特高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用

陳奇

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的飛速發(fā)展，輸電線路的電壓等級(jí)也從低壓輸電發(fā)展到目前的超高壓輸電，特高壓直流輸電是指直流 1000kV 及以上電壓等級(jí)的輸電技術(shù)，與常規(guī) 500kV 直流輸電相比，1000kV 直流輸電線路自然輸送功率為 4～5 倍，輸電距離為 2～3 倍，輸送相同容量時(shí)的損耗只有 1/3～ 1/4、走廊寬度只有 1/2～1/3，具有大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗、省占地的突出優(yōu)勢(shì)。在研究中應(yīng)用最為廣泛。

關(guān)鍵詞：特高壓直流輸電;關(guān)鍵技術(shù);成套設(shè)備;工程應(yīng)用

1陽極電抗器的作用分析

a）限制晶閘管開通瞬間的電流上升率。換流閥開通暫態(tài)過程中，晶閘管的導(dǎo)通開始于門極附近，導(dǎo)通面積需要一定時(shí)間逐漸擴(kuò)展。如果在晶閘管導(dǎo)通面積還沒擴(kuò)散情況下流過相當(dāng)大的電流，由此造成的晶閘管局部溫度升高可能導(dǎo)致器件損壞。因此在換流閥開通瞬間為了保護(hù)晶閘管，配置陽極電抗器抑制電流快速上升。通常要求飽和前時(shí)間大于2μs，飽和前di/dt小于300 A/μs，飽和后di/dt小于2 700 A/μs。

b）限制晶閘管關(guān)斷瞬間的電流變化率。換流閥在關(guān)斷過程中，由于電荷具有存儲(chǔ)效應(yīng)，晶閘管電流在正向過零后不會(huì)立即恢復(fù)阻斷，而是繼續(xù)有反向電流流過。如果反向恢復(fù)電流di/dt過大，晶閘管存儲(chǔ)的電荷較多，導(dǎo)致關(guān)斷期間的反向過電壓過高。因此，陽極電抗器在一定程度上能夠降低晶閘管的反向恢復(fù)期的過電壓。當(dāng)然，反向恢復(fù)期的過電壓限制主要是靠阻尼回路起作用。

2換流閥寬頻建模設(shè)計(jì)

以某高壓直流工程±500kV換流閥MVU為例，建立換流閥的寬頻等效電路模型。鑒于換流閥復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)，本文先對(duì)閥段結(jié)構(gòu)的晶閘管、陽極飽和電抗器、阻容吸收回路、沖擊電容等元器件分別進(jìn)行分析，并按照電氣連接將模型完善;然后對(duì)每個(gè)閥中的元器件、閥層之間的多種寄生電容建模;最后根據(jù)換流閥的主要部件電氣連接和閥層寄生電容分布獲得了換流閥寬頻等效電路模型。利用此模型計(jì)算500kV換流閥MVU在承受雷電等沖擊電壓時(shí)閥塔的電壓不平衡系數(shù)，分析閥塔的電壓分布情況。

2.1閥段建模

閥段是換流閥的基本單元，由晶閘管、阻容回路、陽極飽和電抗器、TVM板、沖擊電容（均壓電容）等組成。一個(gè)閥組件包含2個(gè)閥段。該閥組件中，每個(gè)閥段包含13組晶閘管回路。

（1）晶閘管模型。在實(shí)際情況下，晶閘管陰陽極之間存在結(jié)電容，而且含有較小的電阻。其中Cthy為晶閘管結(jié)電容，Rthy為晶閘管的寄生電阻。

（2）阻容回路模型。阻容回路包括吸收電容和水冷電阻。由于這兩個(gè)器件寄生參數(shù)幾乎不存在，因此在模型中可直接使用其元件標(biāo)稱值。阻容回路的靜態(tài)模型直接建立為電阻與電容串聯(lián)。

（3）沖擊電容模型。閥段中的沖擊電容主要用于吸收電路中的沖擊電壓。經(jīng)測(cè)量幾乎不存在寄生參數(shù)，因此可使用元件的標(biāo)稱值。沖擊電容靜態(tài)模型建立為無寄生參數(shù)的電容。

（4）陽極飽和電抗器模型。實(shí)際運(yùn)行中的陽極飽和電抗器屬于非線性元件，在不同的運(yùn)行條件下體現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)性能。飽和電抗器的飽和狀態(tài)主要是針對(duì)工頻或直流情況，其飽和特性（主電感的變化）與鐵芯材料及流過的電流有關(guān)，而其他參數(shù)與主電感的飽和與否無關(guān)。在時(shí)間短、幅值大的過電壓沖擊下，可將飽和電抗器近似看做線性元件。

