针对模块化多级柔性直流输电系统联调试验阶段阀门控制和子模块设计与验证环节的简化和缺失，重庆大学等单位研究员王琦，杨章斌，彭代晓，刘晓勇，2022年在《电气技术》2008年第二期写了一篇文章，设计了一个可以实现阀门控制设备和子模块控制全接入的测试平台。平台包括与工程采样率一致的合并单元（MU）仿真装置、与工程接口一致的多种控制方式的极性控制装置、全功能链路时延测试装置、工程子模块接口的完整实现原程序验证子模块功能模拟装置。通过对接如东工程的阀门控制设备和子模块程序，实现了对阀门控制系统设备和子模块的原始程序逻辑的验证，也验证了所设计的测试平台功能的完整性和良好性。
橙色夕阳下的电力塔阴影。金属结构剪影。
基于模块化多电平变流器（基高，MMC-HVDC）的高压直流输电系统，与常规高压直流输电系统相比，控制方式灵活，无需交直流侧滤波器，可提供无功输出，无换向失败、占地面积小等优点。
但是MMC-HVDC也存在设备耐压等级低、通流能力低等缺陷，特别是在换流阀的阀门控制和子模块本身的控制方面，MMC-HVDC的控制有很多。链接、复杂接口、阀门控制和子模块。它们之间传输的数据量大，子模块自身的控制和保护逻辑复杂。因此，阀门控制设备的稳定性和子模块自身控制保护逻辑的正确性对于现场柔性直流换流阀门设备的稳定运行和后续维护非常重要。尤其是当子模块本身的控制和保护逻辑出现问题时，会导致子模块损坏或整个直流输电系统停机。
当需要对项目现场子模块的控制和保护逻辑进行修改时，必须关闭所涉及的整个柔性直流换流阀，然后才能对所有功率子模块的控制板进行编程和更新。同时，针对个别柔性直流工程的复杂拓扑系统和特殊控制策略，需要验证子模块控制保护在个别特殊工况下的响应能力，避免柔性直流故障。工程现场换流阀，对整个电力系统造成严重破坏。功率损耗。
随着MMC-HVDC技术的逐渐成熟和MMC功率器件性能的进一步提升，基于模块化多电平变流器的HVDC输电技术在输电和新能源接入领域的应用越来越广泛阀门控制系统的控制和保护复杂性逐渐增加，在设计和验证过程中需要严格控制。尤其是在控制保护联调阶段，可以全面覆盖所有软硬件设计进行测试验证，避免硬件设计缺陷和控制保护逻辑。设计隐患带入项目现场，给柔性高压直流工程的稳定运行和电网系统安全带来隐患。
基于MMC的柔性高压直流输电控制系统联调试验初期，忽略子模块中控板控制层，阀控控制层采用简化接入方式，特别是阀门控制脉冲分布控制层采用等效仿真，这种方式测试占用面积小，可以方便快捷地接入RTDS/RTLAB实时仿真设备，但也造成部分接口缺乏验证阀门控制设备及子模块控制层的控制功能。
针对上述问题，有学者采用了阀门控制系统和半物理动态模型系统相结合的测试方法，可以实现阀门控制系统的完全接入，验证子系统的部分控制和保护逻辑。模块。需要在这些条件下验证阀门控制的动态控制性能和子模块的电应力特性。动态模式系统模拟极端故障条件，可能造成设备损坏，因此动态模式系统无法完成极端故障条件的测试验证。有学者提出了阀门控制系统全接入的测试方案，满足了实际工程领域对阀门控制系统软硬件接口的测试要求，同时也可以覆盖子系统部分功能的验证。 -模块和阀门控制接口。并不完善，只能模拟等效简化的子模块控制保护逻辑，无法访问原有的子模块控制程序。
为了验证子模块控制层的保护，有学者提出了柔性直流换流阀型式试验和单独子模块试验的设计方案和试验方法。能满足换流阀电力电子装置的设计和性能验证，子模块部分控制保护逻辑的验证，但不能遍历换流阀的运行工况，验证换流阀的控制和保护特性换流阀在各种故障情况下，无法实现工程阀门控制系统的接入和验证。
与以往工程控制与维护联调试验的阀门控制系统试验相比，本试验平台的优势如下：
1）以往工程控制与保护联调默认或简化了阀门控制设备的脉冲分布层。该测试平台对工程阀门控制设备具有完全访问权限，可以对工程阀门控制设备的所有硬件和内外接口进行验证。通信协议和工程阀门控制的访问没有简化或默认链接。
2）工程控制与维修联合调试测试阀门控制设备测试需要集合各个厂家的所有设备。该测试平台拥有标准化的功能和性能测试设备，可实现阀门控制设备的快速功能验证和性能验证。
