基于MMC 的柔性直流輸電換流閥型式試驗方案

侯 婷，饒 宏，許樹楷，黎小林，李 巖，易 榮，楊曉平

(1．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市510080;2．榮信電力電子股份有限公司，遼寧省鞍山市114051;3．西安西電電力系統(tǒng)有限公司，西安市710016)

0 引 言

柔性直流輸電技術(shù)是一種以電壓源換流器、可控器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)，是解決風(fēng)力、太陽能等可再生能源發(fā)電并網(wǎng)運行等問題的有效途徑之一［1-7］。柔性直流輸電換流閥是柔性直流輸電系統(tǒng)中負責(zé)實現(xiàn)電能在交、直流之間轉(zhuǎn)換的核心裝備，其對溫度、電壓、電流及其變化率非常敏感［8］。為了保證柔性直流輸電工程的可靠運行，在投入運行之前必須通過一系列試驗來考察換流閥的安全可靠性，這就需要制定一套科學(xué)全面的試驗方案。目前對于可控電壓源型換流閥試驗的相關(guān)國際標(biāo)準僅有IEC62501 －2009(Voltage sourced converter(VSC)valves for high-voltage direct current(HVDC)power transmission—Electrical testing)，但并不是專門針對模塊化多電平換流閥(modular multilevel converter，MMC)的標(biāo)準，部分條款并不完全適用。我國對于可控電壓源型換流閥試驗的相關(guān)國標(biāo)尚未頒布，國內(nèi)對柔性直流輸電基于MMC 拓撲的換流閥試驗的研究還處于起步階段。本文以世界第1個多端柔性直流輸電工程——南澳多端柔性直流輸電工程為例，根據(jù)柔性直流換流閥和工程特點，研究并制定詳細全面的柔性直流輸電模塊化多電平換流閥的型式試驗方案。

1 換流器拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

模塊化多電平換流閥是一種較新的拓撲結(jié)構(gòu)，換流閥由6個橋臂組成，如圖1 所示。每個橋臂由N個功率模塊順序級聯(lián)構(gòu)成，上、下橋臂間分別串聯(lián)1個電抗器(其電感為Ls)，同相上、下2個橋臂構(gòu)成1個相單元［9-11］。圖1 中Udc為直流電壓，Usa、Usb、Usc分別為交流系統(tǒng)的三相電壓，iap、ibp、icp分別為三相上橋臂電流，iaq、ibq、icq分別為三相下橋臂電流。

圖1 MMC 換流閥拓撲Fig.1 Topological structure of MMC

MMC 換流閥單元采用的是半橋，如果直流電容電壓已經(jīng)被控制為Ud，MMC 的每個換流單元輸出將具有0 和Ud這2 種狀態(tài)。如果每個橋臂有N個換流單元，則橋臂輸出電壓的狀態(tài)將在0，Ud，2Ud，… ，NUd之間變化，即具有N +1個電平狀態(tài)。換流閥交直流輸出電壓如圖2 所示，Up、Uq分別為上、下橋臂交流輸出電壓，Uc為MMC 換流閥交流輸出電壓。

同樣地，橋臂電流也是由直流分量和交流分量疊加而成的復(fù)合變量，如圖3 所示，iq為下橋臂電流，其中直流分量iq_dc為直流極線電流的1/3，交流分量iq_ac為交流輸出電流的1/2。

2 南澳柔性直流輸電工程基本參數(shù)

南澳柔性直流輸電工程是世界上第1個多端柔性直流輸電工程，于2013年12月25 日正式投產(chǎn)。一期為三端直流輸電系統(tǒng)，遠期為四端直流輸電系統(tǒng)。

圖2 MMC 交直流輸出電壓Fig.2 AC/DC output voltage of MMC

圖3 MMC 橋臂電流Fig.3 Bridge-arm current of MMC

目前一期在南澳島上建設(shè)2個送端換流站(金牛站和青澳站)，在澄海區(qū)塑城站近區(qū)建設(shè)1個受端換流站(塑城站)，工程具體參數(shù)如表1 所示。