（5）閥段回路模型。換流器單閥由若干閥段串聯(lián)構(gòu)成。Rb、Cb為阻容緩沖吸收電路參數(shù);LVD為閥電抗器;V為開關(guān)元件等值電路;Ck為均壓電容。在一定的頻率范圍內(nèi)，與波長(zhǎng)相比，換流器的尺寸較小，忽略其波過程，用集中參數(shù)元件進(jìn)行建模。假設(shè)換流閥中同類元件參數(shù)相同，且電壓和電流在每個(gè)單元中均勻分布，則單閥可用簡(jiǎn)化電路等值表示，其中nk為每個(gè)閥臂中均壓電容總個(gè)數(shù)，nV為晶閘管總個(gè)數(shù)，nvd為閥電抗總個(gè)數(shù)。

2.2換流閥MVU閥塔主要寬頻參數(shù)

研究的換流閥模型中，一個(gè)閥組件有26個(gè)晶閘管硅堆。閥塔采用雙塔Z型連接方式，3個(gè)閥段組成一個(gè)單閥。某高壓直流工程±500kV采用四重塔結(jié)構(gòu)，即一個(gè)閥塔由4個(gè)單閥組成。根據(jù)IEC型式試驗(yàn)要求，換流閥雷電沖擊外絕緣試驗(yàn)樣品應(yīng)采用一個(gè)換流閥閥塔作為試品，并短接一個(gè)單閥進(jìn)行試驗(yàn)，即采用3個(gè)單閥組成的換流閥MVU作為試驗(yàn)樣品。因此針對(duì)本工程的建模，采用3個(gè)單閥組成換流閥MVU結(jié)構(gòu)。

2.3雜散參數(shù)確定

在明確換流閥主要部件的寬頻模型后，現(xiàn)場(chǎng)使用電纜連接受試設(shè)備和測(cè)量裝置，通過測(cè)量信號(hào)源內(nèi)阻與被測(cè)設(shè)備的分壓比，以獲得外電路的阻抗特性，并將測(cè)量數(shù)據(jù)與寬頻模型進(jìn)行擬合得出主要部件的模型參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量閥層之間的雜散電容時(shí)，是將閥模塊中的一個(gè)晶閘管組中晶閘管與阻容回路斷開，視其電路為開路。實(shí)際情況下，晶閘管有限的結(jié)電容使電路依然構(gòu)成回路，故仿真中需將晶閘管組的模型考慮在內(nèi)。除斷開一個(gè)晶閘管組以外，還斷開了沖擊電容。在MATLAB中建立測(cè)量換流閥MVU的等效電路，將測(cè)量結(jié)果與MATLAB中仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得出雜散參數(shù)。

3換流區(qū)平面布置優(yōu)化

3.1換流變區(qū)

換流變按照結(jié)構(gòu)可分為三相三繞組、三相雙繞組、單相三繞組和單相雙繞組。對(duì)于容量較小的柔性直流輸電工程，可采用三相換流變，在換流變內(nèi)部實(shí)現(xiàn)閥側(cè)繞組星形或三角形聯(lián)結(jié)，變壓器制造工藝成熟，每臺(tái)換流變?cè)陂y側(cè)僅3個(gè)出線套管，如南匯和舟山柔性直流輸電工程。對(duì)于大容量柔性直流輸電工程，一般采用單相雙繞組換流變，每臺(tái)換流變閥側(cè)有2個(gè)套管出線，需要在換流變外完成繞組星形或三角形接線。單相三繞組多用于單極12脈動(dòng)接線的直流輸電工程，換流變閥側(cè)1組繞組需接成星形，另1組接成三角形，目前還少有工程應(yīng)用。

3.2啟動(dòng)回路區(qū)

啟動(dòng)回路主要包括啟動(dòng)電阻和與之并聯(lián)的旁路斷路器，用以限制換流閥子模塊電容器充電過程中的過電流。相較于常規(guī)直流，啟動(dòng)電阻是柔性直流換流站的獨(dú)有回路。直線型接線簡(jiǎn)潔順暢，但相間空隙較大，空間浪費(fèi)嚴(yán)重。初步布置下來，常規(guī)方案啟動(dòng)電阻區(qū)的長(zhǎng)度為40.8m。為此，可以考慮將啟動(dòng)電阻及旁路開關(guān)外的其他設(shè)備，包括電壓電流測(cè)量裝置和開關(guān)設(shè)備等，全部封裝進(jìn)HGIS里，然后配合啟動(dòng)電阻回路轉(zhuǎn)角布置。HGIS具有體積小的顯著優(yōu)勢(shì)，可大大縮減這些敞開式開關(guān)測(cè)量設(shè)備造成的占地浪費(fèi)。初步布置下來，啟動(dòng)電阻區(qū)采用HGIS設(shè)備后的長(zhǎng)度為22m，較常規(guī)方案減少了18.8m。

4結(jié)論

中國特高壓直流工程的成功實(shí)踐充分驗(yàn)證了特高壓直流輸變電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的可行性，為特高壓直流輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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