输出层，其总体结构如图5所示。其中控制保护层是MMC-HVDC系统正常运行的核心部分，按上下层结构划分，主要由直流系统控制层、极控制保护 PCP（Polar Control Protection）层、阀组控制（VBC）层及功率子模块控制保护单元4个层次组成。

图5 MMC-HVDC控制保护系统的总体结构Fig.5 Overall structure of MMC-HVDC control and protection system

5.1 直流系统控制层

直流系统控制层是MMC-HVDC控制系统中级别最高的控制层次。直流系统控制层接收调度中心的控制指令，通过控制总线下发给极控制层，并向调度中心反馈有关运行信息。直流系统控制层的控制功能是通过向其下层发出控制指令来实现的，响应速度较慢。系统控制除接受调度控制外，还可以由运行人员手动控制。

系统控制层的主要功能包括以下8项。

a.注入功率控制。与电力调度中心通信联系，接收调度中心的输电功率（包括有功功率和无功功率）控制指令，向极控制层发出功率控制指令，分配各直流线路的功率和方向，并向通信中心传送有关的运行信息。

b.运行模式控制。根据调度中心的指令，向极控制层发出运行模式的控制和各定值指令。运行模式包括定直流电压、定有功功率、定无功功率、定交流电压和定交流频率。

c.系统稳定控制。系统稳定控制是指利用MMC-HVDC系统所连接交流系统的某些运行参数的变化，发出各种调制控制指令，对直流功率、直流电压、换流器吸收的无功功率和无源网络频率进行自动调制，用以改善交流系统运行性能，并尽可能减小对交流系统的负面影响。

d.快速功率变化控制。快速功率变化包括功率的提升和功率的回降，主要用于对直流所连两端交流系统进行紧急功率支援。

e.系统的启、停控制。控制MMC-HVDC系统的启动或停运，使之按照一定时序进行直流电容的充放电、换流器的解锁或闭锁及交/直流侧开关设备的操作。

f.潮流反转控制。在这种控制模式下，MMCHVDC系统输送有功、无功功率的大小和方向都可以进行控制。功率反转是通过改变电流的流动方向来实现的，直流线路上电压的极性不变。

g.协调交流系统控制。其实现调度中心指令，满足有功功率、无功功率、交直流电压、电流、频率等方面要求。

h.接收极控制层反馈的有关运行信息。判断是否达到调度中心指令要求，实时调整向极控制层发送的指令。

5.2 极控制保护层

极控制保护层主要包括极控制系统和极保护系统两部分，是联系上层系统控制层和下层阀控层的中间环节，也是MMC-HVDC控制保护层的核心控制层，它直接接收上层的控制指令并向阀控层发送控制指令，同时接收阀控层的状态信息反馈。

5.2.1 极控制系统

极控制系统主要实现信号测量和系统控制层发出的交流电压、直流电压、有功功率、无功功率等参考指令的接入，并通过外环控制设计对有功量及无功量进行有效的控制，输出的有功电流和无功电流参考指令通过内环电流解耦控制器得到跟踪，得到换流器期望的正弦参考基波电压，下发给阀组控制层，以获得期望的电压、潮流等运行指标，并把本级有关运行信息反馈给直流系统控制层。极控制系统包括以下具体控制功能。

a.直流电压、功率等控制。根据直流系统控制层提供的直流电压、有功功率、无功功率和交流电压或频率参考值，通过一定的控制策略得到调制信号，然后将其输入到阀控层的触发脉冲环节以实现换流器的控制。典型的两端极控制结构设计示意图如图6所示。

b.直流电压限幅控制。当交流系统发生故障引起直流电压上升或下降且超过限值时，为避免因故障电流致使直流电压失去控制或电压过高损坏器件及降低绝缘性能，引发新的故障，故在直流电压的控制中进行限幅控制。

c.直流电压、电流变化速率的控制。直流电压、电流变化速率过大将会损坏器件，故将电压、电流的变化速率限制在器件所能承受的范围之内。

d.换流单元闭锁和解锁及紧急闭锁顺序控制。在干扰和故障状态下，为维持系统的稳定，保护设备，通过一定步骤对换流器实施解锁或闭锁控制。

e.直流线路故障重启。当直流线路瞬时故障时，极控系统可以通过暂时闭锁控制换流站脉冲限制暂态过电流，经过一定时间后，直流系统试图重启，以恢复直流系统的运行。

f.负序电流控制。当MMC系统侧交流系统电压不平衡或发生不对称故障时，换流器交流侧会产生较大的负序电流，为避免系统故障保护动作，威胁换流装置的安全，必须采取抑制负序控制的策略，使有功、无功及直流电压中2次谐波分量限制在系统能正常运行的范围内，以便故障解除后系统能迅速恢复到正常状态。

g.运行信息的采集和处理。处理整个极控制层内信息的采集及信号，送至上一控制层；接收下一层运行信息，判断是否达到换流器控制层指令要求，实时调整向下一层发送的控制指令。

