提高柔性直流输电换流阀阀控系统性能的方法研究

李家羊 岑 韬 张 磊 岳 伟 王 健

（1. 中国南方电网超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义 510670；2. 荣信汇科电气技术有限责任公司，辽宁 鞍山 114051）

提高柔性直流输电换流阀阀控系统性能的方法研究

李家羊1岑 韬1张 磊2岳 伟2王 健2

（1. 中国南方电网超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义 510670；2. 荣信汇科电气技术有限责任公司，辽宁 鞍山 114051）

欧美地区柔性直流输电技术已经逐步成熟，我国已经有几条示范工程投入运行，处于快速发展阶段。随着国内柔性直流输电工程电压等级和容量的快速提升，对换流阀阀控系统的性能也提出了更高要求。本文从减小控制器控制周期、采用高速总线VPX、配置专家诊断系统等方面，提出了提升柔直换流阀阀控系统性能的方法。

柔性直流输电；阀控系统；控制周期；VPX；专家诊断系统

基于模块化多电平换流器（modular multi-level converter, MMC）的柔性直流输电换流阀 VSCHVDC（voltage source converter based high voltage direct current），通过将并联在极两端的电容器分解到每个高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）子模块和子模块的级联来解决电压问题。通过子模块之间的串联来提高每个桥臂的电压耐受水平，具有较好的扩展性，这种MMC拓扑结构已成为目前柔性直流输电技术的主流。随着国内柔性直流输电系统电压等级和容量的快速提升，换流阀桥臂模块数量也随之大幅增加，如何高速、精确的控制换流阀上数以千计的阀单元以及提高换流阀阀控系统性能，有效监控并保证换流阀安全稳定运行，已成为柔性直流输电技术发展需要解决的重要问题。

1 柔性直流换流阀阀控系统简介

阀控系统是柔性直流输电系统的“神经中枢”，换流阀功能完全依靠复杂而灵活的控制保护系统来实现。阀控系统如图1所示，其实现的主要功能包括：以太网/光纤通信、换流阀相关的事件顺序记录及故障录波、桥臂电流测量、换流阀环流抑制及电流平衡功能、直流侧起动充电控制、电容电压平衡控制及脉冲分配、电容电压保护过流保护、阀差动保护、阀过流速断保护、桥臂电压和过压保护、双极短路故障保护、阀交流侧过流保护等功能。

图1 换流阀控制保护系统框图

控制器是阀控系统的核心设备，目前国内外已投运的柔直工程中采用的控制器主要有：以西门子公司和许继公司为代表的TDC控制器，这种控制器采用的是 VME64总线；以荣信公司为代表的自定义总线；还有一些公司使用的是CPCI总线。

阀控控制器的控制周期长短对直流侧的输出效果和低电压穿越、桥臂快速过流保护有着很重要的作用。而阀控控制周期的长短主要是由高速的背板总线和功能强大的CPU决定的。

此外，就国内已经投运的柔性直流输电工程来看，受换流阀单元多、控制复杂、关键器件性能等因素影响，柔性直流输电系统的可靠性与传统直流输电系统相比仍有一定差距。为了尽可能的避免因系统故障引发的跳闸事件，开发和使用专家诊断系统对柔直换流阀进行在线的诊断就变得尤为重要。

2 提高阀控控制周期的方法

2.1 减小控制器控制周期的好处

通过减小控制器控制周期，可以从以下3个方面提高柔性直流换流阀阀控系统性能。

1）降低总谐波畸变率

不考虑电容电压波动引起的交流侧谐波，对于采用电平逼近NLM（nearest level modulation）调制方式的VSC-HVDC系统，通过减小控制器的控制周期，可增加每 1/4周波内电平阶跃次数，每次电平阶跃幅值降低，从而可以降低交流侧总谐波畸变率。

以 2016年投运的云南鲁西背靠背直流异步联网工程±350kV/1000MW换流阀为例。其直流电压700kV，单元额定电压 2.26kV，每个桥臂单元个数为 310（不考虑冗余），阀控系统控制器周期为100μs，在 Matlab/Siumlink中进行仿真验证，仿真步长为1e-6s，得到NLM调制输出电压的FFT（fast fourier transformation）波形如图2所示。

