超高壓輸電網(wǎng)中對(duì)電力電子技術(shù)的應(yīng)用分析

李澤，張朝輝，蘇杰和

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510700）

1 我國(guó)高壓輸電網(wǎng)中存在的電力問(wèn)題

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)的實(shí)際特殊情況，面對(duì)當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)的主要特點(diǎn)，即電網(wǎng)容量不斷增大，其對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)距離輸電不斷增多等。同時(shí)，隨著當(dāng)前我國(guó)電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定的情況越來(lái)越頻繁，如何能夠保證超高壓輸電網(wǎng)的電壓在一定穩(wěn)定的基礎(chǔ)上保證其合理性，而換流閥就能夠提供較為準(zhǔn)確有效的換流工作，以此保障我國(guó)高壓輸電網(wǎng)面臨的相關(guān)電壓?jiǎn)栴}。

2 高壓輸電網(wǎng)中對(duì)換流閥的相關(guān)要求

2.1 閥控制與換流閥的相關(guān)介紹

閥控制是一個(gè)基于微處理器的、冗余的免維護(hù)晶閘管閥觸發(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)。它也是閥和其他控制和保護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)接口。其基本功能如下：產(chǎn)生所有的晶閘管的觸發(fā)脈沖、監(jiān)測(cè)晶閘管及其相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)、在反向恢復(fù)期保護(hù)晶閘管、產(chǎn)生閥電流過(guò)零關(guān)斷信號(hào)、執(zhí)行自檢等。

而換流閥是當(dāng)前高壓輸電系統(tǒng)中，能夠有效實(shí)現(xiàn)換流所需要的三相橋式換流器的相關(guān)橋臂，是其換流器的基本單元設(shè)備。其主要的作用是能夠進(jìn)行換流工作，在對(duì)應(yīng)的輸電工程中，換流閥不僅能夠有效進(jìn)行整流以及逆變的相關(guān)功能，還具有一定的開(kāi)關(guān)功能，能夠有效利用其自身的快速可控性對(duì)其輸電的啟動(dòng)以及停運(yùn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。

2.2 換流閥的主要分類以及VBE的主要介紹

換流閥在高壓輸電網(wǎng)中占有重要的作用，可以分為常規(guī)晶閘管閥（晶閘管閥或者可控閥)、低頻門極晶閘管閥（GTO閥)以及高頻絕緣柵雙級(jí)晶閘管閥（IGBT閥)等。而關(guān)于輸電網(wǎng)中閥底部電子設(shè)備VBE的主要研究分析，其包括晶閘管控制與監(jiān)測(cè)（TC&M)、光發(fā)射板以及接收板、晶閘管電壓監(jiān)測(cè)、反向恢復(fù)期保護(hù)光源、光纜以及光分配器等。閥底部的電子設(shè)備VBE是互為熱備用的冗余系統(tǒng)（系統(tǒng)1和2）?；旧先魏苇h(huán)節(jié)均采用了并行冗余硬件設(shè)計(jì)。僅僅晶閘管電壓監(jiān)測(cè)板TVM到光接收板的回報(bào)信號(hào)光纜無(wú)冗余，但是，可以認(rèn)為閥內(nèi)晶閘管級(jí)的串聯(lián)冗余也是回報(bào)信號(hào)光纜的冗余。

其中，對(duì)應(yīng)的晶閘管是用來(lái)接收來(lái)自極控制和保護(hù)（PC&P）的信號(hào)，如觸發(fā)控制信號(hào)。VBE將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成觸發(fā)晶閘管的脈沖和對(duì)每個(gè)閥段內(nèi)RPU的控制脈沖。令其脈沖分別通過(guò)光發(fā)射板或RPU接口板轉(zhuǎn)換為光脈沖，通過(guò)光纜送到每一只晶閘管和RPU。與此同時(shí)，還通過(guò)光接收板接收所有晶閘管的電壓監(jiān)測(cè)板TVM的回報(bào)信號(hào)。為了快速處理數(shù)據(jù)，互為冗余的TC&M每個(gè)系統(tǒng)都由FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件）、PLD（可編程邏輯器件）和微處理器組成，該系統(tǒng)連續(xù)檢測(cè)閥上每個(gè)晶閘管級(jí)的回報(bào)信號(hào)。其中對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)功能在故障時(shí)會(huì)通過(guò)硬線或光纜發(fā)出跳閘信號(hào)。這些信息也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送到極控制和保護(hù)。與運(yùn)行保護(hù)和站控制相關(guān)的報(bào)警信號(hào)也由TC&M發(fā)出，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送給極控制和保護(hù)系統(tǒng)PC&P。

