特高壓直流輸電換流閥控制系統(tǒng)應用

丁 廈，陳 飛，高 煒，楊韋國

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

上海廟—山東±800 kV特高壓直流輸電工程起于內蒙古鄂爾多斯上海廟換流站，止于山東省臨沂市沂南縣沂南換流站，線路長度為1230.4 km，與錫盟—泰州合為國內第一批特高壓±800 kV，6 250 A，10 000 MW受端分層接入直流輸電工程。與交流輸電系統(tǒng)相比，高壓直流輸電系統(tǒng)具有長距離、大容量、損耗小等優(yōu)點［1］。該工程是國家關于大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道之一，對推動清潔發(fā)展、加快結構調整、拉動經濟增長具有重大作用。

換流閥作為直流輸電工程的關鍵設備，能實現(xiàn)交流電向直流電的轉換或由直流電向交流電的轉換，是直流輸電工程的“心臟”［2-3］。 ±800 kV 特高壓沂南換流站極Ⅱ采用的是PCS-8600換流閥，該換流閥在國內外直流工程中尚屬首次進行成套應用。

1 閥控系統(tǒng)

PCS-8600換流閥控制系統(tǒng)主要由3部分構成：1）控制主機，即CCP，負責換流器觸發(fā)控制，為每一個單閥生成CP脈沖；2）閥控單元，即VCU，產生FP脈沖并分配到每個晶閘管，同時監(jiān)視每一個晶閘管工作狀態(tài)，1個閥控單元主機負責2個單閥；3）晶閘管控制單元，即TCU，為每一片晶閘管生成門極脈沖GP，監(jiān)視晶閘管狀態(tài)并通過回報脈沖IP發(fā)送給VCU。

閥控系統(tǒng)總體結構如圖1所示。VCU接收CCP發(fā)出的并行控制脈沖，實時地向CCP提供閥的運行狀態(tài)。VCU實時接收CCP下發(fā)的觸發(fā)命令，編碼后發(fā)送給TCU；TCU根據接收到的觸發(fā)命令完成對本級晶閘管觸發(fā)；VCU接收TCU返回的監(jiān)視信息。若換流閥出現(xiàn)異常，VCU將采取相應的報警、請求跳閘等措施；若VCU出現(xiàn)異常，VCU發(fā)送報警、VCU not ok等信息。

圖1 閥控系統(tǒng)總體結構

2 閥控單元與晶閘管控制單元

2.1 閥控單元（VCU）

閥控單元屏柜布置如圖2所示，閥控單元由3面閥控柜和1面閥控接口柜組成。其中每面閥控柜包含2臺PCS-9586閥控制單元（每臺裝置包含A，B系統(tǒng)），分別對應同一相的2個橋臂（如YYA與YDA）。閥控接口柜包含1臺PCS-9587閥漏水及避雷器監(jiān)視裝置、2臺PCS-9519 VCU接口單元（A，B系統(tǒng)各配置1臺）以及2臺PCS-9882交換機（A，B系統(tǒng)各配置1臺）。

圖2 閥控單元屏柜布置

6臺PCS-9586和1臺PCS-9587的A系統(tǒng)與1臺PCS-9882相連，B系統(tǒng)與另1臺交換機相連，每個系統(tǒng)分別于監(jiān)控系統(tǒng)A，B網相連，采用IEC-61850協(xié)議傳輸。A，B系統(tǒng)冗余配置，完全獨立運行，在值班系統(tǒng)故障時，備用系統(tǒng)可升為值班系統(tǒng)繼續(xù)運行，提高系統(tǒng)運行的可靠性，當單個處理器板或電源板出現(xiàn)故障時，支持更換且不影響系統(tǒng)正常運行。

PCS-9586閥控制單元。每12脈動閥組由3面閥控柜和1面閥控接口柜來控制和監(jiān)視。3面閥控柜分別對應 12脈動的 A，B，C 相。以 VCA（VCU1）為例，其包含2臺PCS-9586閥控制單元，其中上面的PCS-9586主機控制的是YYA的2個單閥，下面的主機控制的是YDA的2個單閥，即每面閥控柜控制4個單閥。

PCS-9519VCU接口單元。每面閥控接口柜內包括2個PCS-9519VCU接口單元，1臺機箱為1個系統(tǒng)，共A和B 2個系統(tǒng)，冗余配置，用于實現(xiàn)接口信號的轉發(fā)功能。

PCS-9587閥監(jiān)測單元。PCS-9587裝置是監(jiān)控后臺與漏水檢測單元、避雷器計數(shù)器之間的中間橋梁，匯總各漏水檢測單元、避雷器計數(shù)器動作情況后上送后臺。每12脈動閥組配1臺PCS-9587裝置，裝置中分A，B系統(tǒng)冗余配置。