3）工程控制与保护联调缺乏子模块级控制保护和接口验证。本测试平台设计的子模块仿真装置可以运行工程子模块中控板程序楼宇自控扩展模块，实现子模块级控制保护逻辑和子模块与阀门控制接口协议的验证。
考虑到基于MMC的柔性高压直流输电工程中阀门控制和子模块控制保护逻辑的重要性，提出了一个功能齐全、便捷的阀门控制和子模块控制保护测试平台，可全面连接到工程阀门控制设备。并配备良好的极性控制仿真功能，可适应半桥、全桥、全半桥混合换流阀控制的全接入测试，全面验证控制保护逻辑和硬件性能阀门控制系统，并针对各个子模块进行设计。拥有独立的现场可编程门阵列（FPGA）芯片，可直接运行工程子模块中控板程序，实现工程子模块中控板程序的完整移植，全面验证阀门控制的换流阀。系统层和子模块控制层的控制和保护逻辑以及各种硬件接口和通信协议的功能。
1 阀门控制及子模块控制功能介绍
基于MMC拓扑的柔性直流换流器阀控保护包括换流器控制保护层、阀控控制保护层和子模块控制保护层。 MMC主电路及控制如图1所示。
变流器控制保护层实现对电流变流器的整体控制和保护，包括直流电压控制、有功无功控制、交流电压频率控制、内环电流控制等。 逆变器下发的阀控数据控制保护包括输出调制波、开锁命令和根据系统运行情况而定的主备状态。
图1 MMC主电路及控制
阀控保护层接收上层控制保护的调制波，叠加环流抑制输出补偿，最终调制波用于电平逼近调制和电容电压平衡控制。计算结果发送到各桥臂的脉冲分配装置。相应的功率模块实现换流阀6个桥臂的独立控制，同时将换流阀的运行状态和阀控工作状态反馈给换流控制保护层，实现之间的时序控制。阀门控制和极点控制。
子模块控制保护层接收阀控保护层下发的子模块控制保护命令和相应的设备开关机命令，实现充电、自检、开锁、合闸、关断等。子模块旁路等工作方式，同时子模块将自身运行状态反馈给阀控控制保护层。
2 实验系统总体设计
实际工程阀控系统包括双冗余阀控主控A、阀控主控B、阀控记录仪和换流阀健康状态在线监测诊断装置。换流阀的各个子模块还配备了独立控制的保护硬件。
为了实现阀门控制系统和子模块的全覆盖功能验证，本文设计了阀门控制层和子模块层的全接入测试系统。系统设计示意图如图2所示，配备多种控制模式，可在线切换控制保护模拟设备，其辅助模拟设备，与之相连的阀门控制设备与工程现场。阀控控制层的脉冲分配设备可根据需要采用单桥臂或多桥臂连接。子模块采用原程序接入方案，每个子模块配备独立的原程序运行芯片，可实现阀门控制和子模块。对控制保护层和阀门控制辅助设备的功能进行验证，以满足阀门控制和子模块的一些特殊测试功能的需要。
图2控制测试系统设计示意图
3 阀门控制层访问设计
与阀门控制系统连接的设备包括极性控制功能模拟设备、测量系统模拟设备、链路延迟测试设备和子模块模拟设备。各外接设备接口采用与工程现场一致的协议和接口设计。
1）极限控制功能模拟装置
杆控设备A/B通过FT3板与阀控设备A/B一对一连接。杆控功能仿真装置如图3所示，其中每块FT3板有7对接收和光口数据收发采用标准的FT3格式，阀控之间的接口协议与实际项目。同时，针对不同的工程接口需求，可开发多种接口协议兼容模式。
图3杆控功能仿真装置
2）测量系统模拟装置
测量系统模拟装置通过FT3板卡发送阀控保护所需的桥臂电流信号，模拟实际工程中的阀控测量系统功能。测量系统的仿真装置如图4所示，其中阀门控制与测量接口协议和数据传输周期为10 μs，与工程现场测量系统的接口协议和采样率一致。
图4测量系统模拟装置
3）阀门控制及延时测试装置
阀控系统性能测试主要包括阀控保护环节延时测试、阀控控制环节延时测试、换流阀状态反馈环节延时测试。每次性能测试都需要相关的特殊功能，并且由于发送反馈数据的特殊配合，链路时延测试装置设计如图5所示。该装置设计有分光器模拟和时延自动计算显示功能，可在线通过人机交互界面可以实现测试模式的切换。 ，选择要测试的延迟选项，可以实现阀控环节延迟测试的快速化、自动化和标准化。
图 5 链路延迟测试装置
4）阀门控制及子模块模拟装置接口
