HVDC換流器結(jié)構(gòu)與功能綜述

摘 ?要 ?高壓直流輸電（HVDC）是一種新型輸電形式，它通過交流電與直流電之間的變換為電網(wǎng)輸送電能。這種新型輸電方式可實(shí)現(xiàn)大功率、遠(yuǎn)距離輸電，同時(shí)還能夠使額定頻率不相同的交流系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)非同步的互聯(lián)。高壓直流輸電（HVDC）作為我國電網(wǎng)重要的組成部分，對其可靠性和穩(wěn)定性有很高的要求，其重要的核心設(shè)備就是換流器，換流器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，它由各種元器件組成，本文從換流器的設(shè)計(jì)要求、組成元件出發(fā)，詳細(xì)介紹了換流器的結(jié)構(gòu)和工作原理，對于保證寧東直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞 ?高壓直流輸電;換流器;結(jié)構(gòu);功能

中圖分類號：TM72 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0024-02

高壓直流輸電（HVDC）作為我國一種新型輸電形式，正在電力系統(tǒng)中扮演著日益重要的角色。它能夠?qū)崿F(xiàn)大功率、遠(yuǎn)距離輸電，同時(shí)還具有使額定頻率不相同的交流系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)非同步的互聯(lián)等交流輸電所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢。換流器作為高壓直流輸電系統(tǒng)的核心元器件之一，它的穩(wěn)定性和可靠性關(guān)系著直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文從換流器的設(shè)計(jì)要求、組成元件出發(fā)，詳細(xì)介紹了換流器的結(jié)構(gòu)和工作原理，對于保證寧東直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 ?換流器介紹

換流器是用以實(shí)現(xiàn)交、直流電能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。換流閥是能實(shí)現(xiàn)換流橋臂功能的可控或不可控開關(guān)設(shè)備，是換流器的最基本的組成單元。換流器采用一個(gè)或者多個(gè)三相橋式換流電路（也稱6脈動(dòng)換流器）串聯(lián)構(gòu)成。改變換流閥的觸發(fā)相位，它既可運(yùn)行于整流狀態(tài)，也可運(yùn)行于逆變狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)交流電向直流電轉(zhuǎn)換的換流器稱之為整流器，實(shí)現(xiàn)直流電向交流電轉(zhuǎn)換的則稱為逆變器。整流器與逆變器設(shè)備基本相同，統(tǒng)稱為換流器。

按照觸發(fā)原理的不同可分為LTT（Light Trigger Thyristor）換流器和ETT（Electric Trigger Thyristor）換流器。由光觸發(fā)晶閘管LTT組成的換流單元稱為LTT換流器。由電觸發(fā)晶閘管ETT組成的換流單元稱為ETT換流器。

2 ?換流器的設(shè)計(jì)要求

晶閘管換流閥應(yīng)能在預(yù)定的外部環(huán)境及系統(tǒng)條件下，按規(guī)定的要求安全可靠地運(yùn)行，并滿足損耗小，安裝及維護(hù)方便、投資少的要求。

1）基本性能。為了滿足閥換流和可靠運(yùn)行的要求，閥應(yīng)具有如下基本性能：

①具有單向?qū)ǖ男阅埽谝粋€(gè)周波中閥導(dǎo)通時(shí)間為三分之一周波。

②在閥不導(dǎo)通時(shí)，能夠承受正向和反向的阻斷電壓。

③最大阻斷電壓一般設(shè)計(jì)為3倍的六脈動(dòng)閥橋額定直流電壓，最大阻斷電壓應(yīng)由并聯(lián)避雷器的電壓保護(hù)水平?jīng)Q定。

④當(dāng)閥承受正向電壓，同時(shí)有觸發(fā)電流（大約8A）給門極時(shí)，則閥應(yīng)導(dǎo)通。只有流過閥的電流降為零時(shí)才關(guān)斷。

⑤閥具有承受過電流的能力，通過健全閥的最大過電流發(fā)生在閥兩端間的直接短路，而過電流的幅值主要由系統(tǒng)短路容量和換流變壓器短路阻抗所決定。

2）其他要求。除了滿足以上的性能要求外，閥在設(shè)計(jì)中還應(yīng)滿足以下要求：很高的可靠性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、較低的損耗、最少的安裝和維護(hù)費(fèi)用、整體最優(yōu)的價(jià)格、完善的自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)、可靠的防火系統(tǒng)等。

