高壓直流換流器解鎖啟動原理及工程驗(yàn)證

李志平，洪潮，靳鞏磊，劉濤,關(guān)紅兵

(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；2. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 廣州510663；3. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000)

0 前言

高壓直流輸電系統(tǒng)換流器工作狀態(tài)可以分為電流連續(xù)和不連續(xù)2種。當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)傳輸功率時(shí)，換流器處于連續(xù)電流的工作狀態(tài)。目前大量有關(guān)直流輸電的專業(yè)技術(shù)研究工作基本上都是針對這種狀態(tài)[1-4]。電流不連續(xù)也是一種常見和基本的運(yùn)行工況，卻不為技術(shù)人員關(guān)注和熟悉。換流器電流不連續(xù)工況包含單閥和多閥間歇性觸發(fā)導(dǎo)通的暫態(tài)過程，目前相關(guān)文獻(xiàn)較少。在直流輸電系統(tǒng)的解鎖啟動初期，整流側(cè)觸發(fā)角較大時(shí)，單閥觸發(fā)對RC回路電容充電結(jié)束后截止，這是電流不連續(xù)工況比較常見的典型例子。其過程短暫但卻是實(shí)現(xiàn)直流輸電功能所必須的過程，直流線路電壓泄放[5]和開路電壓試驗(yàn)[6-7]等都會出現(xiàn)這種過程。為了完整分析單閥觸發(fā)的暫態(tài)過程，本文將在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上考慮回路電感，對單閥觸發(fā)的暫態(tài)過程進(jìn)行分析。

高壓直流輸電系統(tǒng)的解鎖啟動是一種典型的電流不連續(xù)工況，過程復(fù)雜，涉及控制方式、換流閥的通斷狀態(tài)和整個(gè)電路的電氣量的變化。目前未見公開文獻(xiàn)解釋這個(gè)問題。隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，晶閘管換流器有了多樣化的應(yīng)用方式，除了標(biāo)準(zhǔn)的長距離輸電之外，出現(xiàn)了背靠背、三端直流以及混合直流輸電，相應(yīng)地出現(xiàn)各種獨(dú)特的解鎖啟動方式，所以有必要對解鎖啟動原理進(jìn)行研究。

本文結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)備參數(shù)，運(yùn)用電路理論和電力電子技術(shù)[9-10]，并考慮閥控的補(bǔ)脈沖功能，采用二階電路[11]對換流器形成全橋?qū)ǖ臅簯B(tài)過程進(jìn)行研究。最后以實(shí)際工程調(diào)試時(shí)解鎖換流器得到的電氣量錄波數(shù)據(jù)來驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性。

1 概述

高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖啟動的控制過程如下：逆變側(cè)先以150 °的大觸發(fā)角發(fā)出脈沖后，觸發(fā)角相對固定不變，接著整流側(cè)以小于150 °的大觸發(fā)角發(fā)脈沖，然后逐步移相減小觸發(fā)角。經(jīng)過約700 ms即35個(gè)工頻周波的時(shí)間由閉鎖狀態(tài)進(jìn)入傳輸功率狀態(tài)。該控制過程復(fù)雜，簡述如下。

高壓直流輸電系統(tǒng)的晶閘管采用的觸發(fā)控制方式為窄脈沖等間隔觸發(fā)。解鎖期間控制的一個(gè)重要特點(diǎn)是配置有補(bǔ)脈沖功能：控制系統(tǒng)發(fā)送給閥控裝置的觸發(fā)命令的有效時(shí)間相當(dāng)于工頻120 °對應(yīng)的時(shí)間即6.66 ms，稱為閥的觸發(fā)窗口時(shí)間，閥控命令的有效時(shí)間內(nèi)稱閥處于時(shí)間窗口內(nèi)。如果閥導(dǎo)通后出現(xiàn)截止，之后再檢測到閥有正向偏置電壓，則給閥補(bǔ)發(fā)觸發(fā)脈沖。解鎖啟動后的任何時(shí)刻，12脈動換流器有4個(gè)閥處于時(shí)間窗口內(nèi)。