图2 控制周期为100μs时输出电压的FFT波形

图3 为阀控系统控制器周期为50μs时，调制输出电压的FFT波形。由上述波形可知，通过减小阀控系统控制器的周期，采用 NLM 调制的输出电压波形畸变率降低了45%，提升了换流阀及阀控系统的性能。

图3 控制周期为50μs时输出电压的FFT波形

2）降低电容电压峰值

在国内已投运柔直工程中，阀控控制器通常采用的电容电压平衡控制及排序算法主要有两种，一种是采用电容电压最大限值投切法，在单元电容电压达到最大限值时，控制该单元投切；另一种是利用单元电容电压最大最小差值也即排序起动电压阀值，在单元电压超出阀值后，投切相应单元，把桥臂单元电压整体控制在一定范围内。这两种方法都是在单元电容电压超过某一阀值时进行投切，而在实际工程系统控制中，单元进行排序及平衡控制时，本周期进行排序控制的单元电压值为上一控制周期采样得到，因此在单元电容电压因超过阀值经过控制进行投切时，实际触发作用到单元上总是延迟了一个控制周期，而在这一个控制周期内单元电容电压增加的最大值为

以云南鲁西背靠背直流异步联网工程云南侧换流阀为例，其电容为8mF，桥臂电流峰值为1565A，通过计算可知该单元电容电压在一个控制周期内（100μs）的波动最大值为20V。因此，通过减小系统控制周期，能够降低因采样控制延时引起的单元电容电压增加量，更好地控制单元的电容电压。

3）减少阀级控制保护系统整体延时

阀级控制保护系统整体延时的减少，有利于直流双极短路等严重故障的快速保护和交流侧故障的穿越。

当柔性直流输电直流侧发生双极短路故障时，电流上升率为 Udc/2L，达到数 A/μs，而 IGBT瞬时关断能力一般不超过两倍额定电流，必须在 200μs内关断IGBT。考虑到测量单元的延时，因此需要阀控至少在50μs以内完成快速过流的故障检测，并闭锁换流阀。通过减少阀控控制周期能实现更短的快速过流保护检测和出口，降低阀控系统延时可以增加器件电流的利用率，减小过流保护的整定值，从而提高阀控系统整体性能。

柔性直流换流阀交流侧发生接地故障时，由于控制保护系统存在延时，从调制命令的生成到执行一般需要约 600μs的时间，阀控大约延时 200～300μs，也就是说从故障发生到控制保护对此故障的响应被阀执行需要大约600μs的时间，导致换流器电流处于约600μs的失控时间。当系统发生交流近端短路故障时，故障电流有较大di/dt，可导致在延时时间内过流保护。因此可以通过减小阀控的控制周期，进而减小阀控与控制保护通信、命令执行的时间，减小不可控故障电流，实现低电压穿越，保障换流阀安全。

图4为典型交流系统故障时的响应仿真图形，故障类型为三相短路故障，换流站主断路器出口侧，故障持续时间 0.5s，故障发生在 1.0s时刻，大约600μs后控制保护对交流故障的抑制才起到作用，期间电流直线增加或减小，处于电流失控状态，最严重桥臂电流上升了700A，已经临近保护定值。如果阀控制周期减小，换流器故障穿越能力就将增强。

图4 交流侧故障电流图

2.2 采用高速总线VPX提高控制器性能

目前国内外已投运柔直工程的阀控系统控制器主要采用 VME64、CPCI、自定义总线的背板通信方式。随着换流阀电压等级和容量的不断提升，功率单元数量大幅增加，对控制器的性能也提出更高的要求。

VPX总线采用高速串行总线技术，替代了并行总线技术，例如：RapidIO、PCI-Express和万兆以太网等，支持更高的背板带宽。VPX核心交换可以提供32对差分对，每对差分对理论上可以提供10Gbps的数据交换能力，一个VPX模块理论上最高可以提供8GByte/s的数据交换能力。VPX总线采用交换式结构，使得系统整体性能不再受主控板的限制。子板处理器可以在任意时间发送数据，而不需要等待总线空闲后才发起传输[1]，在可靠性方面能够满足特高压大容量柔性直流换流阀控制器的要求，并可提升控制器的整体性能。