表1 南澳柔性直流輸電工程基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

3 換流閥塔結(jié)構(gòu)

目前常用的閥塔結(jié)構(gòu)主要有2 類，如圖4 所示。A 類閥塔每個橋臂由多個閥塔串連組成，B 類是每個橋臂由一個連體大閥塔組成，接線方式也有所不同，具體如圖5 所示。

圖4 橋臂單元布置示意圖Fig.4 Layout of bridge-arm unit

圖5 單橋臂單元的電氣連接圖Fig.5 Electrical connection of bridge-arm unit

對于A 類閥塔，閥段之間的電壓分配是正常工作的一個完整橋臂的電壓分配的典型值。在開展絕緣耐壓試驗時，可選擇部分相連的閥塔作為試驗對象，但應(yīng)考慮電壓分布的不均勻性，可通過計算或試驗得出不均勻系數(shù)。但對于B 類閥塔，試驗對象必須為一個完整的大閥塔。

4 型式試驗方案

考核換流閥應(yīng)從運行和絕緣2 方面考核閥的設(shè)計，因此型式試驗可以分為運行試驗和絕緣試驗兩大類［12］。

4.1 運行試驗

運行試驗的目的是檢驗閥及相關(guān)電路，在運行狀態(tài)中最嚴重的重復(fù)作用條件下通態(tài)、開通和關(guān)斷狀態(tài)時，對于電流、電壓和溫度的作用是否合適，同時證明閥電子電路和閥主回路之間相互作用的正確性［13］。具體試驗項目及要求如下。

4.1.1 最小直流電壓試驗

由于換流閥的電子電路從功率模塊直流電容取能，因此該試驗用于驗證從直流電容取能的板卡電子設(shè)備性能，試驗電壓是能保證換流閥電子電路正常工作的最小直流電壓。

換流閥解鎖前會先經(jīng)歷一個充電過程，要求解鎖前電子電路應(yīng)能正常工作，因此，最小直流電壓試驗必須考慮閉鎖狀態(tài)下的充電。南澳柔性直流輸電工程換流閥解鎖前，當(dāng)從交流側(cè)充電時，直流電壓可充到額定直流電壓的70%，當(dāng)從直流側(cè)充電時，直流電壓可充到額定直流電壓的35%。因此，每個功率模塊解鎖前的最小充電電壓為額定直流電壓的35%。同時，由于解鎖前充電不可控，具有一定的不均勻性，在確定最小直流電壓時除了考慮一定的安全系數(shù)外，還應(yīng)考慮一定的不均勻系數(shù)。根據(jù)IEC62501 的規(guī)定［14］，試驗持續(xù)時間不少于10 min。南澳柔性直流輸電工程的具體試驗參數(shù)如表2 所示。

表2 南澳柔性直流輸電工程最小直流電壓試驗參數(shù)Table 2 Minimum DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.2 功率器件過電流關(guān)斷試驗

試驗的主要目的是在發(fā)生特定的短路故障或誤觸發(fā)下關(guān)斷時電流和電壓應(yīng)力作用下，檢查功率器件及其相關(guān)電路的設(shè)計是否合適。

試驗要求:

(1)功率器件相關(guān)元件達到最高穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的條件下，使試驗對象運行到熱平衡;

(2)每個功率模塊的直流電壓為額定電壓的1.1倍;在以上條件下模擬直通短路電流?？刂票Ｗo電路開始檢測過電流，在電流值小于最大安全關(guān)斷電流極限值時關(guān)斷功率器件來限制過電流。南澳柔性直流輸電工程試驗按上述要求開展。

4.1.3 最大電流連續(xù)運行能力試驗

該試驗的目的是驗證換流閥的最大連續(xù)運行能力是否滿足設(shè)計要求。

試驗要求:

(1)試驗電壓為最大連續(xù)直流電壓(考慮1.05的安全系數(shù));

