撰稿人：燕翚
论文题目：基于国产芯片直流换流阀控制系统设计与试验
作者：燕翚1*，刘伟1，刘钊2，安燕杰2
完成单位：1.中电普瑞电力工程有限公司，2.国网宁夏电力有限公司
导读
本文围绕高压直流换流阀控制系统长期依赖进口芯片所带来的供应链安全与运行可靠性问题，系统研究了基于国产芯片的阀控系统与驱动电路关键技术。文章在分析传统直流阀控系统架构的基础上，提出了包含冗余设计、多模式切换和标准化原位替代在内的自主可控方案，并在国产DSP、FPGA、光通信模块、电源滤波电路及分层容错机制等方面开展了设计与优化。实验结果表明，基于国产芯片构建的阀控系统能够满足工程应用要求，国产板卡与进口板卡具备良好的兼容性，系统在额定工况及极端工况下均具有较好的稳定性和保护能力。
研究背景
高压直流输电技术因其经济高效、稳定灵活，已成为大容量、长距离输电的重要方式。作为直流输电系统中的核心二次设备，阀控系统及高电位驱动电路直接关系到换流阀的可靠运行。文章指出，当前直流输电阀控系统高度依赖进口FPGA、DSP等高端芯片，存在选型单一、架构封闭等问题，对系统长期稳定运行和供应链安全构成风险。尽管阀控系统硬件装备本身已具备国产化设计和制造基础，但高端芯片在功能集成度、计算性能和功耗控制等方面仍与国际先进产品存在差距。基于此，本文从芯片选型、系统架构、电源设计、通信冗余和试验验证等多个层面展开研究，以满足高压直流阀控系统国产化替代的迫切需求。
主要内容
在传统阀控系统基础上，构建了由主控机箱和触发监测机箱组成的国产化硬件平台，并通过光通道、总线和分光器实现对换流阀的精确控制与实时监测。与传统方案相比，这一设计突出了冗余性与可靠性要求，文中随后围绕双冗余架构、电源冗余、信号与通信冗余以及在线更换机制展开论述，如图1所示。
图1 阀控系统整体架构
为验证国产核心器件在阀控系统中的应用能力，文章对国产与进口FPGA在相同工况下的逻辑资源利用率、时序收敛速度及功耗控制等指标进行了对比测试，结果表明二者实测性能表现一致，如图2所示。结合对国产 DSP、光器件和存储单元的选型分析，文章进一步通过系统级测试验证了国产器件在阀控系统场景中的应用可行性。
图2 FPGA性能测试
在光通信链路验证中，文章采用搭载国产和进口发射器的开发板，在1 MHz发射频率和不同光功率条件下进行了对比测试。结果表明，国产垂直腔面发射激光器在光强稳定性、相位差和占空比等方面与进口器件基本一致，如图3所示。进一步结合国产光模块集成到阀基电子设备中的收发测试，验证了国产光通信模块在触发、检测和反馈链路中的替代可行性。
图3 极端光功率水平下的激光测试
为检验系统在极端工况下的保护能力，文章依托自主开发的全工况测试平台，开展了模拟晶闸管承受最大反向电压应力条件下的试验。在换流变压器阀承受系数为1.3、触发角接近9°的条件下，阀基电子设备通过动态调整触发脉冲宽度，将晶闸管反向峰值电压限制在安全范围内，相关试验曲线如图4所示。这一结果表明，基于国产芯片的阀控系统不仅能够满足额定工况运行要求，也具备应对极端工况的稳定性和保护能力。
图4 模拟晶闸管承受最大反向电压应力时桥臂电压的试验曲线
研究前景与展望
为满足高压直流阀控系统国产化发展的需求，本文设计实现了基于国产芯片的全冗余软硬件设备，并建立了全场景验证框架及试验平台。通过国产DSP、FPGA等核心器件选型与电路优化，以及在线更换、多模式切换和分层自检等功能设计，文章完成了从器件替代到系统验证的完整技术路线。试验结果表明，国产板卡与进口板卡在触发精度和信号同步方面具备兼容性，国产阀控系统在额定工况和极端故障工况下均表现出较好的稳定性和保护能力。文章认为，相关技术成果可直接服务于直流工程运维、改造及新建项目中的二次设备芯片国产化替代，并具备向更大范围电力电子装备推广应用的空间。
