李洁 吴子帆 黄烜 张安琪 周培钰 黄力

【摘 要】论述了换流阀控制保护系统的构成和功能，结合南澳多端柔性直流输电工程的特点，对换流阀控制保护系统的电容电压平衡、环流抑制和保护策略进行分析研究。本文提出的换流阀控制保护策略对实际工程应用具有重要意义。

【关键词】换流阀；控制保护系统；环流抑制；电容电压均衡；策略

1 前言

世界第一条多端柔性直流输电工程于2013年底在广东省汕头市南澳县投入运行（以下称为：“南澳多端柔性直流输电工程”），该工程采用电压源换流器（voltage source converter，VSC）和脉宽调制技术（pulse width modulation，PWM）进行直流输电，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，非常适合应用于孤岛供电、分布式电源并网、大型风电场并网等领域[1-2]。如图1所示，南澳多端柔性直流输电系统由±160kV塑城换流站、±160kV金牛换流站和±160kV青澳换流站组成，其中金牛换流站和青澳换流站在海岛上，塑城换流站在大陆侧。海岛上的风能通过金牛换流站和青澳换流站输送到塑城换流站后供给大陆用户。

换流阀控制保护系统是换流站内重要控制设备，具有触发换流器阀塔内功率模块、对电容电压的进行均衡控制与监测，以及抑制换流器内部环流等功能。同时，换流阀控制保护系统也负责实现功率模块与控制保护系统的通讯和数据交换[3]。因此，研究换流阀控制保护策略显得尤为重要。

同时，研究换流阀控制保护的系统结构，控制保护功能的实现方法，故障特性和保护配置等内容对后续的工程设计，现场调试及运行维护都具有重要意义。本文针对南澳多端柔性直流输电工程的特点，对换流阀的控制保护策略进行分析和研究。

2 换流阀控制系统的描述

2.1 换流阀控制保护系统的构成

换流阀控制保护系统主要由功率模块控制、换流阀控制与监测和换流阀控接口系统三部分构成[4-5]：其中（1）功率模块控制主要负责功率模块的电容电压、模块温度、工作状态等的监测以及接收来自换流器控制的IGBT、晶闸管的触发信号、真空断路器的动作指令等功能；（2）换流阀控制与监测系统以换流器的一个桥臂为主要控制对象，主要负责接收来自换流器控制保护系统的调制电压、操作指令等数据，同时，还负责接收来自对应桥臂的所有功率模块的电容电压、模块温度、工作状态等信息，并根据桥臂电流实施对该桥臂中所有功率模块电容电压的均衡控制；（3）阀控接口系统包括两套互为冗余的系统，分别负责与对应上层控制保护系统的数据通讯。同时，也负责对换流器桥臂环流的监测与控制，并将控制的结果（参考电压）下发给每个桥臂。另外，该接口系统也负责与测量装置、故障录波装置、SCADA设备等的通讯功能以及对换流站内部电压、电流的监测与保护功能。

2.2 换流阀控制保护系统的功能s

换流阀控制保护系统的功能[6-8]主要有：（1）接收换流器控制的调制信号并产生驱动功率模块内IGBT的触发脉冲；（2）负责阀控系统的自检，监测各功率模块内部电容电压、模块温度及其控制电路的工作状态；（3）负责桥臂内电容电压平衡控制及换流器内的环流抑制；（4）负责冗余的功率模块在故障状态下的切换；（5）在严重故障，例如正、负极双极短路情况下通过功率模块内的旁路开关和晶闸管对其进行保护。

阀控系统为完全冗余的双重化系统。双重化的阀控系统之间可以进行系统切换，系统切换遵循如下原则：在任何时候运行的有效系统总是双重化系统中较为完好的那一重系统。通过综合考虑系统运行的各种工况，定义各种控制设备状态和故障等级，对系统的切换逻辑进行优化设计，考虑有效的将故障系统切换下来，避免引起直流系统的扰动，考虑尽可能的减少直流系统停运率。

本文主要研究换流阀的控制保护系统的电容电压平衡、环流抑制、保护及系统切换策略。

3 总结

本文针对南澳多端柔性直流输电系统的特点，对换流阀控制保护系统的电容电压平衡、环流抑制、保护及系统切换策略进行了比较深入的分析研究。提出的换流阀控制保護策略应用于南澳多端柔性直流输电工程，从目前的运行情况来看，换流阀控制保护策略可行可靠。

参考文献：

[1]皇甫成，汤广福，阮将军，等.VSC-HVDC统一电磁暂态模型及其控制策略[J].高电压技术，2008，34（5）：903-908.

[2]刘钟淇，宋强，刘文华.基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统.电力系统自动化，2010，34（2）：53-58.

[3]潘伟勇.模块化多电平直流输电系统控制和保护策略研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[4]吴翠朋.柔性直流输电系统保护策略探讨[D].广州：广东工业大学，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系统电容电压的优化平衡控制[J].中国电机工程学报，2011，31（12）：9-14

（作者单位：广东电网有限责任公司汕头供电局）