3 ?換流器的結(jié)構(gòu)及元件功能

晶閘管換流閥是由晶閘管元件及其相應(yīng)的電子電路、阻尼回路以及組裝成閥組件（或閥層）所需的陽極電抗器、均壓元件等通過某種形式的電氣連接組裝而成的換流橋臂。下面就各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)及組成、工作原理進(jìn)行介紹分析。

1）閥層結(jié)構(gòu)。以寧東直流輸電系統(tǒng)為例，其二重閥塔由20個(gè)閥模塊組成，閥塔雙列布置，每列閥塔包括10個(gè)閥模塊以及頂屏蔽罩、底屏蔽罩，屏蔽罩組件能提供靜電屏蔽作用，如圖1所示。

圖1 ?雙重閥塔布置

單閥包括10個(gè)閥模塊，大多數(shù)閥模塊由11個(gè)晶閘管級組成，布置成2個(gè)閥組件。其中1個(gè)閥組件包括6個(gè)晶閘管級（采用5英寸、7.2 kV晶閘管）和1臺飽和電抗器，另1個(gè)閥組件包括5個(gè)晶閘管級和1臺飽和電抗器。1個(gè)晶閘管級中有阻尼電路元件和門極單元。閥組件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2）可控硅級的原理。晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通及運(yùn)行監(jiān)控主要由晶閘管控制單元TCU、閥監(jiān)控VCU/THM、極控保系統(tǒng)來完成。當(dāng)晶閘管兩端所承受的電壓超過特定值時(shí)，TCU會(huì)收到一個(gè)光脈沖并將此光脈沖送至閥監(jiān)控柜VCU/THM，說明晶閘管此時(shí)已具備觸發(fā)的條件。

閥監(jiān)控VCU/THM此時(shí)會(huì)收到從極控保系統(tǒng)發(fā)來的控制脈沖，此脈沖轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖后發(fā)送到TCU用以觸發(fā)晶閘管，與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)監(jiān)測脈沖送回至極控制及保護(hù)PCP。

圖2 ?閥組件結(jié)構(gòu)圖

所有晶閘管的相關(guān)信息都會(huì)傳送至閥監(jiān)控VCU/THM，并經(jīng)PROFIBUS總線傳送到極控保系統(tǒng)。

①阻尼回路。

閥阻尼回路為電容、電阻組合回路，其主要作用：當(dāng)閥在熄滅過程中，阻尼電壓的震蕩;給可控硅控制單元提供暫態(tài)充電，充電時(shí)間常數(shù)為100μS，這樣保證在閥觸發(fā)前TCU能獲得可靠的工作電源。

②分壓回路。

分壓回路為純電阻回路，電阻值較大且精確度很高，一般一個(gè)電阻電阻值的誤差允許范圍±5%，在兩個(gè)電阻串聯(lián)后，按正負(fù)偏差相抵，其誤差不超過±2%[3]。分壓測量回路的主要作用：

測量可控硅兩端電壓，用于形成IP（可控硅回報(bào)脈沖）、PF（可控硅保護(hù)性觸發(fā)）和RP（恢復(fù)性保護(hù)）邏輯的輸入電壓;

給可控硅控制單元TCU提供穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作電源。

③可控硅控制單元。endprint

晶閘管控制單元TCU的主要功能是觸發(fā)和監(jiān)測晶閘管。為了防止晶閘管由于過電壓損壞，TCU包括保護(hù)觸發(fā)和恢復(fù)期保護(hù)兩種功能。TCU與閥控制單元VCU通訊通過高壓光纜完成。兩路光纜用于通訊，一路傳送由VCU到TCU的光觸發(fā)脈沖、一路傳送由TCU到VCU的晶閘管狀態(tài)信息光脈沖信號。