(2)測試開關(guān)頻率應(yīng)基于最大連續(xù)開關(guān)頻率;

(3)調(diào)制模式按照工程實際模式;

(4)冷卻液溫度應(yīng)至少使功率器件或二極管結(jié)溫達到運行中的最高穩(wěn)態(tài)值;

(5)持續(xù)測試時間應(yīng)在冷卻劑出口溫度穩(wěn)定后不少于30 min。

南澳柔性直流輸電工程試驗參數(shù)見表3，由于本工程要求換流閥具有1.1 倍過負荷能力，試驗電流為1.1 倍額定電流。

表3 南澳柔性直流輸電工程最大電流連續(xù)運行能力試驗參數(shù)Table 3 Maximum current continuous operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.4 最大暫時過負荷運行能力試驗

該試驗的目的是證明換流閥的暫態(tài)過負荷運行能力是否滿足設(shè)計要求。

試驗要求:

(1)試驗對象首先要在1.1 倍電流連續(xù)運行條件下達到熱穩(wěn)定;

(2)在暫態(tài)過負荷運行試驗后，應(yīng)繼續(xù)進行1.1倍電流連續(xù)運行能力試驗，持續(xù)時間10 min，以檢查試驗是否帶來損傷。

南澳柔性直流輸電工程試驗參數(shù)見表4。

表4 南澳柔性直流輸電工程最大暫時過負荷運行能力試驗參數(shù)Table 4 Maximum temporary over-load operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.5 短路電流試驗

該試驗?zāi)康氖菣z查短路情況下功率器件和相關(guān)電路是否合適，在短路試驗中的電壓、電流，dU/dt 及di/dt 最大值是否滿足設(shè)計要求，在安全裕度內(nèi)。

試驗要求:

(1)試驗對象在達到最高穩(wěn)態(tài)結(jié)溫并進入熱平衡后啟動故障電流事件;

(2)故障電流的幅值、持續(xù)時間和波次應(yīng)是實際運行中預(yù)期達到的最大值。

南澳柔性直流輸電工程試驗電流按照最嚴苛的故障(直流極線間短路故障)電流仿真計算結(jié)果來考核。要求試驗電流的電流峰值、熱等效性和電流變化率(di/dt)應(yīng)不小于直流極間短路故障仿真計算值［15］。

4.1.6 故障旁路試驗

該試驗?zāi)康氖强己嗽诠β誓K故障發(fā)生到功率模塊被旁路期間，功率模塊的旁路開關(guān)(IGBT 類功率模塊)或旁路晶閘管(IEGT 類功率模塊)能否及時有效觸發(fā)，且該過程中各功率器件上電壓電流最大值滿足設(shè)計要求。該試驗應(yīng)真實再現(xiàn)實際運行時的應(yīng)力條件，驗證旁路開關(guān)或旁路晶閘管設(shè)計的正確性。

南澳柔性直流輸電工程換流閥結(jié)合功率器件過電流關(guān)斷試驗開展該項試驗。對于塑城站采用IEGT類功率模塊，其設(shè)計原理是利用了壓裝晶閘管的短路失效模式。旁路晶閘管被連接在直流電容器正負極兩側(cè)，當(dāng)發(fā)生故障時，旁路晶閘管被觸發(fā)，即便是較低的電容電壓，在這種短路模式下也能夠形成足夠大的電流變化率，從而使得晶閘管的門極附近的小區(qū)域短路融化。該試驗屬于破壞性試驗。故障旁路時旁路晶閘管將會損壞，因此試品數(shù)量要求不少于5個。

4.1.7 功率模塊抗干擾測試

該試驗的目的是檢驗功率模塊及相關(guān)電路的抗電磁干擾性能。

該試驗在換流閥1.1 倍電流連續(xù)運行能力試驗、最大暫時過負荷運行試驗、閥沖擊試驗和功率器件過電流關(guān)斷等型式試驗中驗證以下內(nèi)容:

(1)不會發(fā)生IGBT 誤觸發(fā)或?qū)樞蚧靵y;