閥的偏置電壓即其并聯(lián)的RC回路的電容電壓[14-15]，是高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖啟動的研究對象。閥的偏置電壓由2部分組成：交流電源提供的電壓，以及單閥觸發(fā)導(dǎo)通后系統(tǒng)電源對不導(dǎo)通閥組件的RC回路電容充電電壓。換流器處于電流不連續(xù)狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)出交直流混合電路的特征，可用電路理論的疊加原理分析。

在高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖啟動的初期，整流側(cè)觸發(fā)角逐步減小，單閥觸發(fā)導(dǎo)通對截止閥的RC回路電容充電，處于時(shí)間窗口內(nèi)的截止閥的RC回路電容獲得充電電壓，增加了正向偏置電壓。當(dāng)觸發(fā)角較大時(shí)，觸發(fā)時(shí)刻閥連接的交流相電壓瞬時(shí)值較小，無法使時(shí)間窗口內(nèi)的其他閥產(chǎn)生正向偏置電壓，不產(chǎn)生補(bǔ)脈沖，單閥觸發(fā)對RC回路電容充電結(jié)束后截止，換流器處于單閥間歇導(dǎo)通的工作狀態(tài)。RC回路電容獲得的充電電壓不經(jīng)截止的閥放電，此階段直流電壓上升緩慢，逆變側(cè)處于截止高阻狀態(tài)。

高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖啟動的中后期，觸發(fā)角逐步減小，觸發(fā)時(shí)刻閥連接的交流相電壓瞬時(shí)值增加，被觸發(fā)導(dǎo)通后對截止閥的RC回路充電電壓增加了，從而時(shí)間窗口內(nèi)的閥有正向偏置電壓，能夠產(chǎn)生補(bǔ)脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。如果12脈動換流器在時(shí)間窗口內(nèi)的4個(gè)閥全部補(bǔ)脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，則稱為4個(gè)閥全橋?qū)?，這時(shí)系統(tǒng)電源電壓經(jīng)導(dǎo)通的換流器加到直流出口端。此階段直流電壓上升較快。如果四閥導(dǎo)通能夠延續(xù)到下一次觸發(fā)的閥換相，則產(chǎn)生連續(xù)電流，否則為四閥間歇性導(dǎo)通。解鎖啟動過程中整流側(cè)換流器起建立直流電壓的主導(dǎo)作用，整個(gè)過程大部分時(shí)間觸發(fā)角較大，這點(diǎn)是換流器電流不連續(xù)和連續(xù)的差異，也是本文重點(diǎn)探討的狀態(tài)。

可見高壓直流輸電系統(tǒng)的解鎖啟動過程由換流器單閥間歇性導(dǎo)通、全橋間歇性導(dǎo)通和形成連續(xù)電流3個(gè)階段組成。全橋間歇性導(dǎo)通階段又由全橋?qū)ㄐ纬伞⒀永m(xù)和截止3個(gè)分階段組成。在控制作用下?lián)Q流器出現(xiàn)全橋?qū)ㄊ顷P(guān)鍵。全橋?qū)ㄐ纬傻倪^程中，當(dāng)前新進(jìn)入時(shí)間窗口內(nèi)的閥觸發(fā)導(dǎo)通，對截止閥的RC回路充電，在一定條件下使時(shí)間窗口內(nèi)的其他閥出現(xiàn)正向偏置電壓，會產(chǎn)生補(bǔ)脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。本文在文獻(xiàn)[8]結(jié)論的基礎(chǔ)上，將此暫態(tài)過程近似為二階RLC電路的響應(yīng)，尋找時(shí)間窗口內(nèi)的閥偏置電壓變化的規(guī)律，并求取換流器出現(xiàn)全橋?qū)ǖ臈l件。

