柔直換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案和調(diào)試方法

阮守軍 楚國華 丁 升 胡湘斌 梁發(fā)賓

（國網(wǎng)山東省電力公司嘉祥縣供電公司，山東 濟(jì)寧 272400）

柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)可將換流閥內(nèi)各器件產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)水傳送至外部，使 IGBT等器件工作在正常溫度范圍，是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵配套設(shè)備之一。目前柔性直流輸電領(lǐng)域研究處于起步階段[1-6]，冷卻系統(tǒng)的配置方案和調(diào)試方法均處于摸索階段，亟需展開冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究。

目前圍繞換流閥冷卻系統(tǒng)已有一些研究內(nèi)容，例如文獻(xiàn)[7-8]均提出了換流閥冷卻系統(tǒng)傳感器單一配置問題，通過增加冗余傳感器優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]通過優(yōu)化控制邏輯解決了換流閥冷卻系統(tǒng)切換過程中的缺陷。文獻(xiàn)[10]分析了閥冷控制保護(hù)邏輯缺陷造成的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的事件。文獻(xiàn)[11]提出了換流閥冷卻水路電極反應(yīng)的等效電路建模方法。但以上研究集中在傳感器配置和冷卻系統(tǒng)邏輯優(yōu)化方面，針對(duì)柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)的整體配置方案和調(diào)試方法的研究內(nèi)容較少。

本文首先提出柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案，然后給出單體調(diào)試、分系統(tǒng)調(diào)試、整套起動(dòng)調(diào)試相關(guān)調(diào)試方法，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證配置方案和調(diào)試方法的正確性。

1 柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案

換流閥冷卻系統(tǒng)以一個(gè)換流閥為單元來提供，每個(gè)閥廳一組換流閥設(shè)置一套獨(dú)立的閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，包含內(nèi)冷卻系統(tǒng)、外冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。內(nèi)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為去離子水；外冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為軟化水并采用閉式冷卻塔裝置；控制系統(tǒng)一般處于自動(dòng)控制方式下，同時(shí)設(shè)置手動(dòng)控制方式。

1）內(nèi)冷卻系統(tǒng)

內(nèi)冷卻系統(tǒng)典型配置如圖1所示，關(guān)鍵設(shè)備包括主循環(huán)泵（兩臺(tái)）、離子交換系統(tǒng)、脫氣罐、膨脹罐、原水罐、加熱器和相關(guān)管道。

圖1 內(nèi)冷卻系統(tǒng)典型配置方案

正常工作時(shí)由其中一臺(tái)主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)冷卻水在管道中流動(dòng)，冷卻水經(jīng)過換流閥子模塊散熱器時(shí)吸收 IGBT、均壓電阻等器件的熱量[12]，升溫后的冷卻水流過外冷系統(tǒng)冷卻塔的換熱盤管道，而冷卻塔會(huì)通過噴淋、風(fēng)冷等方式對(duì)換熱盤管的表面進(jìn)行降溫，使冷卻水溫度降至目標(biāo)要求。電加熱裝置對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)償，防止進(jìn)入換流閥的溫度過低而導(dǎo)致的凝露現(xiàn)象。為了保證冷卻水具備極低的電導(dǎo)率，在主循環(huán)冷卻回路上并聯(lián)了離子交換系統(tǒng)，部分內(nèi)冷卻水將從主循環(huán)回路旁路進(jìn)入離子交換系統(tǒng)進(jìn)行去離子處理，去離子后的冷卻水其電導(dǎo)率將會(huì)降低并回流至主循環(huán)回路，內(nèi)冷卻水的電導(dǎo)率將會(huì)被控制在換流閥所需求的范圍之內(nèi)。膨脹罐保持系統(tǒng)恒壓，同時(shí)根據(jù)膨脹罐液位的高低將原水罐中的純水補(bǔ)充到內(nèi)冷卻系統(tǒng)。

2）外冷卻系統(tǒng)

內(nèi)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水的降溫是通過外冷卻系統(tǒng)的冷卻塔實(shí)現(xiàn)的，目前國內(nèi)柔直工程冷卻塔一般具有外部水噴淋和風(fēng)機(jī)空氣散熱兩種冷卻方式。外冷卻系統(tǒng)典型配置方案如圖2所示。建議配置3臺(tái)冷卻塔，每臺(tái)冷卻塔冷卻容量按照額定容量的一半進(jìn)行配置，總計(jì)可具有150%的冷卻容量。此外，外冷卻系統(tǒng)還包括噴淋水池、緩蝕阻詬系統(tǒng)、自濾系統(tǒng)、殺菌滅藻系統(tǒng)、軟化系統(tǒng)等。

