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摘要：本文基于南澳岛多端柔性直流输电工程，对换流器控制保护系统的主要功能进行详细分析。柔性直流输电换流器级控制保护系统，完成换流器直流电压控制，有功、无功功率控制，交流电压频率控制及相关的保护功能。该系统接收上层站级控制系统命令，并向其反馈换流器和换流阀部分状态信息;向下层阀控系统发送控制命令，并接收阀控的状态和保护信息。
关键词：柔性直流输电;换流器;控制策略
柔性直流输电技术是现今世界上最先进的输变电技术之一，也是中国重点发展的智能电网领域。由于柔性直流输电具有不存在换相失败问题;控制系统响应快速、调节精确、操作方便;有功无功可以独立控制;运行损耗小等优点，使得柔性直流输电在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配网供电等方面具有极大的技术优势。
柔性直流输电的换流器是基于模块化多电平而设计的，由六个桥臂组成，每个桥臂由数百个子模块连接构成。换流器控制保护系统是指用于实现换流器层控制保护功能的软件和硬件，要求具有强大的控制保护功能，能够迅速响应上级站层控制系统的指令，同时向下层阀控系统下发控制命令。
本文以南澳岛多端柔性直流输电换流换流器控制保护系统为研究对象，首先简要介绍南澳多端柔性直流输电工程概况，其次分析换流器控制系统的硬件结构，最后详细阐述换流器控制系统的控制策略和保护功能。
1 南澳岛多端柔性直流输电工程概况
南澳柔性直流输电工程坐落于汕头市澄海区和南澳岛，是世界第一个多端柔性直流输电项目，于2013年12月25日正式竣工投产。整个工程包括塑城换流站、金牛换流站、青澳换流站以及25.2公里的海缆、陆缆和架空线路组成的混合线路，组成一个三端直流输电系统，如图1所示。工程的系统额定电压为±160kV，输送容量150MW，远期还将在南澳岛建设塔屿换流站，将输送容量提升至200MW，实现对南澳岛风电基地的友好接入。工程的顺利投运极大的推动了大型风电场采用柔性直流输电接入技术的推广与应用。
2 柔性直流换流器控制系统的硬件结构
柔性直流换流器控制系统由电源箱、工控机、主控箱、I/O接口箱等几个部分组成，如图2所示。
工控机与交换机连接，主要功能包括：实时显示换流器、阀控屏、水冷系统运行状态，以及对换流器系统和水冷系统下发控制命令、调整控制器参数等，是换流器系统的本地本地人机操作界面;主控箱由主控板、多个扩展板、I/O板、通讯板等组成，实现换流器控制策略的运算和控制信号的输出，系统逻辑控制（顺控），以及与系统其他功能模块间的通讯等功能;I/O接口箱接收外部设备的继电器输入，同时输出开关量，实现水冷系统的启停控制等，与主控箱内I/O板连接，实现主控箱的I/O扩展和输入输出。交换机主要用于换流器控制系统和阀控屏间的数据交换，以及换流器控制系统内模块间的数据交换。电源箱输出多路交、直流电源，对各功能模块供电。
3 柔性直流换流器控制系统的控制保护功能
3.1 控制功能
换流器控制系统能够接受站控系统控制命令信号，完成下述控制和操作：定有功功率或定直流电压控制;定无功功率控制;孤岛情况下电压频率控制;电流控制。换流器故障主要包括引起换流器内部过压、过流的各种故障，以及控制系统误发脉冲等造成的障碍。
当换流器交流测连接到交流电网时，控制器结构上分为外环和内环结构，外环包括有功、无功、直流电压控制，跟踪上级发来的指令信号，完成定有功功率或定直流电压控制及定无功功率的控制功能。电流控制为内环，跟踪外环计算获得的电流指令，完成电流控制的功能。
当换流器交流测只连接风电和无源负载时，控制器执行上级发来的电压幅值和频率指令，完成孤岛情况下电压频率控制，为交流侧供电。
（1）定有功功率控制
在交直流并联运行模式下，控制系统根据有功功率参考值控制换流器与交流系统交换的有功功率。
换流器接到上级传来的定有功功率控制方式、以及功率给定值Pref后，将其与反馈值进行比较，将误差经PI调节器计算，经限幅后作为有功轴电流给定值。为防止阶跃给定对系统造成的冲击，及防止因上位机故障传递错误指令，给定信号经斜坡函数处理限幅后作为有功功率最终给定值。调节器积分环节设置积分限幅[Ip_min_i， Ip_max_i];比例积分环节总输出值设置限幅[Ip_min， Ip_max]。其中Ip_max≥ Ip_max_i，Ip_min≤Ip_min_i。功率控制环输出为电流内环有功轴给定值。具体如图5-5所示。
图 有功功率外环控制结构
（2）定直流电压控制