图5 VPX总线的单板电脑

VPX采用了由 Tyco公司开发出了模块化的VPX RT2连接器，该连接器内含可控阻抗，低插入损耗，连接紧密坚固。

实验证明，VPX总线控制器不仅能有效地减小控制周期中主控板和子板卡之间的数据收发时间，而且在主控板对数据进行收发时出现了紧急保护情况下，子板之间还可以将保护信息直接发给保护执行板卡，且在这个过程中不需要打断控制周期的数据收发。

2.3 采用高性能CPU提高控制器性能

在主CPU方面，应选择具有丰富串行总线接口的多核高主频CPU。本文仅对NXP的T2080芯片进行简单介绍。其主要参数如下[2]：

1）4个主频1.8GHz的双线程E6500 power架构内核。

2）支持64bit的2133MHz的 DDR3。

3）8个高达10GHz的SerDes通道和8个8GHz的 SerDes。

4）4个PCI-E控制器。

5）两个RapidIO 2.0控制器，支持数据传输率为5GHz。

6）两个SATA 2.0控制器。

图6 T2080结构图

多个高速PCI-E和RapidIO增强了该芯片和其他板卡的通信能力。多核多线程、高速的DDR接口以及高速核间互联增强了该芯片的计算能力和事件处理能力。

新的采用T2080的主控板在保证其CPU使用率不大于60%的前提下，浮点运算能力为上一代主控板的4倍；顺控处理能力是上一代主控板的1.5倍；对子板通信的速度提高为2倍。

2.4 采用专家诊断系统提升阀控系统的可靠性

专家诊断系统能够监测整个换流阀数据（功率器件温度[3-5]、电容器容值[6]等），在后台进行数据分析和数据挖掘，及时对柔直系统的健康情况进行判断，并汇报给设备运行维护人员。

1）IGBT器件温度的测算

采用热敏感电参数提取法，拟合驱动电压降差比与结温变化的曲线[7]。通过单元主控板在线测量相关数据，并利用板上FPGA做数据处理后得到相关温度信息，并将结果上传专家系统，系统可以根据预先设定好的 IGBT结温上线对运维人员发出警报；并在数据的进一步处理时将温度值方差过高的器件警示给现场运维人员，运维人员可以在最近的停电检修时对长期处于高温运行的单元进行更换。

2）电容容值的计算

由式（1）可知得到电容容值的简单计算方法，Δt 和ΔU都可以通过单元主控板测量得到i可以采用 IGBT开通时刻的桥臂电流，电容值由专家系统进行实时计算得出电容值，专家系统可以将每个电容的平均值和每个电容的月变化情况和年变化情况存储到数据库中，并将检测到的容值过低的单元信息发送给运维人员。

3）专家诊断系统的组成

专家诊断系统拓扑如图7所示，数据采集板卡所在机箱实时接收来自阀单元和阀控制系统的数据并传送给本地PC进行缓存，再由本地PC传送给监控室中的服务器。由于数据传输和大数据分析对计算机资源消耗较大，所以采用两台服务器，每 12h一轮换的方式接收数据。在一台服务器A接收完数据后，服务器B接收数据；与此同时，服务器A对数据进行分析并给出一份分析报告，然后等待下一次数据接收任务。

图7 专家诊断系统结构图

柔性直流输电的专家诊断系统概念是 2016年由中国南方电网超高压输电公司天生桥局和荣信公司第一次提出，并已经为云南鲁西背靠背直流异步联网工程现场配置了一套，即将进入运行测试阶段，实现对柔性直流阀组进行健康诊断，提升阀控系统的可靠性。该专家诊断系统未来将与站内 SCADA系统联网，将站内各个系统的运行参数及直流阀组的各种特征量进行联合分析，为阀控系统控制策略优化以及阀组设计、优化提供数据支撑。