圖2 外冷卻系統(tǒng)典型配置方案

在冷卻水溫度較低時(shí)，可只運(yùn)行一臺(tái)冷卻塔，隨著冷卻水溫度的上升，依次運(yùn)行其余兩臺(tái)冷卻塔。根據(jù)當(dāng)前冷卻水進(jìn)閥溫度與目標(biāo)溫度間偏差變化，進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出一模擬量信號(hào)給變頻器，變頻器根據(jù)此信號(hào)的增大/減小來升頻/降頻，控制風(fēng)機(jī)起停和轉(zhuǎn)速。而在設(shè)定冷卻水溫度范圍內(nèi)，噴淋裝置強(qiáng)制起動(dòng)，即使當(dāng)室外氣溫較低，風(fēng)機(jī)停運(yùn)后，噴淋泵仍單獨(dú)運(yùn)行，防止管道系統(tǒng)結(jié)凍。

噴淋水池將冷卻塔內(nèi)未蒸發(fā)的噴淋水回收并重復(fù)使用，可節(jié)約噴淋水的耗量及提高閥冷系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。補(bǔ)充水經(jīng)過碳濾器和軟化水系統(tǒng)后對(duì)噴淋水池進(jìn)行補(bǔ)水，同時(shí)自濾系統(tǒng)、殺菌滅藻系統(tǒng)和緩蝕阻詬系統(tǒng)可過濾水中雜質(zhì)、防止青苔等微生物滋生和降低鹽分濃度等。

3）控制系統(tǒng)

閥冷控制系統(tǒng)宜采用完全雙重化冗余設(shè)置，兩套閥冷控制系統(tǒng)交叉接入直流控制保護(hù)系統(tǒng)。每套閥冷控制系統(tǒng)均能處理所有類型的故障。正常情況下，雙重化配置的閥冷保護(hù)均處于工作狀態(tài)，兩套閥冷控制系統(tǒng)同時(shí)采樣、同時(shí)工作，但只有一套處于激活狀態(tài)。閥冷控制系統(tǒng)主從切換時(shí)，不會(huì)引起柔性直流輸電系統(tǒng)功率的波動(dòng)。允許短時(shí)退出其中一套閥冷控制系統(tǒng)，同時(shí)當(dāng)主控制系統(tǒng)保持在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，允許對(duì)從系統(tǒng)進(jìn)行維修和改進(jìn)。

閥冷控制系統(tǒng)與直流控制保護(hù)系統(tǒng)間采用開關(guān)量干接點(diǎn)、模擬量信號(hào)和Profibus報(bào)文3種方式進(jìn)行通信。如圖3所示，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的遠(yuǎn)程控制信號(hào)和閥冷系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)，通過開關(guān)量 I/O節(jié)點(diǎn)與直流控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行通信；對(duì)信息量較大的在線參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及閥冷系統(tǒng)報(bào)警信息報(bào)文，通過兩路 Profibus總線與直流控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行通信；環(huán)境溫度、閥廳溫度、冷卻水溫度等傳感器參數(shù)通過模擬量信號(hào)通道傳送至直流控制保護(hù)系統(tǒng)。

圖3 控制系統(tǒng)典型配置方案

閥冷系統(tǒng)溫度控制策略分為低溫段、高溫段兩種模式，由冷卻塔上不同頻率的冷卻風(fēng)扇、噴淋塔和電加熱器共同完成。

（1）低溫段。冬天室外環(huán)境溫度極低或冷卻水進(jìn)閥溫度下降至設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)電加熱器，防止冷卻水進(jìn)閥溫度過低導(dǎo)致沿程管路及被冷卻器件的損傷；冷卻水進(jìn)閥溫度下降至接近露點(diǎn)時(shí)，也需起動(dòng)電熱加器，防止換流閥散熱器或管路表面結(jié)露影響絕緣。

（2）高溫段。室外環(huán)境溫度較高或冷卻水進(jìn)閥溫度處于高溫段時(shí)，通過控制閉式噴淋塔臺(tái)數(shù)以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴淋泵起停共同實(shí)現(xiàn)精密控制冷卻系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水溫度的要求。如圖4所示，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前冷卻水進(jìn)閥溫度與目標(biāo)溫度間偏差變化進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出一模擬量信號(hào)給變頻器，變頻器根據(jù)此信號(hào)的增大/減小來升頻/降頻控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變系統(tǒng)散熱量，使冷卻水進(jìn)閥溫度逐漸逼近目標(biāo)溫度并最終穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近，達(dá)到準(zhǔn)確控制冷卻水進(jìn)閥溫度的目的。