通过控制直流电压达到平衡各节点功率，稳定整个系统工作点的目的。换流站收到上级传来的直流电压控制方式，以及直流电压给定值Vdc_ref后，将其与反馈值进行比较，将误差经PI调节器计算，经限幅后作为有功轴电流给定值。为防止阶跃给定对系统造成的冲击，给定信号经斜坡函数处理后作为有功功率最终给定值。调节器积分环节设置积分限幅[Idc_min_i， Idc_max_i];比例积分环节总输出值设置限幅[Idc_min， Idc_max]。其中Idc_max≥ Idc_max_i，Idc_min≤ Idc_min_i。功率控制环输出为电流内环有功轴给定值。具体如图5-6所示。
图5-6 直流电压外环控制结构
（3）定无功功率控制
根据系统运行情况，在保证有功功率传输跟踪给定的前提下，换流器可提供一定容量的无功功率，换流器收到上级传来的直流电壓指令信号Qref，反馈值进行比较，将误差经PI调节器计算，经限幅后作为无功轴电流给定值。为防止阶跃给定对系统造成的冲击，给定信号经斜坡函数处理后作为有功功率最终给定值。调节器积分环节设置积分限幅[Iq_min_i， Iq_max_i];比例积分环节总输出值设置限幅[Iq_min， Iq_max]。其中Iq_max> Iq_max_i，Iq_min< Iq_min_i。功率控制环输出为电流内环无功轴给定值。为优先满足有功功率需求，无功给定值做限幅，限幅值上下限为 。其中S为额定，P为实际有功功率，具体如图5-6所示。 （4）内环控制环节接受来自外环控制的有功、无功电流的参考值Idref和Iqref。并快速跟踪参考电流，实现换流器交流侧电流幅值和相位的直接控制。内环控制主要包括内环直接电流控制、负序电压抑制环节，暂定采用100Hz的陷波器将消除2次谐波后的给定值作为电流内环控制的参考值。内环电流调节器采用PI调节器，结构与有功功率调节器相同，分别设置调节器输出限幅值[Vdmin Vdmax]、[Vqmin Vqmax]。然后采用前馈解耦控制方法计算d、q轴电压给定信号，经dq-abc坐标变换得到换流器6个桥臂的指令信号，如图5-7所示。
图5-7 电流内环控制结构
（5）孤岛电压频率控制
在纯直流运行方式下，青澳和金牛站换流器可采用孤岛电压频率控制模式，换流器接收上级电压幅值（Vref）和频率（fref）指令信号，以定V/f模式控制换流器运行。以原有电网电压幅值和相角度为初始值，对换流器进行开环控制，将指令信号转换为换流器电压相角和幅值的指令信号，经极坐标到三相静止坐标变换，得到换流器三相参考信号。定交流电压-频率控制方式结构图如图5-8所示。
3.2 保护功能
换流器级保护包括阀差动保护、阀过流速断保护、环流检测保护、电容电压和过压保护以及双极故障保护，如图5-9。其中阀差动保护为主保护;阀过流速断保护、双极故障保护为阀控相应保护的后备;电容电压和过压保护为直流线路过压的后备保护，同时用于保护换流器控制失控的情况;环流监测保护用于保护阀控失控的情况。
在换流器控制保护系统内部，阀过流速断保护是阀控差动保护的后备保护，阀过流速断也是双极短路保护的后备保护。
换流器控制保护系统的保护出口包括：警告，紧急闭锁，跳闸并锁定交流断路器，要求直流系统停运。具体说明如下：
1）警告。当换流器检测到不严重的故障，可以继续运行时，向站控和SCADA发出警告信息。以后等冗余切换完善后，部分警告可以引起换流器控制保护的冗余切换。
2）紧急闭锁。换流器会立刻封锁所有脉冲，并通知站控和SACAD。
3）跳闸并锁定交流断路器。换流器将断开交流断路器并锁定。
4）要求直流系统停运。如果换流器认为该故障下，不允许直流母线带电，将发出要求停运。
4 结论
换流器控制保护系统是柔性直流输电最核心的控制系统之一，它实现了柔性直流输电系统换流器层的控制及保护功能，接受站级控制系统命令信号，并向阀控下发控制指令，是站控系统和阀控系统的连接纽带。换流器控制保护系统还配置完善的保护功能，实现对换流器在各种故障情况下的保护。
5参考文献
【1】汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版2009：21-24;TANG Guangfu. High voltage direct current transmission technology based on voltage source converter [M]. Beijin： Chinese Electric Power Press，2009：21-24.
【2】南方电网科学研究院直流输电研究所.换流站电气主接线研究.南方电网科学研究院863课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”专题报告，2012，9.
【3】南方电网科学研究院直流輸电研究所.换流站主设备配置及选型研究.南方电网科学研究院863课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”专题报告，2012，9.