高壓直流輸電系統(tǒng)的解鎖啟動是整流側(cè)換流器和逆變側(cè)換流器相互作用的過程，解鎖啟動的中后期，整流側(cè)換流器形成全橋?qū)?。解鎖啟動過程中整流側(cè)換流器起建立直流電壓的主導(dǎo)作用。直流電壓大于逆變側(cè)換流器的平均電壓時(shí)逆變側(cè)形成連續(xù)電流，起到鉗制直流電壓的作用，這樣又有利于整流側(cè)換流器出現(xiàn)全橋?qū)懊}動電流的延續(xù)，起到維持直流電壓的作用。整流側(cè)換流器全橋?qū)óa(chǎn)生的脈動電流延續(xù)到逆變側(cè)的下一次閥觸發(fā)循環(huán)，逆變側(cè)換流器可能會出現(xiàn)全導(dǎo)通，則兩側(cè)會出現(xiàn)導(dǎo)通重疊，這樣相互作用使解鎖啟動獲得成功。

本文分析時(shí)只考慮基本的因數(shù)，忽略換流變壓器閥側(cè)對地雜散電容、直流均壓電阻、截止晶閘管的漏電流等。假定三相交流電源平衡，各閥的緩沖RC回路的參數(shù)完全相同。此階段流過閥的電流值較小，可以認(rèn)為晶閘管是理想的開關(guān)。

2 換流器形成全橋?qū)ㄟ^程分析

全橋?qū)ㄐ纬芍皳Q流器所有閥均為截止?fàn)顟B(tài)，全橋?qū)ㄐ纬蛇^程中，控制系統(tǒng)僅給當(dāng)前進(jìn)入時(shí)間窗口的閥發(fā)觸發(fā)脈沖，引發(fā)單閥導(dǎo)通對截止閥的RC回路充電，使時(shí)間窗口內(nèi)的其他閥出現(xiàn)正向偏置電壓而產(chǎn)生補(bǔ)脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。以下用二階RLC電路的暫態(tài)響應(yīng)的算法對換流器單閥導(dǎo)通過程進(jìn)行分析。

2.1 時(shí)間窗口內(nèi)閥的偏置電壓

高壓直流輸電系統(tǒng)在傳輸功率運(yùn)行時(shí)整流側(cè)以最小觸發(fā)角方式保證閥的正向偏置電壓，逆變側(cè)的閥比整流側(cè)有更大正向偏置電壓。換流器電流不連續(xù)工況下處于時(shí)間窗口內(nèi)的閥的偏置電壓由兩部分組成，1)交流電源提供的電壓，對共陰極的閥即為所連接的交流電源的相電壓，而共陽極的閥為交流電源的相電壓負(fù)值；2)單閥觸發(fā)導(dǎo)通后系統(tǒng)電源連接外部電路對不導(dǎo)通閥組件的相關(guān)RC回路電容充電電壓。前者為交流分量電壓隨交流電源而變化，稱為閥關(guān)聯(lián)的窗口電壓。后者為直流分量電壓，因其他閥的觸發(fā)導(dǎo)通而產(chǎn)生，可將相關(guān)電路近似為二階RLC電路暫態(tài)過程進(jìn)行分析計(jì)算。所以時(shí)間窗口內(nèi)閥的偏置電壓為交、直流分量電壓疊加，當(dāng)有正向偏置電壓時(shí)則給閥補(bǔ)發(fā)觸發(fā)脈沖。當(dāng)前被觸發(fā)閥的電流延續(xù)時(shí)間內(nèi)有后閥補(bǔ)脈沖導(dǎo)通即出現(xiàn)兩閥觸發(fā)導(dǎo)通，類似出現(xiàn)3閥觸發(fā)導(dǎo)通，對12脈動換流器出現(xiàn)4閥觸發(fā)導(dǎo)通即為全橋?qū)ā?/p>

這里提出“半橋”直流分量電壓的概念，每“半橋”三閥的其中一端直接相連，另一端所連接的交流電源回路的直流電阻很小，將閥的偏置電分解為直流分量電壓和交流分量電壓后，認(rèn)為每“半橋”三閥偏置電壓的直流分量相等。