圖4 溫度控制原理圖

2 柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法

2.1 內(nèi)冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法

內(nèi)冷卻系統(tǒng)調(diào)試主要包括離子交換系統(tǒng)調(diào)試、膨脹穩(wěn)壓系統(tǒng)調(diào)試、脫氣加熱系統(tǒng)調(diào)試和主回路調(diào)試等內(nèi)容。具體試驗(yàn)方法如下。

1）離子交換系統(tǒng)調(diào)試

第一步起動(dòng)補(bǔ)水泵對(duì)原水罐注水，沖洗離子交換器罐體，直至出水清澈；

第二步向離子交換器注入約1/3罐體高度純水；

第三步裝填樹脂至設(shè)計(jì)高度；

第四步?jīng)_洗樹脂直至水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）膨脹穩(wěn)壓系統(tǒng)調(diào)試

第一步將膨脹罐及管路用純水沖洗干凈；

第二步向罐內(nèi)注入約1/2的純水；

第三步向罐內(nèi)充入氮?dú)猓?/p>

第四步調(diào)節(jié)相關(guān)閥門，使內(nèi)冷系統(tǒng)達(dá)到恒壓。

3）脫氣加熱系統(tǒng)調(diào)試

第一步將脫氣罐及管路用純水沖洗干凈；

第二步向罐內(nèi)注入純水；

第三步起動(dòng)電加熱器；

第四步調(diào)節(jié)相關(guān)閥門，使出水溫度達(dá)到要求。

4）主回路調(diào)試

第一步將脫氣罐注水至高位；

第二步投入內(nèi)冷回路與換流閥組回路；

第三步打開主循環(huán)泵進(jìn)、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動(dòng)主循環(huán)泵；

第四步調(diào)整系統(tǒng)流量達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范書要求。

2.2 外冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法

外冷卻系統(tǒng)調(diào)試主要包括噴淋冷卻系統(tǒng)調(diào)試、自濾系統(tǒng)調(diào)試、殺菌滅藻系統(tǒng)調(diào)試和緩蝕阻詬系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容，具體試驗(yàn)方法如下：

1）噴淋冷卻系統(tǒng)調(diào)試

第一步將噴淋水池注水至高位；

第二步開啟閉式冷卻塔；

第三步打開噴淋泵進(jìn)、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動(dòng)噴淋泵；

第四步調(diào)整噴淋水流量達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范書要求。

2）自濾系統(tǒng)調(diào)試

第一步將砂濾罐體及管路用軟化水沖洗干凈；

第二步按設(shè)計(jì)要求裝填濾料至設(shè)計(jì)高度；

第三步?jīng)_洗砂濾過濾器至出水水質(zhì)達(dá)到要求。

3）殺菌滅藻系統(tǒng)調(diào)試

第一步對(duì)管道和溶藥箱進(jìn)行沖洗；

第二步向溶藥箱中配制約 2/3液位的殺菌滅藻劑，打開計(jì)量泵進(jìn)、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動(dòng)計(jì)量泵向外循環(huán)系統(tǒng)添加殺菌滅藻劑；

第三步根據(jù)外循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水情況及化驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整加藥量。

4）緩蝕阻詬系統(tǒng)調(diào)試

第一步用軟化水對(duì)管道和溶藥箱進(jìn)行沖洗；

第二步向溶藥箱中配制約 2/3液位的緩蝕阻垢劑，打開計(jì)量泵進(jìn)、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動(dòng)計(jì)量泵向外循環(huán)系統(tǒng)添加緩蝕阻垢劑；

第三步根據(jù)外循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水情況及化驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整加藥量。

2.3 控制系統(tǒng)調(diào)試方法

閥冷控制系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容主要包括關(guān)鍵控制指令執(zhí)行、控制邏輯驗(yàn)證、故障后動(dòng)作情況和溫度控制邏輯等，具體調(diào)試內(nèi)容和相關(guān)功能正常的判斷依據(jù)見表1。

表1 控制系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容與判斷依據(jù)

3 結(jié)論

本文首先提出柔性直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)的配置方案，包括內(nèi)冷卻系統(tǒng)、外冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的典型配置方案。然后提出冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法，包括離子交換系統(tǒng)調(diào)試、主回路調(diào)試、噴淋冷卻系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容，最后提出了閥冷控制系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了控制指令執(zhí)行、邏輯驗(yàn)證和故障保護(hù)情況。本文提出的換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案、內(nèi)外冷系統(tǒng)調(diào)試方法和控制系統(tǒng)構(gòu)架；可為柔性直流輸電工程參數(shù)設(shè)計(jì)和運(yùn)維調(diào)試提供參考。

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