2.3 高壓輸電網(wǎng)對(duì)換流閥的相關(guān)要求

關(guān)于高壓輸電網(wǎng)中晶閘管換流閥的設(shè)計(jì)是當(dāng)前換流站的主要核心設(shè)備，其對(duì)應(yīng)的投資約占全站設(shè)備投資的四分之一。晶閘管換流閥需要在預(yù)定的外部環(huán)境以及系統(tǒng)條件下，按照規(guī)定的要求安全可靠地運(yùn)行，并且能夠有效滿足損耗小、安裝以及維護(hù)方便、投資省的要求。

（1）系統(tǒng)對(duì)換流閥的定值要求。系統(tǒng)對(duì)換流閥定值的要求包括對(duì)連續(xù)運(yùn)行額定值的要求以及過(guò)負(fù)荷能力的要求。針對(duì)連續(xù)運(yùn)行定值，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求及對(duì)高壓直流系統(tǒng)主回路參數(shù)研究的結(jié)果來(lái)確定換流閥的連續(xù)運(yùn)行額定值，同時(shí)，需要合理考慮諸如最高環(huán)境溫度等因素的影響。關(guān)于閥的冷卻系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須滿足所確定的連續(xù)運(yùn)行額定值的要求。而對(duì)于過(guò)負(fù)荷定值，則可以將其分為連續(xù)過(guò)負(fù)荷額定值、短時(shí)過(guò)負(fù)荷額定值以及暫態(tài)過(guò)負(fù)荷額定值。其中，前兩種過(guò)負(fù)荷額定值是由相應(yīng)電力系統(tǒng)故障后為減少經(jīng)濟(jì)損失，以及為電力系統(tǒng)故障后的恢復(fù)提供必要的功率支持而提出來(lái)的，該定值的合理性應(yīng)顧及相應(yīng)設(shè)備費(fèi)用的增加。而后一種過(guò)負(fù)荷額定值是由直流輸電系統(tǒng)以各種調(diào)制方式阻尼交流系統(tǒng)的振蕩和提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求而提出的。

過(guò)負(fù)荷額定值均應(yīng)考慮過(guò)負(fù)荷前的運(yùn)行狀態(tài)，如實(shí)際的負(fù)荷情況及冷卻設(shè)備投運(yùn)情況等。

（2）針對(duì)運(yùn)行觸發(fā)角工作范圍的要求。關(guān)于當(dāng)前對(duì)晶閘管換流閥的相關(guān)運(yùn)行觸發(fā)角工作范圍的優(yōu)化選擇，應(yīng)具體考慮其換流閥是否能夠滿足額定負(fù)荷、最小負(fù)荷以及直流降壓等各種運(yùn)行方式的相關(guān)要求。同時(shí)，是否滿足對(duì)正常起停和事故起停的要求，還需要考慮是否能夠滿足交流母線電壓控制以及無(wú)功調(diào)節(jié)控制等的相關(guān)要求。針對(duì)當(dāng)前的換流閥觸發(fā)角，其從減少無(wú)功損耗、諧波分量以及降低運(yùn)行損耗等方面考慮，要求其觸發(fā)角越小越好，但若是從換流閥安全可靠換相以及其對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)裕度的方向考慮，其應(yīng)有最小角度限制。

3 換流閥高壓輸電網(wǎng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 換流閥的相關(guān)介紹

關(guān)于換流閥在閥控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，其換流閥主要是將兩個(gè)6脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成12脈動(dòng)換流器，12脈動(dòng)換流器直流電壓質(zhì)量好，所含諧波成分少。絕大多數(shù)直流輸電工程都采用12脈動(dòng)換流器。