2.2 二階RLC電路響應(yīng)的一種簡明解法[11]

二階串聯(lián)RLC電路如圖1所示。圖中US為直流激勵(lì)電壓源；uC為電容電壓，設(shè)UC0為電容的初始電壓。

圖1 二階串聯(lián)RLC電路圖Fig.1 Diagram of second order series RLC circuit

二階串聯(lián)RLC電路的零輸入響應(yīng)的微分方程為：

(1)

(2)

(3)

-UN=-UC0e-δtN

(4)

(5)

由于直流激勵(lì)全響應(yīng)的性質(zhì)類似，響應(yīng)結(jié)果為：

(6)

上述反向峰值電壓即為過沖峰值電壓。響應(yīng)電流的求解類似。

2.3 500 kV高壓直流工程單閥觸發(fā)的計(jì)算

用上述二階RLC電路響應(yīng)的簡明算法，對±500 kV高壓直流輸電工程單閥觸發(fā)的暫態(tài)過程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，以了解由此引起的時(shí)間窗口內(nèi)閥的偏置電壓變化。12脈動換流器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。以閥1觸發(fā)導(dǎo)通來分析其電流通路系統(tǒng)電源A相經(jīng)過閥1接平波電抗器LV又接直流濾波器到直流中性點(diǎn)側(cè)，經(jīng)過不導(dǎo)通的3個(gè)“半橋”的緩沖RC回路和閥電抗器LE返回系統(tǒng)電源，閥1觸發(fā)導(dǎo)通圖如圖2(b)所示。因?yàn)殡娐泛袉蜗驅(qū)ǖ木чl管元件，其過程僅延續(xù)半個(gè)振蕩周期，電流過0后閥截止即結(jié)束。該暫態(tài)過程可近似為二階RLC電路的響應(yīng)。對于單閥觸發(fā)工況可將直流濾波器視為恒定的電容電壓。因?yàn)?個(gè)“半橋”由3個(gè)單閥并聯(lián)，3個(gè)“半橋”串聯(lián)的RLC回路等效為1個(gè)換流閥截止時(shí)的RLC電路。

圖2 12脈動換流器結(jié)構(gòu)及單閥觸發(fā)等效圖Fig.2 Structure of a 12-pulse converer and its equivalent circuit of single valve triggered

結(jié)合設(shè)備參數(shù)推算出二階RLC電路的參數(shù)，計(jì)算分析直流激勵(lì)下的零狀態(tài)響應(yīng)。換流變壓器設(shè)備參數(shù)如下，容量3Sφ=3×317.6 MVA；閥側(cè)電壓E=210.5 kV,短路電抗UK=16.5%。每個(gè)閥由6個(gè)閥段組成，每個(gè)閥段有13個(gè)晶閘管和組件，所以每個(gè)閥有78個(gè)晶閘管，參數(shù)如下：a)閥電抗器綜合電感LV=9.6 mH；b)晶閘管級(每個(gè)閥段13個(gè))：阻尼電阻RB=(36±3%) Ω，阻尼電容CB=(1.4±5%)μF，晶閘管電壓監(jiān)測板(thristor voltage monitor，TVM)的均壓電阻RDC=(500±2%) kΩ。在上述設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)之上，忽略均壓電阻和均壓電容等一些次要的因素，得出晶閘管截止時(shí)換流閥電路為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路。

其參數(shù)為：RV=78×RB=2 808 Ω，CV=CB/78=18.0 nF，LV=9.6 mH。直流場的平波電抗器的電感為300 mH，關(guān)于直流濾波器，其電抗只考慮L1，電感為14.5 mH。