【4】南方电网科学研究院直流输电研究所.多端柔性直流输电控制和保护策略配置研究.南方电网科学研究院863课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”专题报告，2012，9.
关键词：柔性直流输电;换流器;控制策略
柔性直流输电技术是现今世界上最先进的输变电技术之一，也是中国重点发展的智能电网领域。由于柔性直流输电具有不存在换相失败问题;控制系统响应快速、调节精确、操作方便;有功无功可以独立控制;运行损耗小等优点，使得柔性直流输电在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配网供电等方面具有极大的技术优势。
柔性直流输电的换流器是基于模块化多电平而设计的，由六个桥臂组成，每个桥臂由数百个子模块连接构成。换流器控制保护系统是指用于实现换流器层控制保护功能的软件和硬件，要求具有强大的控制保护功能，能够迅速响应上级站层控制系统的指令，同时向下层阀控系统下发控制命令。
本文以南澳岛多端柔性直流输电换流换流器控制保护系统为研究对象，首先简要介绍南澳多端柔性直流输电工程概况，其次分析换流器控制系统的硬件结构，最后详细阐述换流器控制系统的控制策略和保护功能。
1 南澳岛多端柔性直流输电工程概况
南澳柔性直流输电工程坐落于汕头市澄海区和南澳岛，是世界第一个多端柔性直流输电项目，于2013年12月25日正式竣工投产。整个工程包括塑城换流站、金牛换流站、青澳换流站以及25.2公里的海缆、陆缆和架空线路组成的混合线路，组成一个三端直流输电系统，如图1所示。工程的系统额定电压为±160kV，输送容量150MW，远期还将在南澳岛建设塔屿换流站，将输送容量提升至200MW，实现对南澳岛风电基地的友好接入。工程的顺利投运极大的推动了大型风电场采用柔性直流输电接入技术的推广与应用。
2 柔性直流换流器控制系统的硬件结构
柔性直流换流器控制系统由电源箱、工控机、主控箱、I/O接口箱等几个部分组成，如图2所示。
工控机与交换机连接，主要功能包括：实时显示换流器、阀控屏、水冷系统运行状态，以及对换流器系统和水冷系统下发控制命令、调整控制器参数等，是换流器系统的本地本地人机操作界面;主控箱由主控板、多个扩展板、I/O板、通讯板等组成，实现换流器控制策略的运算和控制信号的输出，系统逻辑控制（顺控），以及与系统其他功能模块间的通讯等功能;I/O接口箱接收外部设备的继电器输入，同时输出开关量，实现水冷系统的启停控制等，与主控箱内I/O板连接，实现主控箱的I/O扩展和输入输出。交换机主要用于换流器控制系统和阀控屏间的数据交换，以及换流器控制系统内模块间的数据交换。电源箱输出多路交、直流电源，对各功能模块供电。
3 柔性直流换流器控制系统的控制保护功能
3.1 控制功能
换流器控制系统能够接受站控系统控制命令信号，完成下述控制和操作：定有功功率或定直流电压控制;定无功功率控制;孤岛情况下电压频率控制;电流控制。换流器故障主要包括引起换流器内部过压、过流的各种故障，以及控制系统误发脉冲等造成的障碍。
当换流器交流测连接到交流电网时，控制器结构上分为外环和内环结构，外环包括有功、无功、直流电压控制，跟踪上级发来的指令信号，完成定有功功率或定直流电压控制及定无功功率的控制功能。电流控制为内环，跟踪外环计算获得的电流指令，完成电流控制的功能。
当换流器交流测只连接风电和无源负载时，控制器执行上级发来的电压幅值和频率指令，完成孤岛情况下电压频率控制，为交流侧供电。
（1）定有功功率控制
在交直流并联运行模式下，控制系统根据有功功率参考值控制换流器与交流系统交换的有功功率。
换流器接到上级传来的定有功功率控制方式、以及功率给定值Pref后，将其与反馈值进行比较，将误差经PI调节器计算，经限幅后作为有功轴电流给定值。为防止阶跃给定对系统造成的冲击，及防止因上位机故障传递错误指令，给定信号经斜坡函数处理限幅后作为有功功率最终给定值。调节器积分环节设置积分限幅[Ip_min_i， Ip_max_i];比例积分环节总输出值设置限幅[Ip_min， Ip_max]。其中Ip_max≥ Ip_max_i，Ip_min≤Ip_min_i。功率控制环输出为电流内环有功轴给定值。具体如图5-5所示。
图 有功功率外环控制结构
（2）定直流电压控制
通过控制直流电压达到平衡各节点功率，稳定整个系统工作点的目的。换流站收到上级传来的直流电压控制方式，以及直流电压给定值Vdc_ref后，将其与反馈值进行比较，将误差经PI调节器计算，经限幅后作为有功轴电流给定值。为防止阶跃给定对系统造成的冲击，给定信号经斜坡函数处理后作为有功功率最终给定值。调节器积分环节设置积分限幅[Idc_min_i， Idc_max_i];比例积分环节总输出值设置限幅[Idc_min， Idc_max]。其中Idc_max≥ Idc_max_i，Idc_min≤ Idc_min_i。功率控制环输出为电流内环有功轴给定值。具体如图5-6所示。
