基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電系統（modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC），相比常規高壓直流輸電系統具有控制模式靈活、無需交直流側濾波器、可提供無功輸出、無換相失敗、占地面積少等優勢。

但MMC-HVDC也存在缺陷，如器件耐壓水平和通流能力低，尤其在換流閥閥控和子模塊自身控制方面，MMC-HVDC控制環節多、接口復雜、閥控與子模塊之間傳輸數據量大、子模塊自身控制保護邏輯復雜，因此閥控設備的穩定性和子模塊自身控制保護邏輯的正確性對于現場柔直換流閥設備的穩定運行和后期維護工作至關重要。尤其當子模塊自身控制保護邏輯存在問題時，會造成子模塊損壞或整個直流輸電系統停運。

工程現場子模塊自身控制保護邏輯需要修改時，必須停運所涉及的整個柔直換流閥，才可對所有功率子模塊控制板卡進行程序燒寫更新操作。同時，針對個別柔直工程復雜的拓撲系統和特殊的控制策略，需要驗證在個別特殊運行工況下子模塊控制保護的響應能力，避免工程現場柔直換流閥停運而造成整個電力系統嚴重的功率損失。

隨著MMC-HVDC技術的逐漸成熟、MMC功率器件性能的進一步提升，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電技術在電力傳輸和新能源接入領域應用越來越多，閥控系統控制保護復雜度逐漸增加，需要在設計和驗證環節進行嚴格把控，尤其在控制保護聯調階段能夠將所有硬件和軟件設計全覆蓋進行檢測驗證，避免將硬件設計缺陷和控制保護邏輯設計隱患帶入工程現場，給柔性直流輸電工程的穩定運行和電網系統安全帶來隱患。

初期基于MMC的柔性直流輸電控制系統聯調試驗階段，子模塊中控板控制層被忽略，閥控控制層采用簡化接入方式，尤其是閥控脈沖分配控制層采用等效模擬的方式，試驗占用場地小，能夠便利快速地接入RTDS/RTLAB實時仿真裝置，但也造成閥控設備部分接口和控制功能及子模塊控制層的驗證缺失。

針對以上問題，有學者采用閥控系統和半實物動模系統相結合的測試方式，能夠實現閥控系統的全接入，并且能夠驗證子模塊部分控制保護邏輯，但在極端故障工況下需要驗證閥控動態控制性能和子模塊的電氣應力特性，動模系統模擬極端故障工況可能會造成設備損壞，因此動模系統無法完成極端故障工況的試驗驗證。有學者提出閥控系統全接入的試驗方案，滿足了實際工程現場閥控系統軟硬件接口的測試要求，同時能夠涵蓋子模塊和閥控接口部分功能的驗證，但對子模塊控制保護邏輯驗證不夠完善，僅能夠模擬等效簡化后的子模塊控制保護邏輯，無法接入子模塊控制原程序。

對于子模塊控制層保護的驗證，有學者提出柔直換流閥的型式試驗和單獨的子模塊試驗的設計方案和試驗方法，可滿足換流閥電力電子器件設計和性能驗證，以及子模塊部分控制保護邏輯的驗證，但無法遍歷換流閥的運行工況和驗證換流閥在各種故障工況下的控制保護特性，同時無法實現工程閥控系統的接入和驗證。

相比以往工程控保聯調試驗閥控系統測試，本試驗平臺具有的優勢如下：

1）以往工程控保聯調缺省或簡化閥控設備脈沖分配層，本試驗平臺具備工程閥控設備的全接入，能夠驗證工程閥控設備所有硬件及內外部接口通信協議，工程閥控的接入不存在簡化或缺省環節。

2）工程控保聯調試驗閥控設備測試需要集合各廠家所有設備，本試驗平臺具有標準化的功能和性能測試設備，可實現閥控設備的快速功能驗證和性能驗證。

3）工程控保聯調缺少子模塊層控制保護及接口驗證，本試驗平臺設計的子模塊模擬裝置可運行工程子模塊中控板程序，可實現子模塊級控制保護邏輯及子模塊與閥控接口協議的驗證。

考慮到基于MMC的柔性直流輸電工程閥控和子模塊控制保護邏輯的重要性，本文提出全功能便利的閥控和子模塊控制保護試驗平臺，該試驗平臺能夠完整接入工程閥控設備，并且配置有利的極控模擬功能，能夠適應半橋、全橋、全半橋混合換流閥閥控的全接入測試，完整驗證閥控系統控制保護邏輯和硬件性能，同時為每個子模塊設計了獨立的現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）芯片，能夠直接運行工程子模塊中控板的程序，可實現工程子模塊中控板程序的完全移植，具備完整驗證換流閥閥控系統層和子模塊控制層的控制保護邏輯及其各類硬件接口及通信協議的功能。

