高壓直流輸電換流閥晶閘管控制單元原理分析

陳興旺梁帥奇胡宗亞

（1、河南省汝州市電業(yè)公司，河南 汝州 467500 2、深圳邁瑞醫(yī)療電子股份有限公司 3、國網(wǎng)電科院繼電保護研究所，江蘇 南京 210003）

為了耐受更高的電壓，高壓直流輸電的換流閥都是由晶閘管級串聯(lián)組成的；例如貴廣直流輸電工程中，采用西門子的光控閥，每個換流閥體包含了78個晶閘管級；葛南直流工程中采用的是原BBC的電控閥，每個換流閥體則包含了120個晶閘管級。SVC(Static Var Compensator)中TCR(Thyristor Controlled Reactor)或 TSC(Thyristor Switched Capacitor)閥體，也根據(jù)補償?shù)碾妷旱燃壓瓦x用晶閘管的耐壓等級，由不同數(shù)量的晶閘管級串聯(lián)組成。如下所示為三廣直流工程換流閥中晶閘管級電氣連接的示意圖 (不同的閥體可能稍有區(qū)別)。每個晶閘管級一般都包括以下幾個部分：直流均壓電路 (圖示的R6和R7)、交流均壓電路 (圖示的R1/R3/C1/C2)、晶閘管控制單元TCU(Thyristor Controlled Unit)和晶閘管Th(Thyristor)。其中VCU(Valve Controlled Unit)為閥控單元，它負責(zé)向TCU發(fā)送光觸發(fā)信號FP(Fire Pulse)，接收TCU的光回報信號IP(Indication Pulse)。

一個晶閘管級中晶閘管控制單元是核心，它具有以下幾項基本功能：接收觸發(fā)命令觸發(fā)晶閘管，晶閘管過壓保護，反向恢復(fù)期間的dv/dt保護，監(jiān)視晶閘管狀態(tài)(正常、損壞或過壓保護)并回送相應(yīng)的光脈沖信號IP。下面就以我們在SVC和直流融冰等項目中大量使用的TCU為例，分析它的工作原理。

1、取能。TCU的取能部分會通過上圖的Snubber Circuit和C3、R5得到約22V和11V兩種電源。通過調(diào)節(jié)阻容回路的參數(shù)，可確保C3、R5中流過電流的相位提前晶閘管兩端的電壓90度，電路的取能在晶閘管兩端的電壓還處在負半周的上升階段時就已經(jīng)開始；因此，當(dāng)晶閘管兩端電壓為正時TCU就儲備了足夠的能量，確保內(nèi)部電路正常工作。

2、回報光脈沖IP信號。共有兩種情況可產(chǎn)生IP，第一種情況是當(dāng)晶閘管兩端電壓達到約24V時，TCU向VCU發(fā)送IP脈沖，表明晶閘管級已滿足觸發(fā)條件，告訴VCU，可以發(fā)觸發(fā)脈沖FP了；相應(yīng)的，VCU只有在接收到IP脈沖后，才允許向TCU發(fā)送FP觸發(fā)信號；另一種情況是當(dāng)TCU監(jiān)測到晶閘管兩端的電壓達到了預(yù)先設(shè)定的過壓保護門檻值時 (如6800V)，便自動發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管，使晶閘管免于擊穿而損壞，同時在此刻也向VCU發(fā)出IP光脈沖，表明晶閘管處于保護性觸發(fā)的異常狀態(tài)；VCU內(nèi)部的可編程邏輯期間FPGA通過這兩種IP信號發(fā)生時刻的不同來區(qū)別某IP信號是電壓建立IP還是過壓保護觸發(fā)IP。另外，當(dāng)某一個晶閘管損壞時，則TCU無法發(fā)出IP信號，VCU會據(jù)此判斷該晶閘管已經(jīng)損壞；VCU程序會設(shè)置一個報警級別：如損壞2個時報警，大于2個時跳閘。

3、正常觸發(fā)。一般情況下，當(dāng)閥體解鎖后，TCU會在每個周波都收到來自VCU的光觸發(fā)信號，通過光電轉(zhuǎn)換、信號放大等產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)所需要的電脈沖信號，觸發(fā)晶閘管。需要說明的時，當(dāng)晶閘管被觸發(fā)時如果由于某種原因沒有導(dǎo)通，則這個觸發(fā)信號會持續(xù)加在晶閘管的門極直到它導(dǎo)通或其兩端電壓變負為止，TCU的這一特性也有效地保護了晶閘管。