图5-6 直流电压外环控制结构
（3）定无功功率控制
根据系统运行情况，在保证有功功率传输跟踪给定的前提下，换流器可提供一定容量的无功功率，换流器收到上级传来的直流电壓指令信号Qref，反馈值进行比较，将误差经PI调节器计算，经限幅后作为无功轴电流给定值。为防止阶跃给定对系统造成的冲击，给定信号经斜坡函数处理后作为有功功率最终给定值。调节器积分环节设置积分限幅[Iq_min_i， Iq_max_i];比例积分环节总输出值设置限幅[Iq_min， Iq_max]。其中Iq_max> Iq_max_i，Iq_min< Iq_min_i。功率控制环输出为电流内环无功轴给定值。为优先满足有功功率需求，无功给定值做限幅，限幅值上下限为 。其中S为额定，P为实际有功功率，具体如图5-6所示。 （4）内环控制环节接受来自外环控制的有功、无功电流的参考值Idref和Iqref。并快速跟踪参考电流，实现换流器交流侧电流幅值和相位的直接控制。内环控制主要包括内环直接电流控制、负序电压抑制环节，暂定采用100Hz的陷波器将消除2次谐波后的给定值作为电流内环控制的参考值。内环电流调节器采用PI调节器，结构与有功功率调节器相同，分别设置调节器输出限幅值[Vdmin Vdmax]、[Vqmin Vqmax]。然后采用前馈解耦控制方法计算d、q轴电压给定信号，经dq-abc坐标变换得到换流器6个桥臂的指令信号，如图5-7所示。
图5-7 电流内环控制结构
（5）孤岛电压频率控制
在纯直流运行方式下，青澳和金牛站换流器可采用孤岛电压频率控制模式，换流器接收上级电压幅值（Vref）和频率（fref）指令信号，以定V/f模式控制换流器运行。以原有电网电压幅值和相角度为初始值，对换流器进行开环控制，将指令信号转换为换流器电压相角和幅值的指令信号，经极坐标到三相静止坐标变换，得到换流器三相参考信号。定交流电压-频率控制方式结构图如图5-8所示。
3.2 保护功能
换流器级保护包括阀差动保护、阀过流速断保护、环流检测保护、电容电压和过压保护以及双极故障保护，如图5-9。其中阀差动保护为主保护;阀过流速断保护、双极故障保护为阀控相应保护的后备;电容电压和过压保护为直流线路过压的后备保护，同时用于保护换流器控制失控的情况;环流监测保护用于保护阀控失控的情况。
在换流器控制保护系统内部，阀过流速断保护是阀控差动保护的后备保护，阀过流速断也是双极短路保护的后备保护。
换流器控制保护系统的保护出口包括：警告，紧急闭锁，跳闸并锁定交流断路器，要求直流系统停运。具体说明如下：
1）警告。当换流器检测到不严重的故障，可以继续运行时，向站控和SCADA发出警告信息。以后等冗余切换完善后，部分警告可以引起换流器控制保护的冗余切换。
2）紧急闭锁。换流器会立刻封锁所有脉冲，并通知站控和SACAD。
3）跳闸并锁定交流断路器。换流器将断开交流断路器并锁定。
4）要求直流系统停运。如果换流器认为该故障下，不允许直流母线带电，将发出要求停运。
4 结论
换流器控制保护系统是柔性直流输电最核心的控制系统之一，它实现了柔性直流输电系统换流器层的控制及保护功能，接受站级控制系统命令信号，并向阀控下发控制指令，是站控系统和阀控系统的连接纽带。换流器控制保护系统还配置完善的保护功能，实现对换流器在各种故障情况下的保护。
5参考文献
【1】汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版2009：21-24;TANG Guangfu. High voltage direct current transmission technology based on voltage source converter [M]. Beijin： Chinese Electric Power Press，2009：21-24.
【2】南方电网科学研究院直流输电研究所.换流站电气主接线研究.南方电网科学研究院863课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”专题报告，2012，9.
【3】南方电网科学研究院直流輸电研究所.换流站主设备配置及选型研究.南方电网科学研究院863课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”专题报告，2012，9.
【4】南方电网科学研究院直流输电研究所.多端柔性直流输电控制和保护策略配置研究.南方电网科学研究院863课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”专题报告，2012，9.