阀控与子模块仿真装置接口图如图6所示。阀控脉冲分配装置中的脉冲板与子模块相连，对仿真装置进行控制和保护。连接的子模块数量和接口协议与实际项目一致。阀桥臂对应的脉冲分配屏与子模块控制保护接口屏一一相连。阀控脉冲分配装置下达子模块充电、解锁、合闸、切断等控制保护指令，子模块控制保护仿真装置反馈子模块。子模块失效时的电容电压、运行状态、故障状态。
图6 阀门控制与子模块仿真装置接口示意图
4 子模块控制保护层访问设计
4.1 子模块仿真设备硬件设计
基于MMC换流阀的单个子模块的主要组成由两部分组成。
1）第一部分是功率器件和一次设备，包括：绝缘栅双极晶体管（gate，IGBT）、二极管、直流支撑电容、旁路开关、旁路晶闸管（如果有的话）、所有压电电阻。
2）第二部分是副板及故障检测，包括：高电平供电板、IGBT驱动、晶闸管触发板、旁路开关控制板、直流电压采样板、中控板、电容压力超限传感器等
功率器件一次设备可以通过仿真系统（RTDS）进行仿真，副板和故障检测通过子模块仿真装置实现。仿真装置主要采用大规模可编程器件FPGA芯片，具有时序准确、模型修改方便、兼容性强等优点，可仿真半桥拓扑、全桥拓扑、全桥拓扑等子模块结构。 - 半桥混合拓扑。
子模块功能模拟装置如图7所示，子模块模拟装置与阀控脉冲分配屏之间的光口一一对应连接。每个桥臂的子模块功能模拟装置模拟的子模块数量与工程桥梁有关。 arm子模块系列相同，子模块功能模拟装置模拟的子模块系列可以通过扩展子模块功能模拟装置机箱或面板柜来扩展。
图7中子模块功能模拟机箱内的模拟板，对外接口方式和工程子模块与阀门控制接口方式一致。仿真板主要由5个FPGA芯片组成，其中FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4个FPGA用于运行四个FPGA实际项目的中控板程序现场功率模块，FPGA5用于模拟功率单元上各开关器件的动作特性及二次辅助设备的功能。
图7子模块功能模拟装置
FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4 4个FPGA配备EEROM、RS232接口、2位DIP开关、40MHz晶振和上电复位电路。另外，这四块FPGA及外围电路均由独立电源供电，是否通电由FPGA5控制，模拟电源的工作特性。
FPGA5配备EEROM、复位按钮、40MHz晶振、2MHz晶振和4位DIP开关。 FPGA5分别与FPGA1、FPGA2、FPGA3、FPGA4相连，配备28个IO接口，可用于模拟子模块外围设备。
模拟板可以实现工程子模块上下游光纤通信的校验，子模块控制保护逻辑的校验，模拟采样板电容电压的采集、各部分的运行状态及故障代码发送和接收阀控发送的通讯数据。解析并执行。模拟板的功能拓扑如图8所示。
图8 仿真板功能拓扑
4.2子模块模拟装置功能设计
仿真板包括子模块的二次仿真部分和子模块的控制部分。子模块的二次仿真部分和子模块的控制部分分别在不同的FPGA芯片上执行。它们之间的通信接口和信号定义如下。
1）子模块功率器件驱动功能仿真
功率器件驱动仿真和子模块控制仿真的接口有四组信号。考虑到子模块为全桥拓扑结构，每组包括子模块控制仿真发送给驱动仿真的IGBT驱动信号，驱动仿真反馈给控制仿真的IGBT动作信号。子模块上下功率器件驱动信号互补，可根据不同项目修改死区、最小脉宽和实际参数设置。
可以通过仿真终端设置驱动故障，可以指定设备驱动反馈脉冲的宽度和延时。子模块功能仿真板根据反馈脉冲的延迟和宽度检测当前子模块是否存在驱动故障。
2）旁路开关功能及接口仿真
旁路开关接口主要包括子模块控制部分发送给旁路开关的驱动信号和旁路开关的反馈状态。当子模块触发旁路逻辑失败时，子模块功能仿真设备发送实时仿真（RTDS）设备旁路开关闭合命令，在设定时间内反馈状态闭合，旁路成功，否则旁路失败，可通过人机交互设置旁路命令发送延时和旁路开关状态反馈延时。
3）高级电源模块接口函数
模拟实际子模块高层供能的上电时序。只有当子模块电容过压大于设定电压参数时，子模块才能控制FPGA芯片正常工作，阀控与子模块建立通讯。可通过人机界面设置取能电源的上电电压、故障延时和故障位置。
4）电容压力超限监控模块接口
模拟电容电压超限监测模块，通过人机交互终端设置故障位，模拟电容压力传感器输出。