(2)閥上所裝的電子保護電路按照預(yù)定動作。

要求上述試驗中不會發(fā)生閥級故障的錯誤指示，閥基電子單元也不會因為閥監(jiān)測電路收到錯誤信息而將錯誤的信號送到換流閥級控制保護系統(tǒng)。

4.2 絕緣試驗

對換流閥的絕緣考核主要分為閥支架和閥端間的絕緣耐受能力。因此，絕緣型式試驗包括閥支架絕緣試驗和閥端間絕緣試驗。

4.2.1 閥支架絕緣耐壓試驗

該試驗的目的是驗證換流閥支架、冷卻管道、光纖及其他絕緣部件的絕緣耐受能力。該試驗的對象應(yīng)根據(jù)不同閥塔布置方式選擇合適的試驗對象，要求試驗?zāi)軌蚋采w閥支架的所有最嚴重應(yīng)力。具體試驗項目和要求如下:

(1)閥支架直流耐壓試驗。這個試驗是驗證閥支架絕緣在最大穩(wěn)態(tài)直流電壓和短時過電壓的耐壓能力。試驗必須以正負極性重復(fù)進行。試驗期間進行局部放電測量。在試驗之前，閥支架應(yīng)當(dāng)短路并接地最少2 h。

閥支架直流試驗電壓Utds按照公式(1)計算:

式中:Udms為跨接在閥支架上的穩(wěn)態(tài)運行電壓直流分量的最大值，對于MMC 拓撲結(jié)構(gòu)的換流閥，Udms為直流極線最高穩(wěn)態(tài)運行電壓;k3為試驗安全系數(shù)，1 min試驗，k3=1.6，3 h 試驗，k3=1.1;kt為大氣修正系數(shù)。

南澳柔性直流輸電工程試驗參數(shù)見表5。

表5 南澳柔性直流輸電工程閥支架直流耐壓試驗參數(shù)Table 5 Valve support DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project kV

(2)閥支架交流耐壓試驗。試驗?zāi)康氖球炞C閥支架絕緣在穩(wěn)態(tài)交流電壓應(yīng)力和短時過電壓應(yīng)力(包括閥支架操作過電壓)下的耐壓能力。試驗期間進行局部放電測量。

閥支架交流試驗電壓Utas的均方根值，按照公式(2)計算:

式中:Ums為穩(wěn)態(tài)運行期間，加在閥支架的最大重復(fù)運行電壓的峰值;k4為試驗安全系數(shù)，1min 試驗，k4=1.3，30 min 試驗，k4=1.15;kt為大氣修正系數(shù)，本工程取1.0;kr為瞬時過電壓系數(shù)，1min 試驗，kr由系統(tǒng)分析確定;30 min 試驗，kr=1.0。

南澳柔性直流輸電工程是國內(nèi)第1個多端柔性直流輸電工程，考慮到國內(nèi)廠商對換流閥的生產(chǎn)和設(shè)計經(jīng)驗不足，應(yīng)提高換流閥工藝要求，Ums取值考慮了1.2 的安全系數(shù)，即

根據(jù)上述公式及過電壓與絕緣配合研究結(jié)論，南澳3個換流站的閥支架交流耐壓試驗電壓均不應(yīng)低于如下限值:Utas，1min=275 kV，Utas，30min=152 kV。

(3)閥支架操作沖擊試驗。試驗?zāi)康氖球炞C在不同閥支架操作脈沖下閥支架絕緣的耐壓能力。該試驗在閥主端子(短接)對地之間加3個正向和3個負向的操作沖擊波。測試的脈沖電壓波形參照IEC60060 標(biāo)準。試驗電壓由換流站絕緣配合來決定。根據(jù)南澳柔性直流輸電工程3個換流站的絕緣配合，操作沖擊試驗電壓峰值均不應(yīng)小于450 kV。

