CN107834589A - 柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统和方法，其特征在于包括以下步骤：1)换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送控制信号到换流阀直流控制保护系统；2)换流阀直流控制保护系统中的PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到VBC控制系统和同步控制系统；3)同步控制系统根据PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，且每隔一同步控制周期对PCP控制系统和VBC控制系统做一次同步；4)VBC控制系统接收到PCP控制系统发送的三相调制波信号或同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理。本发明可以广泛应用于柔性直流输电技术领域。

Description

柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统和方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平柔性直流输电领域，特别是关于一种基于模块化多电平的柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统和方法。

背景技术

模块化多电平柔性直流输电技术是传统高压直流输电技术之外的一种新型直流输电技术，它区别于传统高压直流输电技术的特点在于其采用全控型(可自导通与关断)的半导体器件(例如IGBT)进行交直流转换，而传统高压直流输电技术采用半控型(可自导通而不能自关断)的半导体器件(如晶闸管)进行交直流转换，需要依靠交流电力系统向其提供的外部电压协助关断晶闸管，确保交直流转换正常进行。模块化多电平柔性直流输电技术有两个控制度，可以独立的控制交流系统和换流站交换的有功和无功，且不需要受端电网提供换相电压，除此之外，还具有占地面积小，功率反转时线路极性不变等优点，因而模块化多电平柔性直流输电以其独立的优越性得到越来越广泛的应用，同时也是全球能源互联网战略的重要实现手段。

如图1所示，对于全控性的柔性直流输电技术来说，换流阀每相桥臂由数百个子模块组成。同一时刻，每相桥臂中各子模块接收到不同的导通和关断脉冲，从而输出符合系统工况要求的逆变电压，因此模块化多电平柔性直流输电技术的直流控制保护系统的功能和性能对于柔性直流输电技术的稳定运行尤为关键。

目前国内外已投运或在建的模块化多电平柔性直流输电技术的直流控制保护系统多采用模块化、分层分布式结构。功能上来说，直流控制保护系统可以分为：双极控制层、极控制层和换流器控制层。其中双极控制层和极控制层功能上统一配置，在直流极控制保护设备(Pole Control and Protect，简称PCP)中实现；换流器控制层在换流阀控制设备(Valve Base Controller，简称VBC)中实现。

换流站在正常工作时，PCP和VBC为异步控制，即换流站的直流控制保护系统首先从换流站数据采集和监控系统(Supervisory Control And Data Acquisition，简称SCADA)接收直流电压和功率指令，在PCP中计算生成三相的调制波后发送到VBC；VBC接收到调制波后，经过环流抑制、分组、排序等算法，解调成各子模块的触发信号，下发给换相元件。相比于特高压直流输电控制毫秒级的控制周期，柔性直流输电的PCP和VBC的控制周期需要达到微秒级，且信息交互多，通讯精确度要求高。

在以往，国内外没有任何研究表明，PCP和VBC的异步控制会对柔性直流输电技术的正常工作带来影响。然而，在对国际上第一个真双极柔性直流输电技术--厦门工程的直流控制保护系统进行调试时，发现其无功功率存在周期性的功率突变现象(如图2所示)，图2中所示采用的工程用PCP运算步长为100us，VBC运算步长为125us。也即实际运行时，PCP和VBC的异步控制会对柔性直流输电技术的正常工作带来影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统和方法，实现了基于模块化多电平的柔性直流输电技术直流控制保护系统中异步极控制和换流阀控制设备的协同工作，有效消除无功功率的功率突变现象及其功率振荡。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统，包括换流站数据采集和监控系统以及换流阀直流控制保护系统，其特征在于：所述换流阀直流控制保护系统包括PCP控制系统、VBC控制系统和同步控制系统；

所述换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送直流电压和功率指令控制信号到所述换流阀直流控制保护系统；所述换流阀直流控制保护系统接收到控制信号后，由所述PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到所述VBC控制系统和同步控制系统；所述同步控制系统根据所述PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，每隔一所述同步控制周期将所述同步控制周期内所述PCP控制系统最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到所述VBC控制系统；所述VBC控制系统接收到所述PCP控制系统发送的三相调制波信号或所述同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理，并生成各子模块的触发信号发送到换流阀设备生成相应逆变电压。

一种基于所述系统的柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化方法，包括以下步骤：

1)换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送直流电压和功率指令到换流阀直流控制保护系统；

2)换流阀直流控制保护系统接收到控制信号后，由PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到VBC控制系统和同步控制系统；

3)同步控制系统根据PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，且每隔一同步控制周期对PCP和VBC做一次同步，也即将该同步控制周期内PCP最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到VBC，使得VBC开始新的运算周期；

4)VBC控制系统接收到PCP控制系统发送的三相调制波信号或同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理，并生成各子模块的触发信号发送到换流阀设备生成相应逆变电压。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了同步控制系统，根据PCP和VBC控制系统的运算周期确定同步控制周期，在每一同步控制周期内实现了PCP和VBC的同步运行，解决了柔直输送功率突变的问题，提高系统稳定运行能力。2、本发明由于仅需在现有直流控制保护系统中加入同步控制系统，通用性好，可以广泛应用在UPFC、STATCOM等柔性交流工程，解决其无功补偿不稳定的问题。本发明技术方案实现简便，可靠性高，不额外增加装置，经济性好，可应用在已投运和在建的柔直工程。因而，本发明可以广泛应用于柔性直流输电技术领域。