5）子模块电容电压测量回路仿真
模拟子模块电容电压测量的AD芯片采样时序与实际功率子模块电容电压逻辑一致。子模块电容电压由实时仿真设备按照协议发送到RTDS接口盒，RTDS接口盒转发给对应的子模块仿真设备。模拟板对应板卡FPGA5芯片，模拟直流电压采样、AD采样时钟信号、AD采样输出。
6）晶闸管功能接口仿真
模拟晶闸管驱动功能。模拟板接收到晶闸管触发信号，经过一定延时后发出相应的晶闸管触发指令。可在人机交互终端设置晶闸管触发延时，验证工程旁路开关与晶闸管动作的时序配合。
5 个实验功能
阀门控制和子模块控制完全接入实时仿真系统，可实现阀门控制系统内外接口通讯协议的验证，控制和保护的验证阀门控制系统的功能，以及阀门控制系统性能的延迟验证。阀门控制功能性能测试见表1。
表1阀门控制功能性能测试
阀门控制及子模块控制全接入测试平台，可实现子模块控制保护功能验证，子模块二次辅机功能仿真，子模块故障仿真。子模块的故障测试如表2所示。
表2子模块故障测试
6 测试验证
为了验证阀门控制及子模块全接入测试平台的功能和性能，采用RTDS系统与实际工程阀门控制设备连接的验证方式，系统参数和换流阀参数采用在如东海上柔性高压直流输电工程参数中，RTDS装置接收子模块仿真装置的脉冲触发指令，实时仿真计算换流阀设备、交直流系统等一次设备的工作特性。
仿真系统结构如图9所示。系统容量为1 100MW，直流电压为±400kV，网侧电压和阀侧电压分别为525kV和416.4kV ，换流阀子模块系列数为432级，桥臂电抗器电感值为133mH，极控模拟机箱控制方式为直流电压无功控制，额定值为子模块电容电压为2kV。
图9 仿真系统结构
系统解锁后，直流电压参考值设置为800kV，无功功率参考值设置为。系统记录数据为标准格式，测试波形如图10所示。以A相波形为例，验证测试平台的阀门控制系统功能和子模块控制保护功能解释。
1）阀侧电压和正负电压分别如图10(a)和图10(b)所示。试验平台的极控模拟装置实现了上极控控制器的功能，即阀门控制系统。提供与工程现场相同的接口、控制保护指令和调制波，实现闭环控制功能验证。
图10阀门控制功能验证及子模块故障测试波形
2）阀控电平逼近调制如图10(c)所示，上下臂的输入模块个数接近极控调制波，输出波形为水平近似是平滑的并且没有跳跃。验证了阀门控制电平近似调制计算的正确性。
3）图10(d)为A相上下桥臂电流，桥臂电流上下对称，无畸变。可以看出，环流抑制效果不错。通过分析桥臂电流的谐波含量可以进一步验证。阀控循环会抑制控制性能。
4）图10(e)为A相上桥臂子模块的最大和最小电容电压，说明阀控电容电压平衡控制功能正确。
5） 图10(f)到10(h)是子模块故障时的波形。 A相上臂有8个故障模块，在2.488s左右拔出测试对于子模块和阀控之间连接的上行光纤，故障子的个数-加1，如图10(f)所示；故障时刻，由于上行通信中断，测试模块电压保持恒定，没有数据更新，如图10(g)所示，故障时子模块故障代码为32768，即转换为二进制，对应上行通信故障的故障位，如图10(h)所示。
7 结论
本文描述的测试平台根据功能设计了极点控制功能模拟装置、链路延迟测试装置、测量模拟装置、子模块模拟装置和实时模拟装置接口装置。工程现场对阀门控制的外部设备的要求。系统的硬件设计、控制功能、保护逻辑、接口通信协议和设计性能都可以在实时仿真平台上得到充分验证。
所设计的子模块仿真装置可以在工程现场独立运行子模块中控板程序，具有模拟子模块辅助设备的控制、驱动和工作特性，使测试平台能够充分验证工程子模块控制保护软件设计，以及阀门控制系统软硬件设计、接口协议、控制功能和设计性能，大大降低了带来阀门控制和子模块控制保护设计缺陷的概率进入工程现场。
通过对接如东项目实际阀门控制设备和子模块中控板程序，对如东海上高压直流软输陆上换流站阀门控制系统和子模块控制与保护的功能和性能进行了分析。经过验证，反映了设计的测试平台验证了功能的完整性和优越性。
本文编译自《电气技术》2022年第2期，论文题目为《柔性直流输电阀门控制及子模块控制全接入测试系统的设计》。作者是王琦、杨章斌等。