5.2.2 极保护系统［28］

根据前文的设计原则，保护系统采用完全双重化冗余配置，防止在保护系统失效的情况下故障不能切除。保护系统的配置是根据不同的故障类型进行的，根据MMC-HVDC系统的结构，整个系统的保护主要分为交流系统的保护、换流站的保护和直流输电线路的保护。极保护系统的功能主要包括直流场保护、直流线路保护等。

图6 两端MMC-HVDC极控制结构设计示意图Fig.6 Design of two-terminal MMC-HVDC polar control structure

5.3 阀组控制层

阀组控制层在功能上是联系上层控制系统与底层开关器件控制的中间枢纽。阀组控制层接收极控制层输出的控制信号，并通过适当的调制方式产生相应的阀触发脉冲以控制阀组的导通、关断，从而实现对换流器阀的触发控制。同时接收各子模块开关器件驱动电路的回报信号及状态信息并上报至极控制保护系统的监控单元。阀组控制层是实现各种指令的具体执行操作层，与系统控制层、极控制层相比，其响应速度是最快的。阀组控制层的功能结构示意图如图7所示。

阀组控制层主要包括以下功能。

a.开关调制。各换流器阀的触发脉冲是通过接收极控制层传来的控制指令，通过适当的调制而产生的。产生调制触发脉冲的方法有多种［10］，较常用的除正弦脉宽调制外，还有空间矢量脉宽调制、特定谐波消除及载波移相正弦脉宽调制等。

b.阀组导通、关断控制。阀组控制系统将调制产生的换流器阀的触发脉冲发射、分配和转换并送到每个子模块的控制极，以控制阀组的导通、关断，从而实现对换流器阀的触发控制。

c.阀组保护控制。保护换流器阀不受正向电压和电压变化率陡值的冲击。如果出现阀击穿或短路，能够闭锁触发脉冲，自我保护，并触发相应的控制保护机制。

图7 阀组控制层功能结构示意图Fig.7 Functional structure of valves control layer

d.阀组的导通、关断状态监测。通过光纤与阀控单元相连，监测阀组子模块的通、断状态；判断阀组是否正常运行，并且将状态信息反馈给极保护系统。

e.子模块电容电压平衡控制。对于MMC拓扑结构本身而言，子模块电容在桥臂电流发生变化时，存在电容的充放电现象，会导致各个子模块电容电压不均衡，造成功率器件的电压应力不一致，因而必须对各桥臂子模块的电容电压进行均衡控制。

f.内部环流抑制控制。MMC内部环流是由各相上、下桥臂电压之和彼此不一致引起的，它只在MMC三相桥臂间流动，对外部交流系统不产生任何影响，但会造成换流器桥臂电流波形畸变。因此需抑制内部环流，使桥臂电流更逼近正弦波，以减小相单元总能量的波动幅度，有利于MMC的稳定运行。

5.4 功率子模块控制保护单元

功率子模块控制保护单元是直接对MMC中的每个子模块进行触发控制的设备，其主要功能有：

a.负责接收阀控制层通过光纤输出的子模块控制脉冲，并对各子模块下达触发脉冲指令；

b.上报各子模块电容电压及状态信息，并将这些信息传送到阀组控制的检测板，每块检测板对子模块电容电压进行预处理，将电容电压值与电容编码，连同出现故障的子模块信息上报至中央处理板。

6 结论

本文较为全面地构建了MMC-HVDC系统控制保护体系框架，明确了控制保护系统设计原则和基本要求，指出了采用冗余配置及分层控制结构的必要性，明确了控制保护系统各层次之间的关系及实现的控制功能，详细阐述了控制保护系统各层控制系统的设计和实现，为新型混合双馈入直流输电系统通用控制保护平台的开发和建设奠定了基础。随着我国大力发展智能电网技术的需求趋势，MMCHVDC系统控制保护体系框架的建立有利于缩短设计周期及工程实用化，因而是非常有实际意义的。