(4)閥支架雷電沖擊試驗。試驗?zāi)康氖球炞C在不同閥支架雷電脈沖下閥支架絕緣的耐壓能力。該試驗在閥主端子(短接)對地之間加3個正向和3個負向的雷電沖擊波。測試的雷電脈沖電壓波形參照IEC60060 標(biāo)準。試驗電壓由換流站絕緣配合來決定。根據(jù)南澳柔性直流輸電工程3個換流站的絕緣配合，雷電沖擊試驗電壓峰值均不應(yīng)小于550 kV。

4.2.2 閥端間絕緣耐壓試驗

該試驗?zāi)康氖球炞C換流閥設(shè)計的過電壓耐受特性。

(1)閥端間交、直流耐壓試驗。這個試驗由10 s短時和30 min 長時試驗組成。短時試驗應(yīng)再現(xiàn)由換流閥或系統(tǒng)故障導(dǎo)致的復(fù)合交流－直流電壓。

10 s 短時試驗電壓:

式中:Uac1為閥端間最大暫態(tài)交流電壓峰值，應(yīng)考慮避雷器的限壓作用;Udc1為閥端間最大暫態(tài)直流電壓分量，應(yīng)考慮避雷器的限壓作用;k0為比例系數(shù);k9為安全系數(shù)，取1.10;f 為試驗頻率，取50 Hz。

30 min 長期試驗電壓:

式中:Umax-cont為交流側(cè)最大穩(wěn)態(tài)電壓;Udmax為穩(wěn)態(tài)運行直流分量最大值。

南澳柔性直流輸電工程中，對于10 s 短時試驗，最嚴苛的工況為金牛站至塑城站直流線路開路故障。故障后直流電壓上升達到過壓保護值時閉鎖閥，閉鎖100 ms 后跳開交流斷路器。圖6 為該故障下橋臂端間電壓仿真波形，圖中的尖峰電壓可看做操作沖擊電壓，在閥端間操作沖擊試驗中考核。

圖6 直流線路開路故障橋臂端間電壓仿真波形Fig.6 Simulation waveform of voltage between bridge-arm terminals under DC line open fault

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，Uac1取155 kV，Udc1取220 kV，計算得出10 s 短時耐壓試驗電壓:

根據(jù)30 min 長期試驗電壓計算公式，Utac2取190 kV，Udmax取168 kV，計算得出30 min 長期試驗電壓:

(2)閥端間沖擊試驗。閥端間沖擊試驗包括操作沖擊和雷電沖擊試驗，該試驗的目的是考核換流閥的沖擊電壓耐受能力，沖擊試驗電壓峰值由換流站絕緣配合來決定。在直流側(cè)沒有架空線、閥電抗器及閥間的母線被完備保護不遭受直接雷擊沖擊情況下，該試驗可省去。

南澳柔性直流輸電工程中，送端金牛站和青澳站線路有架空線，因此需要開展該試驗。在閥端間施加沖擊電壓時，由于MMC 換流閥每個功率模塊都并聯(lián)有直流電容器，閥端間電壓瞬間也不會有較大上升。但若實際試驗回路中沒有連接閥電抗器，直流電容器承受的電壓變化值將有可能超過其限值，從而導(dǎo)致直流電容器損壞。因此柔性直流輸電工程換流閥應(yīng)帶閥電抗器來完成該項試驗。

5 結(jié) 語

模塊化多電平換流器(MMC)作為一種較新的拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在柔性直流輸電領(lǐng)域是一種較新的技術(shù)，換流閥是柔性直流輸電系統(tǒng)中負責(zé)實現(xiàn)電能在交直流之間轉(zhuǎn)換的設(shè)備，是柔性直流輸電工程的核心設(shè)備，其對于溫度、電壓、電流及其變化率非常敏感。本文提出的模塊化多電平換流閥的型式試驗方案考慮了換流閥的各種運行和故障工況，通過對換流閥運行和絕緣耐壓2 方面的試驗考核，能夠較全面地驗證基于MMC 拓撲結(jié)構(gòu)的換流閥及其相關(guān)電路設(shè)計的正確性。

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