1 閥控和子模塊控制功能簡介

基于MMC拓撲的柔直換流閥控制保護包括換流器控制保護層、閥控控制保護層、子模塊控制保護層。MMC主電路和控制如圖1所示。

換流器控制保護層實現當前換流器整體控制保護，包括直流電壓控制、有功無功功率控制、交流電壓頻率控制、內環電流控制等。換流器控制保護下發閥控的數據包括輸出的調制波和配合系統運行工況的解閉鎖命令及主備狀態。

圖1 MMC主電路和控制

閥控控制保護層接收上層控制保護的調制波，疊加環流抑制輸出補償，最終調制波用于電平逼近調制、電容電壓平衡控制，計算結果通過各橋臂的脈沖分配裝置下發到對應的功率模塊，實現換流閥6個橋臂的獨立控制，同時將換流閥運行狀態和閥控工作狀態反饋給換流器控制保護層，實現閥控與極控間順控時序配合。

子模塊控制保護層接收閥控控制保護層下發的子模塊控制保護命令及對應器件的導通和關斷指令，實現子模塊的充電、自檢、解鎖、投入、切除和旁路等工作方式，同時子模塊將自身的運行狀態反饋給閥控控制保護層。

2 試驗系統整體設計

實際工程閥控系統包含雙冗余的閥控主控A、閥控主控B、閥控錄波及換流閥健康狀態在線監測和診斷裝置，換流閥每個子模塊也均配置了獨立控制保護硬件。

為了實現閥控系統和子模塊的全覆蓋功能驗證，本文設計一種閥控層和子模塊層全接入試驗系統，系統設計示意圖如圖2所示，配置了多種控制模式可在線切換的控制保護模擬設備，及其輔助模擬裝置，其中所接入閥控設備與工程現場完全一致。閥控控制層中脈沖分配設備可根據需求采用單橋臂接入或多橋臂接入方式，子模塊采用原程序接入方案，提供每個子模塊獨立原程序運行芯片，可實現閥控和子模塊控制保護層及閥控輔助設備功能的驗證，滿足閥控和子模塊一些特殊試驗功能的需求。

圖2 控制試驗系統設計示意圖

3 閥控控制層接入設計

與閥控系統連接的裝置有極控功能模擬裝置、測量系統模擬裝置、鏈路延時測試裝置和子模塊模擬裝置，每個外部設備接口均采用與工程現場一致的協議和接口設計。

1）極控功能模擬裝置

極控設備A/B經FT3板與閥控設備A/B一一對應連接，極控功能模擬裝置如圖3所示，其中，每個FT3板有7對收發光口，每對光口數據收發采用標準FT3格式，與閥控之間的接口協議與實際工程一致，同時可針對不同工程接口需求開發多種接口協議兼容的模式。

圖3 極控功能模擬裝置

2）測量系統模擬裝置

測量系統模擬裝置經FT3板發送閥控控制保護所需橋臂電流信號，模擬實際工程中閥控測量系統功能。測量系統模擬裝置如圖4所示，其中閥控與測量接口協議和數據發送周期為10μs，與工程現場測量系統接口協議及采樣率一致。

圖4 測量系統模擬裝置

3）閥控與延時測試裝置

閥控系統性能測試主要包括閥控保護鏈路延時測試、閥控控制鏈路延時測試、換流閥狀態反饋鏈路延時測試，每項性能測試均需要相關的特殊功能和特殊發送反饋數據的配合，因此設計鏈路延時測試裝置如圖5所示，裝置中設計了分光器模擬和延時自動計算顯示功能，及通過人機交互界面可實現測試模式的在線切換模式，選擇需要測試的延時選項，可實現閥控鏈路延時測試的快速化、自動化、標準化。

圖5 鏈路延時測試裝置

4）閥控與子模塊模擬裝置接口

閥控與子模塊模擬裝置接口示意圖如圖6所示，其中閥控脈沖分配裝置中脈沖板連接子模塊控制保護模擬裝置，接入子模塊數量及接口協議與實際工程一致，換流閥橋臂對應的脈沖分配屏和子模塊控制保護接口屏一一對應連接，閥控脈沖分配裝置下發子模塊充電、解閉鎖、投入、切除等控制保護命令，子模塊控制保護模擬裝置反饋子模塊電容電壓、運行狀態及子模塊故障時的故障狀態。