附图说明

图1是现有技术中模块化多电平柔性直流换流阀拓扑结构示意图；

图2是现有技术中厦门工程的无功功率突变现象；

图3是现有技术中晶振导致调制波阶跃的过程，图中所示为PCP下发信号，所示为VBC接收信号，所示为VBC执行信号，与VBC接收信号一致。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图3所示，为整个调制波阶跃的过程。为了简化分析过程，本发明将工程用PCP和VBC的运算步长设置为100us等长。由于PCP和VBC两个控制系统运算周期的晶振等不可控因素使运算步长存在误差，上个周期晶振导致的运算周期差值会累加到下一个周期里，当晶振累积的幅度超过一个PCP周期时，VBC收到PCP发送的数据发生跃变，跃变到下一个周期。由于PCP发送给VBC的数据为电压调制波，调制波阶跃意味着逆变电压幅值和相位的改变，反映在功率波形上即输送功率的突变。

通过上述对调制波阶跃过程的分析可知，无功功率突变的根本原因是PCP和VBC运算步长不同步，导致VBC收到的调制波存在相位突变，因此，解决问题的关键在于消除调制波的相位突变。在控制系统内置GPS对时装置，两套控制系统向统一GPS时钟源对时，同时触发新的周期，这样可以避免晶振累积，进而消除调制波的相位突变。

目前，柔性直流输电技术用的PCP和VBC由不同的厂家供货，运算周期受各厂家控制系统的主机负载率决定，很难做到PCP和VBC的运算周期一致，修改VBC的运算步长需要重新分配各VBC各功能的资源分配，且目前VBC的运算资源难以满足运算步长降至100us以下，并综合考虑到工程工期的因素，该方案难以实施。

基于上述分析，本发明提供的一种柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统，包括换流站数据采集和监控系统以及换流阀直流控制保护系统，其中换流阀直流控制保护系统包括PCP控制系统、VBC控制系统和同步控制系统。换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送直流电压和功率指令控制信号到换流阀直流控制保护系统；换流阀直流控制保护系统接收到控制信号后，由PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到VBC控制系统和同步控制系统；同步控制系统根据PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，每隔一同步控制周期将该同步控制周期内PCP控制系统最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到VBC控制系统。VBC控制系统接收到PCP控制系统发送的三相调制波信号或同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理，并生成各子模块的触发信号发送到换流阀设备生成相应逆变电压。

基于上述柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统，本发明还提供一种柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化方法，包括以下步骤：

1)换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送直流电压和功率指令到换流阀直流控制保护系统。

2)换流阀直流控制保护系统接收到控制信号后，由PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到VBC控制系统和同步控制系统。

3)同步控制系统根据PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，且每隔一同步控制周期对PCP和VBC做一次同步，也即将该同步控制周期内PCP最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到VBC，使得VBC开始新的运算周期。

4)VBC接收到PCP发送的三相调制波信号或同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理，并生成各子模块的触发信号发送到换流阀设备生成相应逆变电压。

下面结合具体实施例对本发明方法做进一步阐述。

本实施例中以厦门工程为例，其PCP运算周期为100us，VBC运算周期为125us，可知在500us内PCP经历5个运算周期，VBC经历4个运算周期。因此同步控制系统设置同步控制周期为500us，每隔500us，VBC的运算周期由PCP控制系统最新一次下发的数据触发，从而VBC开始新的运算周期，也即每隔一同步控制周期，同步控制系统将该同步控制周期内PCP最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到VBC控制系统，使得VBC控制系统开始新的运算周期。同步控制周期内的其他时间，PCP控制系统计算生成的三相波调制信号直接发送到VBC控制系统，触发VBC控制系统开始新的运算周期。这样，PCP控制系统和VBC控制系统每5个周期做一次同步，晶振只在500us内存在，不会累积超过一个运算周期。调制波的相位突变现象消失。避免了柔性直流系统出现功率突变的现象。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化系统，包括换流站数据采集和监控系统以及换流阀直流控制保护系统，其特征在于：所述换流阀直流控制保护系统包括PCP控制系统、VBC控制系统和同步控制系统；

所述换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送直流电压和功率指令控制信号到所述换流阀直流控制保护系统；所述换流阀直流控制保护系统接收到控制信号后，由所述PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到所述VBC控制系统和同步控制系统；所述同步控制系统根据所述PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，每隔一所述同步控制周期将所述同步控制周期内所述PCP控制系统最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到所述VBC控制系统；所述VBC控制系统接收到所述PCP控制系统发送的三相调制波信号或所述同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理，并生成各子模块的触发信号发送到换流阀设备生成相应逆变电压。

2.一种基于权利要求1所述系统的柔性直流输电技术极控制和阀控制设备同步化方法，包括以下步骤：

1)换流站数据采集和监控系统根据工况要求发送直流电压和功率指令到换流阀直流控制保护系统；

2)换流阀直流控制保护系统接收到控制信号后，由PCP控制系统根据PCP运算周期计算生成周期性的三相调制波信号，并发送到VBC控制系统和同步控制系统；

3)同步控制系统根据PCP控制系统和VBC控制系统的运算周期计算得到同步控制周期，且每隔一同步控制周期对PCP和VBC做一次同步，也即将该同步控制周期内PCP最后一次运算周期得到的三相波调制信号作为触发信号发送到VBC，使得VBC开始新的运算周期；

4)VBC控制系统接收到PCP控制系统发送的三相调制波信号或同步控制系统发送的触发信号后，开始新的VBC运算周期，对接收到的三相调制波信号进行处理，并生成各子模块的触发信号发送到换流阀设备生成相应逆变电压。