2.4 換流器全橋?qū)ㄟ^程討論

以上為單閥觸發(fā)過程發(fā)展到指定狀態(tài)的推導(dǎo)。實(shí)際上，當(dāng)檢測到時(shí)間窗口內(nèi)閥出現(xiàn)正向偏置電壓20 μs后，控制系統(tǒng)發(fā)出補(bǔ)脈沖，進(jìn)一步對未開通的窗口閥的偏置電壓產(chǎn)生影響，加速形成全橋?qū)?。本例是假定整流?cè)換流器以初始觸發(fā)角85 °開始移相，即此刻換流器出口直流電壓為0，做直流激勵(lì)下的零狀態(tài)響應(yīng)分析計(jì)算，表明會形成全橋?qū)ā?/p>

3 實(shí)際工程的解鎖啟動過程

直流輸電系統(tǒng)的解鎖啟動過程中，整流側(cè)換流器經(jīng)歷單閥間歇導(dǎo)通、間歇性全橋?qū)ê托纬蛇B續(xù)電流3個(gè)階段，承擔(dān)建立直流電壓任務(wù)。此過程的大部分時(shí)間內(nèi)逆變側(cè)處于單閥觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，末期出現(xiàn)間歇性全橋?qū)ê托纬蛇B續(xù)電流階段。以某±500 kV高壓直流輸電項(xiàng)目為例，其整流側(cè)換流器解鎖啟動過程錄波如圖3所示。錄波的位置在整流站。由于極2單極運(yùn)行，因此解鎖極1時(shí)其感應(yīng)電壓為負(fù)。

圖3 整流側(cè)換流器解鎖啟動過程錄波圖 Fig.3 Recorded waves of deblocking and starting process of converter at rectifier side

圖4為整流側(cè)換流器處于間歇性導(dǎo)通階段的錄波圖，可見較大的正向脈動電流是換流器向線路充電的電流，較小的反向電流是閥截止之后直流線路電容向閥RC回路反向充電的電流。表面上看只是兩個(gè)過程，實(shí)際上還包含著整流側(cè)換流器形成間歇性全橋?qū)ǖ年P(guān)鍵過程，本節(jié)針對此進(jìn)行分析。

圖4 整流側(cè)換流器間歇性導(dǎo)通的錄波圖Fig.4 Recorded waves of intermittent conduction of converter at rectifier side

脈動電流是12脈動換流器全橋?qū)ê筝敵龅南陆笛毓ゎl脈動電壓向直流端外電路充電的電流。外電路為直流線路，連接高阻狀態(tài)的逆變側(cè)換流器，其固有振蕩周期為15～20 ms。外加直流電壓激勵(lì)時(shí)充電電流的脈沖寬度等于振蕩半周期，但下降沿的工頻正弦交流電壓源激下電流脈沖寬度約為1.33 ms。脈動電流過0后各窗口閥截止。本節(jié)設(shè)整流閥RC回路直流電壓分量參考方向是連接晶閘管的陰極端為正，陽極為負(fù)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的結(jié)論，閥截止后各“半橋”的直流分量等于截止時(shí)刻的交流窗口相電壓瞬時(shí)值，可由1.33 ms對應(yīng)的工頻24 °電角度代入2.1節(jié)的窗口閥的交流電壓分量公式計(jì)算。閥截止后直流外電路向整流閥RC回路電容反充電，也可用上述2.2節(jié)二階RLC電路響應(yīng)的簡明方法計(jì)算，有一定的過沖峰值電壓。由于外接電容的容量為單閥RC回路電容的容量60倍以上，反向充電之后直流電壓不會改變，各半橋獲得直流電壓增量，因此，當(dāng)直流分量為正則起到減少閥偏置電壓的作用。因?yàn)榇翱陂y的交流分量是下降沿的工頻正弦波，所以閥截止后交/直流分量疊加后，閥不出現(xiàn)正向偏置電壓的情況，到下個(gè)觸發(fā)前換流器將一直處于截止?fàn)顟B(tài)。

表1 整流側(cè)解鎖時(shí)電氣量變化表Tab.1 Variation table of electric quantities when rectifier side deblocking