圖6 閥控與子模塊模擬裝置接口示意圖

4 子模塊控制保護層接入設計

4.1 子模塊模擬裝置硬件設計

基于MMC換流閥單個子模塊的主要組成包含兩部分。

1）第一部分為功率器件及一次設備，包括：絕緣柵雙極性晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、二極管、直流支撐電容器、旁路開關、旁路晶閘管（如有）、均壓電阻。

2）第二部分為二次板卡及故障檢測，包括：高位取能電源板、IGBT驅動器、晶閘管觸發板、旁路開關控制板、直流電壓采樣板、中控板、電容壓力超限傳感器等。

功率器件一次設備可使用仿真系統（RTDS）進行模擬，二次板卡及故障檢測由子模塊模擬裝置實現，該模擬裝置主要采用大規模可編程器件FPGA芯片，具有時序精確、修改模型方便、兼容性強等優點，可以模擬半橋拓撲、全橋拓撲、全半橋混合拓撲子模塊結構。

子模塊功能模擬裝置如圖7所示，子模塊模擬裝置與閥控脈沖分配屏之間光口一一對應連接，每個橋臂子模塊功能模擬裝置模擬的子模塊數量與工程橋臂子模塊級數一致，可通過擴展子模塊功能模擬裝置機箱或屏柜來擴充子模塊功能模擬裝置模擬的子模塊級數。

圖7中子模塊功能模擬機箱中的模擬板，對外接口方式和工程子模塊與閥控接口方式一致。模擬板主要由5顆FPGA芯片組成，其中板上FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4四顆FPGA用來運行現場4個功率模塊實際工程的中控板程序，FPGA5用于模擬功率單元上各開關器件動作特性及二次輔助設備功能模擬。

圖7 子模塊功能模擬裝置

FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4四顆FPGA均配有EEROM、RS232接口，一個2位撥碼開關及40MHz晶振和上電復位電路。另外，這四顆FPGA及外圍電路均為獨立電源供電，通過FPGA5控制其是否得電，模擬取能電源的工作特性。

FPGA5配有EEROM、復位按鈕、40MHz晶振、2MHz晶振及一個4位撥碼開關。FPGA5分別與FPGA1，FPGA2，FPGA3，FPGA4連接，配有28個IO接口，可用于模擬子模塊外圍設備。

模擬板可實現工程子模塊上下行光纖通信驗證、子模塊控制保護邏輯驗證、模擬采樣板電容電壓的采集、各部分運行狀態及故障代碼上送和接收閥控下發的通信數據的解析并執行。模擬板功能拓撲如圖8所示。

圖8 模擬板功能拓撲

4.2 子模塊模擬裝置功能設計

模擬板含子模塊二次模擬部分與子模塊控制部分，子模塊二次模擬部分與子模塊控制部分分別在不同的FPGA芯片上執行，子模塊二次功能模擬芯片和子模塊控制芯片之間的通信接口及信號定義如下。

1）子模塊功率器件驅動功能模擬

功率器件驅動模擬與子模塊控制模擬之間接口共有四組信號，考慮子模塊為全橋拓撲結構，每組包含子模塊控制模擬發送給驅動模擬的IGBT驅動信號，以及驅動模擬反饋給控制模擬的IGBT動作信號。子模塊上下功率器件驅動信號互補，死區和最小脈寬與實際參數設置可根據不同工程修改。

驅動故障可以通過仿真終端進行設定，指定器件驅動反饋脈沖寬度和延時，子模塊功能模擬板根據反饋脈沖的延時和寬度來檢測當前子模塊是否出現驅動故障。

2）旁路開關功能和接口模擬

旁路開關接口主要包含子模塊控制部分發給旁路開關驅動信號和旁路開關反饋狀態。當子模塊發生故障觸發旁路邏輯時，子模塊功能模擬裝置發送實時仿真（RTDS）裝置旁路開關閉合命令，在設定時間內反饋狀態為閉合則旁路成功，否則旁路失敗，旁路命令發送延時和旁路開關狀態反饋延時可通過人機交互設定。

3）高位取能電源模塊接口功能

模擬實際子模塊高位取能電源上電時序，子模塊電容過電壓大于設定電壓參數時子模塊控制FPGA芯片才能正常運行，閥控與子模塊建立通信。取能電源上電電壓、故障延時和故障位均可通過人機交互界面進行設置。

4）電容壓力超限監測模塊接口

模擬電容電壓超限監測模塊，通過人機交互終端設置故障位，模擬電容壓力傳感器輸出。

5）子模塊電容電壓測量回路模擬

模擬子模塊電容電壓測量AD芯片采樣時序，與實際功率子模塊電容電壓邏輯保持一致。子模塊電容電壓由實時仿真裝置按照Aurora協議發送給RTDS接口箱，RTDS接口箱轉發給對應的子模塊模擬裝置，模擬板對應板卡FPGA5芯片模擬直流電壓采樣、AD采樣時鐘信號、AD采樣輸出。