3 新阀控系统整体的性能

采用 VPX作为控制器的背板总线，用 T2080作为控制器主控板CPU、具有RapidIO、PCI-Express和万兆以太网接口的FPGA作为子板通信控制芯片的阀控系统经过测试，控制周期由原来的100μs减小到了50μs；从接收到阀控制保护装置的控制指令到单元执行之间的延时由原来的 160μs缩减到了80μs；而快速过流保护从判断出系统需要保护到单元进行保护动作输出的延时，由原来的65μs缩减到了35μs，减小了过流的情况下电流上升的数值，从而使得换流阀更加安全。

与此同时，专家诊断系统的加入能对换流阀系统的单元故障作出准确的警告和长期的变化趋势预测。

4 展望

随着微电子技术的迅猛发展，更快速、更可靠的总线技术和性能以及更加优秀的 CPU能为进一步减小控制周期及控制命令和保护延时。并且专家诊断系统随着当今流行的人工智能技术的发展变得更加智能，并不仅仅是对阀体的健康状况进行检测和预警，还能对整个输电系统的安全运行状况做出更加智能的判断，从而对输电系统的运行安全起到积极作用。

5 结论

采用以下方法，可以提高柔性直流输电换流阀阀控系统性能：

1）减小柔性直流输电换流阀控制器控制周期能够降低总谐波畸变率，降低电容电压峰值，减少阀级控制保护系统整体延时，提高柔性直流换流阀阀控系统性能。

2）采用高速总线VPX和运用具有多核、高主频以及多高速串行标准总线接口的CPU，能显著缩短柔直阀控控制系统的控制周期，有利于直流双极短路等严重故障的快速保护和交流侧故障的穿越。

3）专家诊断系统能够监测整个换流阀数据，对柔直系统的健康情况进行判断，提升阀控系统的可靠性。

[1] GE Intelligent Platforms. GE P4080 sbc612_ds_gfaxxxx[Z].

[2] NXP Semiconductors Co., Ltd. QorIQ T2080 Data Sheet[Z].

[3] Bayer R, Herrmann T, Licht T, et al. Model for power cycling lifetime of IGBT modules-various factors influencing lifetime[C]//Proceedings of the 5th International Conference on Integrated Power Systems,2008： 1-6.

[4] 唐勇, 汪波, 陈明, 等. 高温下的 IGBT可靠性与在线评估[J]. 电工技术学报, 2014, 29(6)： 17-23.

[5] 汪波, 罗毅飞, 张烁, 等. IGBT极限功耗与热失效机理分析[J]. 电工技术学报, 2016, 31(12)： 135-141.

[6] 屠卿瑞, 徐政. 基于结温反馈方法的模块化多电平换流器型高压直流输电阀损耗评估[J]. 高电压技术,2012, 38(6)： 1506-1512.

[7] Dupont L, Avenas Y. Evaluation of thermo-sensitive electrical parameters based on the forward voltage for on-line chip temperature measurements of IGBT devices[C]//Proceedings of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. PA, USA, 2014： 4028-4035.

Research on Improving Valve Control System Performance of Converter Valve for VSC-HVDC

Li Jiayang1Cen Tao1Zhang Lei2Yue Wei2Wang Jian2
(1. China Southern Power Grid Co., Ltd, Tianshengqiao Bureau of EHV Transmission Company,Xingyi, Guizhou 510670;2. Rongxin Huico Electric Technology Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051)

In Europe and the United States VSC-HVDC transmission technology has gradually matured. With several projects put into operation, this technology in China is in a rapid development stage. With the domestic flexible HVDC transmission project voltage level and capacity of the rapid increase in the performance of the converter valve control system also put forward higher requirements.In this paper, we propose a method to improve the performance of flexible HVDC controller system by reducing the controller control cycle, adopting high speed bus VPX and configuring expert diagnosis system.

VSC-HVDC; valve control system; control cycle; VPX; expert diagnostic system

李家羊（1981-），男，湖北武汉人，硕士研究生，工程师，主要从事高压直流输电检修维护工作。