3.2 晶閘管換流閥的結(jié)構(gòu)電氣連接介紹

晶閘管換流閥是當(dāng)前由晶閘管元件以及對(duì)應(yīng)的電子電器、阻尼回路和組裝成閥組件的相關(guān)陽(yáng)極電抗器、均壓元件等利用某種形式的電氣連接方法后組裝而成的對(duì)應(yīng)高壓輸電網(wǎng)換流橋的一個(gè)橋臂。其主要包括晶閘管和晶閘管管理、閥組件、單閥（閥臂)以及三相6脈動(dòng)換流器以及其三相12脈動(dòng)換流器。其中，晶閘管級(jí)是由晶閘管元件以及所對(duì)應(yīng)需要的觸發(fā)、保護(hù)和監(jiān)視用的電子回路、阻尼回路構(gòu)成，其可硅級(jí)主要包括阻尼回路、分壓回路、可控硅控制單元TCU以及可控硅四個(gè)部分。而閥組件則是由若干個(gè)晶閘管級(jí)與其陽(yáng)極電抗器串聯(lián)后再并聯(lián)上電容元件構(gòu)成。

3.3 換流閥的電氣設(shè)計(jì)

（1）換流閥的閥電氣性能。閥最主要的特性就是僅能在一個(gè)方向?qū)娏?，即正方向。其不?dǎo)通的閥應(yīng)能耐受正向及反向阻斷電壓，而閥電壓最大值由避雷器保護(hù)水平確定。當(dāng)閥上的電壓為正時(shí)能得到一個(gè)控制脈沖閥從閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)，一直到流過(guò)閥的電流減小到零為止，閥始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，不能自動(dòng)關(guān)斷。并且閥具有一定的過(guò)電流能力，能通過(guò)健全閥的最大過(guò)電流發(fā)生在閥兩端間的直接短路，而過(guò)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）換流閥的電氣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析。在當(dāng)前的換流閥電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中，其主要是根據(jù)對(duì)應(yīng)閥內(nèi)器件參數(shù)的計(jì)算以及正確選擇。同時(shí)，其應(yīng)不僅能夠充分滿足換流閥在各種運(yùn)行工況下的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，還應(yīng)滿足沖擊電壓下的電壓應(yīng)力。因此，對(duì)換流閥的電氣設(shè)計(jì)作如下研究：

阻尼回路：使閥電壓在每個(gè)晶閘管兩端均勻分配；使閥能夠耐受正常和非正常負(fù)載條件下的應(yīng)力；限制晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)過(guò)沖電壓。

若換流閥只有串聯(lián)晶閘管和飽和電抗器組成，則閥正常運(yùn)行時(shí)閥兩端電壓波形如圖1所示。本閥關(guān)斷時(shí)，閥兩端會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)沖電壓，過(guò)沖電壓會(huì)導(dǎo)致閥避雷器動(dòng)作，閥避雷器會(huì)過(guò)熱燒毀。若在晶閘管兩端并聯(lián)阻尼回路，則阻尼回路可以限制換相過(guò)沖電壓，抑制振蕩。

圖1

MSC：多模星型耦合器，將來(lái)自VBE系統(tǒng)內(nèi)三個(gè)不同光信號(hào)發(fā)送器板上的激光二極管的光信號(hào)指令，經(jīng)過(guò)一個(gè)三取二的選擇邏輯后再分別發(fā)送至13個(gè)LTT閥片上。

RPU：恢復(fù)保護(hù)單元，在可控硅閥片關(guān)斷后的恢復(fù)期間保護(hù)換流閥，在此期間，如果電壓變化率超過(guò)保護(hù)預(yù)設(shè)值，RPU在接收到VBE系統(tǒng)內(nèi)RPU板發(fā)送的控制信號(hào)后，將發(fā)送一個(gè)光觸發(fā)脈沖送MSC，將閥單元內(nèi)的閥片觸發(fā)開(kāi)通。

TVM板：保證在每個(gè)換流閥內(nèi)串聯(lián)狀態(tài)下所有可控硅閥片承受相同的直流電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)閥片級(jí)內(nèi)部電壓并產(chǎn)生回檢光信號(hào)。內(nèi)冷水冷卻的部件包括：晶閘管閥片、RC阻尼回路中的電阻、閥電抗器。