6）晶閘管功能接口模擬

模擬晶閘管驅動功能，模擬板接收到晶閘管觸發信號經一定延時后發送對應晶閘管觸發命令，可在人機交互終端設置晶閘管觸發延時，驗證工程旁路開關和晶閘管動作的時序配合。

5 試驗功能

閥控及子模塊控制全接入實時仿真系統可實現閥控系統內外部接口通信協議驗證、閥控系統控制保護功能驗證、閥控系統性能延時驗證。閥控功能性能試驗見表1。

表1 閥控功能性能試驗

閥控及子模塊控制全接入試驗平臺可實現子模塊控制保護功能的驗證、子模塊二次輔助設備功能的模擬，以及子模塊故障模擬，其中子模塊故障試驗見表2。

表2 子模塊故障試驗

6 試驗驗證

為了驗證閥控及子模塊全接入試驗平臺功能和性能，采用RTDS系統和實際工程閥控設備接入的驗證模式，系統參數和換流閥參數采用如東海上柔性直流輸電工程參數，RTDS裝置接收子模塊模擬裝置脈沖觸發命令，實時仿真計算換流閥設備及交直流系統等一次設備的工作特性。

仿真系統結構如圖9所示，系統容量為1 100MW，直流電壓為±400kV，網側電壓和閥側電壓分別為525kV、416.4kV，換流閥子模塊級數為432級，橋臂電抗器電感值為133mH，極控模擬機箱選擇控制模式為直流電壓和無功功率控制，子模塊電容電壓額定值為2kV。

圖9 仿真系統結構

系統解鎖后直流電壓參考值設定為800kV，無功參考值設定為300Mvar。系統錄波數據為標準COMTRADE格式，試驗波形如圖10所示，以A相波形為例分析說明試驗平臺對閥控系統功能及子模塊控制保護功能的驗證。

1）閥側電壓和正、負極電壓分別如圖10（a）和圖10（b）所示，試驗平臺極控模擬裝置實現了上層極控控制器功能，為閥控系統提供與工程現場一致的接口、控制保護命令和調制波，實現閉環控制功能驗證。

圖10閥控功能驗證和子模塊故障試驗波形

2）閥控電平逼近調制如圖10（c）所示，上、下橋臂投入模塊個數逼近極控下發調制波，電平逼近輸出波形光滑無跳變，驗證了閥控電平逼近調制計算的正確性。

3）圖10（d）為A相上、下橋臂電流，橋臂電流上下對稱無畸變，可見環流抑制效果良好，通過對橋臂電流的諧波含量分析可進一步驗證閥控環流抑制控制性能。

4）圖10（e）為A相上橋臂子模塊電容電壓最大、最小值，可見閥控電容電壓平衡控制功能正確。

5）圖10（f）～圖10（h）為子模塊故障時刻波形，A相上橋臂原有故障模塊為8個，在2.488s左右拔掉測試子模塊與閥控連接的上行光纖，故障子模塊個數加1，如圖10（f）所示；在故障時刻測試模塊電壓由于上行通信中斷電壓無數據更新保持恒定，如圖10（g）所示；故障時刻子模塊故障碼為32768，轉換為二進制對應故障位為上行通信故障，如圖10（h）所示。

7 結論

本文所述試驗平臺依據工程現場閥控外接設備功能需求設計了極控功能模擬裝置、鏈路延時測試裝置、測量模擬裝置、子模塊模擬裝置及實時仿真設備接口裝置，使閥控系統硬件設計、控制功能、保護邏輯、接口通信協議及設計性能均能夠在實時仿真平臺得到充分驗證。

所設計子模塊模擬裝置能夠獨立運行工程現場子模塊中控板程序，并且具備模擬子模塊輔助設備的控制、驅動和工作特性，使該試驗平臺具備充分驗證工程子模塊控制保護軟件設計，以及閥控系統硬件軟件設計、接口協議、控制功能和設計性能，極大降低了將閥控和子模塊控制保護設計缺陷帶入工程現場的概率。

通過接入如東工程實際閥控設備和子模塊中控板程序，驗證了如東海上柔性直流輸電陸上換流站閥控系統和子模塊控制保護的功能和性能，體現了所設計試驗平臺驗證功能的完整性和優越性。

本文編自2022年第2期《電氣技術》，論文標題為“柔性直流輸電閥控及子模塊控制全接入試驗系統設計”，作者為王琦、楊張斌 等。