3）陽極電抗器。在一個(gè)可控硅模塊中要串聯(lián)一個(gè)電抗器模塊，此電抗器的作用是：在閥剛觸發(fā)導(dǎo)通或出現(xiàn)電流突變時(shí)，為了限制電流的變化速率，使閥免受于不均勻?qū)óa(chǎn)生局部過熱而引起的破壞，當(dāng)閥導(dǎo)通穩(wěn)定，流過閥的電流很大時(shí)，電抗器飽和，呈現(xiàn)出低阻抗。電抗器主要由線圈（繞4圈）、帶空隙的鐵芯（11個(gè)）、有固定及散熱作用的填充物（環(huán)氧樹脂）和外殼組成。

4）冷卻器。冷卻器主要用于吸收可控硅及阻尼電阻損耗產(chǎn)生的熱量，保證可控硅結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，使可控硅承受正向和反向阻斷電壓的能力不下降。在一個(gè)可控硅模塊中冷卻器的連接采用交叉串聯(lián)的方式，其特點(diǎn)為：

與并聯(lián)方式相比減少了接頭;

使一個(gè)閥組件中每個(gè)可控硅的平均溫度相同，T平均=1/2（T陰極+T陽極）;

第一個(gè)可控硅V1兩側(cè)的溫差最大，但最大溫差不能超過設(shè)計(jì)值8-9度。一個(gè)可控硅模塊中冷卻器的連接圖如圖3所示。

圖3 ?冷卻器連接圖

4 ?結(jié)束語

換流閥是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運(yùn)行工況直接影響整個(gè)輸電系統(tǒng)的優(yōu)劣和可靠性。作為世界上第1個(gè)采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東-山東直流工程單閥的跨接電壓高達(dá)330 kV[4]，本文從設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)以及元件功能出發(fā)，對寧東直流輸電系統(tǒng)換流器進(jìn)行了全面闡述，對保證西電東送的大動(dòng)脈寧東-山東直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]郭煥，溫家良，湯廣福，等.直流輸電換流閥主電路的可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（12）：39-43.

[2]李俠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J].高壓電器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高壓直流輸電系統(tǒng)晶閘管換流閥和換流變壓器設(shè)計(jì)審核及驗(yàn)證[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4（3）：1-6.

[4]楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電器設(shè)計(jì)綜述[J].電網(wǎng)建設(shè)，2011，32（7）：11-15.

作者簡介

潘亮亮（1982-），女，寧夏固原人，碩士研究生學(xué)歷，國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司工作工程師，研究方向：電氣設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷。endprint

晶閘管控制單元TCU的主要功能是觸發(fā)和監(jiān)測晶閘管。為了防止晶閘管由于過電壓損壞，TCU包括保護(hù)觸發(fā)和恢復(fù)期保護(hù)兩種功能。TCU與閥控制單元VCU通訊通過高壓光纜完成。兩路光纜用于通訊，一路傳送由VCU到TCU的光觸發(fā)脈沖、一路傳送由TCU到VCU的晶閘管狀態(tài)信息光脈沖信號。

3）陽極電抗器。在一個(gè)可控硅模塊中要串聯(lián)一個(gè)電抗器模塊，此電抗器的作用是：在閥剛觸發(fā)導(dǎo)通或出現(xiàn)電流突變時(shí)，為了限制電流的變化速率，使閥免受于不均勻?qū)óa(chǎn)生局部過熱而引起的破壞，當(dāng)閥導(dǎo)通穩(wěn)定，流過閥的電流很大時(shí)，電抗器飽和，呈現(xiàn)出低阻抗。電抗器主要由線圈（繞4圈）、帶空隙的鐵芯（11個(gè)）、有固定及散熱作用的填充物（環(huán)氧樹脂）和外殼組成。

4）冷卻器。冷卻器主要用于吸收可控硅及阻尼電阻損耗產(chǎn)生的熱量，保證可控硅結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，使可控硅承受正向和反向阻斷電壓的能力不下降。在一個(gè)可控硅模塊中冷卻器的連接采用交叉串聯(lián)的方式，其特點(diǎn)為：

與并聯(lián)方式相比減少了接頭;

使一個(gè)閥組件中每個(gè)可控硅的平均溫度相同，T平均=1/2（T陰極+T陽極）;