4、保護性觸發(fā)。閥體在正常的運行過程中，會經(jīng)常發(fā)生的陡坡沖擊、局部不均壓或開通分散性等，這些都會引起個別晶閘管的正向過電壓；另外，在電信號通路或光信號通路由于損壞或性能下降的情況下，TCU無法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，而此時當(dāng)閥體中其它晶閘管級導(dǎo)通時，便也會在該晶閘管兩端瞬間產(chǎn)生一個高電壓；這時，如果不能在該電壓達到擊穿門檻電壓前迅速觸發(fā)晶閘管，該晶閘管就會被擊穿而損壞。TCU中的保護性觸發(fā)電路正是實現(xiàn)了這樣的功能。

如下圖2所示為TCU過壓保護電路示意圖。它的基本原理是：隨著晶閘管兩端電壓的升高，電阻R8上的電壓越大；另外，在TCU內(nèi)部通過模擬電路搭建一個基準電壓，當(dāng)R8上的電壓大于該基準電壓時，就產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管，同時回報過壓保護IP脈沖。通過調(diào)節(jié)R8的阻值，可以調(diào)節(jié)TCU的過壓保護門檻值，以適應(yīng)不同耐壓等級的晶閘管。

5、反向恢復(fù)保護。晶閘管在由導(dǎo)通到關(guān)斷的發(fā)向恢復(fù)期間，由于阻斷特性尚未完全恢復(fù)，此時如果在其兩端出現(xiàn)過高的dv/dt擾動，就會損壞晶閘管。TCU的反向恢復(fù)保護功能就是在反向恢復(fù)期間探測dv/dt的變化率，當(dāng)dv/dt擾動超過門檻值時便產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，從而保護晶閘管。如圖3所示為TCU反向恢復(fù)保護電路示意圖，它基本原理是：閥體解鎖后，當(dāng)TCU監(jiān)測到晶閘管兩端的電壓由導(dǎo)通到熄弧，即其兩端的電壓由零變?yōu)樨摃r，便啟動時間窗口發(fā)生回路，這個時間窗口的寬度可根據(jù)晶閘管本身的特性要求進行調(diào)整，一般為1ms以內(nèi)。如果dv/dt監(jiān)測回路在這個時間窗口內(nèi)監(jiān)測到晶閘管兩端的電壓變化率大于門檻值 (這個門檻值也可根據(jù)晶閘管的特性進行調(diào)整)，就會產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管。

6、總結(jié)與展望。上述以我們實際研制的TCU為例，分析了它的基本工作機理。該TCU裝置已經(jīng)大量應(yīng)用于SVC項目、直流融冰項目和高壓直流輸電換流閥運行試驗合成回路中。多年來的運行情況表明，該TCU裝置性能可靠穩(wěn)定。

需要指出的是，TCU屬于高電位裝置，工作環(huán)境惡劣。因此，研制過程中，在滿足功能的前提下，抗干擾實驗的驗證是十分重要的，它直接決定了整個高壓閥體能否正常工作。我們除了對該裝置單獨進行嚴格的EMC實驗外；還實際搭建了高壓閥體，按照相應(yīng)的規(guī)范對整個閥體也進行嚴格的型式試驗；這個過程發(fā)現(xiàn)并解決了大量的問題。這也是裝置大量使用且運行穩(wěn)定的保證。

當(dāng)前，隨著更大容量的可關(guān)斷型功率器件如IGBT的不斷開發(fā)，輕型高壓直流輸電和SVG(Static Var Generator)也在快速發(fā)展，其中SVG有逐漸取代SVC的趨勢。它們的高壓閥體是由可關(guān)斷器件串聯(lián)而成的，造價更為昂貴；對應(yīng)于每個可關(guān)斷型器件也有一個控制單元，被稱為門級驅(qū)動單元GDU(Gate Driven Unit)。在我們正在研制的GDU裝置中，它要監(jiān)視更多的狀態(tài)量，須以一定格式的光脈沖報文向上反饋更多的狀態(tài)信息；通過搭建模擬電路已經(jīng)很難實現(xiàn)這些復(fù)雜的邏輯。為此，我們采用了FPGA (Field Programmable Gate Array)來完成相應(yīng)的保護和監(jiān)視功能。FPGA的采用將成為未來功率器件控制單元的一個趨勢；但同時，F(xiàn)PGA運行在強電環(huán)境中也對裝置本身的抗干擾性提出了更高的要求。

[1]寧鳳輝 ，趙中原 ，邱毓昌.三峽至常州±500 kV高壓直流輸電用晶閘管閥技術(shù)特點.《高壓電器》， 2003年4期 .

[2]趙中原.方志.邱毓昌 高壓直流換流站技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 [期刊論文]-中國電力2002(03)

[3]Steffen Bernet Recent Development of High Power Converters for Industry and Traction Applications 2000(06).