2.2 晶閘管控制單元（TCU）

晶閘管控制單元（TCU）作為晶閘管的觸發(fā)、監(jiān)測及保護的關鍵部件，從晶閘管級取得工作所需要的能量，主要實現(xiàn)正常觸發(fā)和監(jiān)測晶閘管、過電壓保護觸發(fā)、恢復期保護等功能。

TCU正常觸發(fā)和監(jiān)視。TCU正常觸發(fā)邏輯如圖3所示。在TCU檢查到晶閘管兩端的正電壓大于30 V時，向VCU發(fā)出IP指示。VCU將同一閥的晶閘管發(fā)出的IP信號相或，生成“OR”信號。CP與OR信號相與，生成FP通過發(fā)光二極管發(fā)給TCU。TCU收到FP光信號后，觸發(fā)晶閘管。

補脈沖觸發(fā)如圖4所示，在CP仍然存在的情況下，若TCU在觸發(fā)后仍有IP回報，則VCU需要補發(fā)脈沖給 TCU。 0～10 μs內 IP 再次滿足時，在 10 μs時刻補發(fā) FP （對應 1 號 IP／FP）；10～100 μs內 IP 再次滿足時，立刻補發(fā) FP（對應 2 號 IP／FP）；100 μs后收到IP再次滿足時，延時 20 μs補發(fā)FP（對應3號IP／FP）。

圖3 正常觸發(fā)邏輯

圖4 補脈沖邏輯

TCU過電壓保護（VBO）。某些原因下，如果某晶閘管未收到來自VCU的FP，而其他晶閘管收到FP并觸發(fā)后，此晶閘管就要承受高電壓。為了防止晶閘管損壞，當電壓升到設定門檻值6.8 kV時，TCU板卡內部發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)晶閘管。

TCU恢復期保護。在晶閘管反向恢復期間，不能承受過高的dV／dt，因此在TCU上要通過電路實現(xiàn)反向恢復期間保護，當在反向恢復期的900 μs內檢測到電壓超過1 300 V時，TCU發(fā)送脈沖觸發(fā)晶閘管導通［4］?；謴推诒Ｗo如圖5所示。

圖5 恢復期保護

TCU可變脈沖寬度檢測。采用可變脈沖寬度區(qū)分保護性觸發(fā)與正常觸發(fā)，提高晶閘管檢測可靠性。如圖6所示，緊急保護觸發(fā)該晶閘管時，TCU發(fā)送一定寬度的回報信號（15～50 μs）給光口板，表明該晶閘管發(fā)生保護性觸發(fā)。而正常觸發(fā)時，回報信號IP寬度為 2～15 μs。

圖6 TCU可變脈沖寬度檢測

3 VCU與換流閥控制系統(tǒng)信號接口

VCU采用雙冗余配置的方案，VCU與CCP系統(tǒng)之間采用“一對一”連接，正常運行中采用“一主一從”的方式。處于主用（ACTIVE）狀態(tài)的CCP和VCU系統(tǒng)實際負責換流閥的控制并出口閉鎖指令，處于備用（SDANDBY）狀態(tài)的CCP和VCU系統(tǒng)除非不可用，否則必須處于熱備用狀態(tài)，即除不發(fā)送觸發(fā)脈沖至閥塔外，其他觸發(fā)脈沖產生、回報脈沖產生、保護、報警、閉鎖、監(jiān)視、事件等功能同主用系統(tǒng)相同［5］。處于備用狀態(tài)的VCU檢測到閉鎖信號 （VCU_Trip）要輸出至CCP，但相應的CCP不得輸出。主系統(tǒng)故障，自動切換至備用系統(tǒng)。VCU產生的事件、報警信息等通過現(xiàn)場總線直接發(fā)送運行人員工作站（OWS）。VCU與CCP系統(tǒng)之間的所有開關量信號均采用光調制信號，VCU通過Profibus總線向事件服務器（SCADA系統(tǒng)）提供閥控系統(tǒng)相關事件信息。VCU與CCP之間傳遞的接口信息如表1所示。

表1 VCU接口信息

4 結語

昭沂直流輸電工程于2018年10月14日開始系統(tǒng)聯(lián)調，調試結束后投入運行。沂南換流站換流閥系統(tǒng)已經通過帶負荷驗證，本文通過對沂南站極II換流閥控制系統(tǒng)的介紹，分析了閥控系統(tǒng)的典型組成、結構以及保護配置。對閥控單元與換流器控制系統(tǒng)之間交換的信號進行了介紹，為今后換流閥系統(tǒng)的運行維護提供參考。