第一個(gè)可控硅V1兩側(cè)的溫差最大，但最大溫差不能超過設(shè)計(jì)值8-9度。一個(gè)可控硅模塊中冷卻器的連接圖如圖3所示。

圖3 ?冷卻器連接圖

4 ?結(jié)束語

換流閥是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運(yùn)行工況直接影響整個(gè)輸電系統(tǒng)的優(yōu)劣和可靠性。作為世界上第1個(gè)采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東-山東直流工程單閥的跨接電壓高達(dá)330 kV[4]，本文從設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)以及元件功能出發(fā)，對寧東直流輸電系統(tǒng)換流器進(jìn)行了全面闡述，對保證西電東送的大動(dòng)脈寧東-山東直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]李俠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J].高壓電器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高壓直流輸電系統(tǒng)晶閘管換流閥和換流變壓器設(shè)計(jì)審核及驗(yàn)證[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4（3）：1-6.

[4]楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電器設(shè)計(jì)綜述[J].電網(wǎng)建設(shè)，2011，32（7）：11-15.

作者簡介

潘亮亮（1982-），女，寧夏固原人，碩士研究生學(xué)歷，國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司工作工程師，研究方向：電氣設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷。endprint

晶閘管控制單元TCU的主要功能是觸發(fā)和監(jiān)測晶閘管。為了防止晶閘管由于過電壓損壞，TCU包括保護(hù)觸發(fā)和恢復(fù)期保護(hù)兩種功能。TCU與閥控制單元VCU通訊通過高壓光纜完成。兩路光纜用于通訊，一路傳送由VCU到TCU的光觸發(fā)脈沖、一路傳送由TCU到VCU的晶閘管狀態(tài)信息光脈沖信號。

3）陽極電抗器。在一個(gè)可控硅模塊中要串聯(lián)一個(gè)電抗器模塊，此電抗器的作用是：在閥剛觸發(fā)導(dǎo)通或出現(xiàn)電流突變時(shí)，為了限制電流的變化速率，使閥免受于不均勻?qū)óa(chǎn)生局部過熱而引起的破壞，當(dāng)閥導(dǎo)通穩(wěn)定，流過閥的電流很大時(shí)，電抗器飽和，呈現(xiàn)出低阻抗。電抗器主要由線圈（繞4圈）、帶空隙的鐵芯（11個(gè)）、有固定及散熱作用的填充物（環(huán)氧樹脂）和外殼組成。

4）冷卻器。冷卻器主要用于吸收可控硅及阻尼電阻損耗產(chǎn)生的熱量，保證可控硅結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，使可控硅承受正向和反向阻斷電壓的能力不下降。在一個(gè)可控硅模塊中冷卻器的連接采用交叉串聯(lián)的方式，其特點(diǎn)為：

與并聯(lián)方式相比減少了接頭;

使一個(gè)閥組件中每個(gè)可控硅的平均溫度相同，T平均=1/2（T陰極+T陽極）;

第一個(gè)可控硅V1兩側(cè)的溫差最大，但最大溫差不能超過設(shè)計(jì)值8-9度。一個(gè)可控硅模塊中冷卻器的連接圖如圖3所示。

圖3 ?冷卻器連接圖

4 ?結(jié)束語

換流閥是直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運(yùn)行工況直接影響整個(gè)輸電系統(tǒng)的優(yōu)劣和可靠性。作為世界上第1個(gè)采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東-山東直流工程單閥的跨接電壓高達(dá)330 kV[4]，本文從設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)以及元件功能出發(fā)，對寧東直流輸電系統(tǒng)換流器進(jìn)行了全面闡述，對保證西電東送的大動(dòng)脈寧東-山東直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]李俠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J].高壓電器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高壓直流輸電系統(tǒng)晶閘管換流閥和換流變壓器設(shè)計(jì)審核及驗(yàn)證[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4（3）：1-6.

[4]楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電器設(shè)計(jì)綜述[J].電網(wǎng)建設(shè)，2011，32（7）：11-15.

作者簡介

潘亮亮（1982-），女，寧夏固原人，碩士研究生學(xué)歷，國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司工作工程師，研究方向：電氣設(shè)備在線監(jiān)測及故障診斷。endprint