4 特高壓第二個(gè)閥組的解鎖

該過程是在1個(gè)12脈動閥組處于運(yùn)行狀態(tài)下投入同一極的第2個(gè)閥組[12-13]。對第2個(gè)閥組在出口短路狀態(tài)下進(jìn)行解鎖，運(yùn)用上述結(jié)論分析直流電流的變化過程。

首先在12脈動閥組閉鎖時(shí)發(fā)出跳開旁路開關(guān)的指令，隨后高速旁路開關(guān)觸點(diǎn)開始分離，此時(shí)同極另一閥組的直流電流仍然流經(jīng)旁路開關(guān)形成回路。設(shè)定旁路開關(guān)分閘過程末期釋放觸發(fā)脈沖信號，并將觸發(fā)角限制在70 °約5 ms，強(qiáng)迫直流電流從旁路開關(guān)全部轉(zhuǎn)移到換流閥。

換流變壓器容量3Sφ=3×248.6 MVA,閥側(cè)電壓E=170.5 kV，短路電抗UK=16.5%。1個(gè)閥由4個(gè)閥段組成，每個(gè)閥段有15個(gè)晶閘管和組件，所以每個(gè)閥有60個(gè)晶閘管。晶閘管級：阻尼電阻RB=(36±3%)Ω，阻尼電容CB=(1.6±5%)μF。換流閥組件為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路，其參數(shù)為：RV=60×RB=2 160 Ω，CV=CB/60=26.6 nF，LV=6.4 mH。

5 結(jié)論

12脈動換流器解鎖過程由單閥間歇性導(dǎo)通、四閥間歇性全橋?qū)ê瓦B續(xù)電流出現(xiàn)3個(gè)階段組成。本文采用二階電路的暫態(tài)響應(yīng)的方法，考察控制時(shí)間窗口內(nèi)閥的偏置電壓變化，對換流器的全橋?qū)ㄐ纬傻臅簯B(tài)過程進(jìn)行研究。得到了換流器出現(xiàn)全橋?qū)ǖ呐袛鄺l件：時(shí)間窗口內(nèi)4個(gè)閥的交流相電壓之和大于換流器出口直流電壓，依據(jù)這個(gè)判據(jù)出口短路時(shí)觸發(fā)角為105 °是出現(xiàn)4閥全橋?qū)ǖ呐R界條件。同時(shí)給出了12脈動換流器輸出脈動電壓的表達(dá)式。分析表明在實(shí)際工程的設(shè)備參數(shù)設(shè)置和控制方式下，解鎖過程中全橋?qū)ǖ靡孕纬伞?/p>

解鎖過程中單閥觸發(fā)情況下的電流通路是經(jīng)過未觸發(fā)閥的RC回路形成，響應(yīng)電流為振蕩形式。而全橋?qū)ǖ臅簯B(tài)過程相當(dāng)于工頻激勵(lì)合閘于直流出口端電路的過程。每次全橋?qū)óa(chǎn)生脈動充電電流使直流電壓上升。直流輸電系統(tǒng)的解鎖啟動末期是形成連續(xù)電流的關(guān)鍵。此時(shí)整流側(cè)觸發(fā)角小于30 °，直流電壓大于逆變側(cè)換流器的平均電壓形成連續(xù)電流導(dǎo)通，起到鉗制直流電壓的作用。解鎖末期整流側(cè)輸出脈動電壓變平緩更接近直流，充電電流延續(xù)時(shí)間更長，整流側(cè)導(dǎo)通延續(xù)到下次觸發(fā)實(shí)現(xiàn)換相，直流輸電系統(tǒng)獲得解鎖成功。

運(yùn)用推導(dǎo)的結(jié)論分析了一個(gè)高壓直流輸電工程解鎖時(shí)的錄波圖，較好地解釋了直流電壓電流的變化過程，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。類似對特高壓解鎖第二個(gè)閥組時(shí)的電氣量變化分析，指出觸發(fā)角取80 °比70 °更優(yōu)。