內(nèi)冷水通過(guò)閥塔頂部的S型管引入，從上到下分配到每層閥塔的匯流管，匯流管中的內(nèi)冷水分位兩部分，一是通過(guò)流進(jìn)晶閘管閥片兩端的散熱器，再流入RC阻尼回路中水冷電阻，最后流回出水匯流管。二是通過(guò)兩個(gè)閥電抗器后，流回出水匯流管。內(nèi)水水管遵循上進(jìn)下出、左進(jìn)右出的原則。

為了避免部件間存在浮動(dòng)電位或者電勢(shì)差過(guò)大，防止產(chǎn)生電暈或者局部放電，同時(shí)保持水中的電解電流在可以忽略的范圍內(nèi)（μA級(jí)），在水冷主回路中適當(dāng)?shù)奈恢梅胖昧司鶋弘姌O。例如，在與晶閘管硅堆并聯(lián)運(yùn)行的水管的首段和尾端、在組件水管的入口和出口或者是在單閥之間的水管連接處。

3.4 換流閥的相關(guān)參數(shù)選擇

關(guān)于換流閥電氣設(shè)計(jì)中的相關(guān)計(jì)算，主要是針對(duì)單閥晶閘管數(shù)量的計(jì)算。而在當(dāng)前的換流閥相關(guān)晶閘管數(shù)量計(jì)算中，根據(jù)其晶閘管串聯(lián)級(jí)數(shù)、根據(jù)閥避雷器的保護(hù)水平確定，在閥避雷器的操作沖擊和雷電沖擊保護(hù)水平中，主要依據(jù)操作沖擊保護(hù)水平確定單閥最小串聯(lián)晶閘管元件數(shù)由下式確定：

式中，SIPL代表的是跨閥的操作沖擊保護(hù)水平；SIWL表示跨閥的操作沖擊耐受水平；kd表示操作沖擊電壓下單閥的電壓分布系數(shù)；kim表示操作沖擊電壓下的安全系數(shù)；VDSM則指的是晶閘管正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓。因此，考慮到一定的安全裕量，增加3個(gè)冗余晶閘管級(jí)，即單閥包含70個(gè)晶閘管級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

均壓電容器：在回路中出現(xiàn)陡前波沖擊電壓現(xiàn)象時(shí)，在四重閥內(nèi)將電壓均勻分布到四個(gè)閥上，避免局部過(guò)壓導(dǎo)致閥片損壞的現(xiàn)象。

飽和電抗器：閥兩端存在雜散電容，閥觸發(fā)之前，雜散電容被充電，雜散電容電壓等于換流變壓器施加在閥兩端的電壓eca，閥觸發(fā)導(dǎo)通后，雜散電容通過(guò)觸發(fā)的晶閘管放電。

BOD：每個(gè)晶閘管的自保護(hù)由集成在LTT內(nèi)正向過(guò)電壓保護(hù)觸發(fā)BOD完成以免由于觸發(fā)脈沖丟失而使晶閘管承受過(guò)電壓損壞。

隨著我國(guó)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，我國(guó)在高壓輸電網(wǎng)中對(duì)其在總電質(zhì)量中的特殊要求以及更嚴(yán)格的用電需求等水平隨之有了一定的提高。而在我國(guó)的電力電子技術(shù)的應(yīng)用分析中，關(guān)于我國(guó)高壓輸電網(wǎng)的相關(guān)配備，其主要在于設(shè)備上對(duì)應(yīng)閥控制的設(shè)計(jì)，閥控制是設(shè)備控制較為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)。在高壓輸電網(wǎng)的相關(guān)電子配備中，閥能夠作為其晶閘管的保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)，并且能夠連接閥以及其他的控制、保護(hù)系統(tǒng)，而其中換流閥就是當(dāng)前閥控制設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一部分。換流閥作為當(dāng)前直流輸電工程中的一項(xiàng)核心設(shè)備，能夠有效保障直流輸電工程的順利安全展開(kāi)。同時(shí)，換流閥具有整流以及逆變的相關(guān)功能，能夠充分保證當(dāng)前高壓輸電網(wǎng)中的現(xiàn)存問(wèn)題得到有效解決，保證換流工作能夠順利進(jìn)行。