基于MMC 的柔性直流輸電換流閥型式試驗方案

侯 婷，饒 宏，許樹楷，黎小林，李 巖，易 榮，楊曉平

(1．南方電網科學研究院，廣州市510080;2．榮信電力電子股份有限公司，遼寧省鞍山市114051;3．西安西電電力系統有限公司，西安市710016)

0 引 言

柔性直流輸電技術是一種以電壓源換流器、可控器件和脈寬調制技術為基礎的新型直流輸電技術，是解決風力、太陽能等可再生能源發電并網運行等問題的有效途徑之一［1-7］。柔性直流輸電換流閥是柔性直流輸電系統中負責實現電能在交、直流之間轉換的核心裝備，其對溫度、電壓、電流及其變化率非常敏感［8］。為了保證柔性直流輸電工程的可靠運行，在投入運行之前必須通過一系列試驗來考察換流閥的安全可靠性，這就需要制定一套科學全面的試驗方案。目前對于可控電壓源型換流閥試驗的相關國際標準僅有IEC62501 －2009(Voltage sourced converter(VSC)valves for high-voltage direct current(HVDC)power transmission—Electrical testing)，但并不是專門針對模塊化多電平換流閥(modular multilevel converter，MMC)的標準，部分條款并不完全適用。我國對于可控電壓源型換流閥試驗的相關國標尚未頒布，國內對柔性直流輸電基于MMC 拓撲的換流閥試驗的研究還處于起步階段。本文以世界第1個多端柔性直流輸電工程——南澳多端柔性直流輸電工程為例，根據柔性直流換流閥和工程特點，研究并制定詳細全面的柔性直流輸電模塊化多電平換流閥的型式試驗方案。

1 換流器拓撲結構及工作原理

模塊化多電平換流閥是一種較新的拓撲結構，換流閥由6個橋臂組成，如圖1 所示。每個橋臂由N個功率模塊順序級聯構成，上、下橋臂間分別串聯1個電抗器(其電感為Ls)，同相上、下2個橋臂構成1個相單元［9-11］。圖1 中Udc為直流電壓，Usa、Usb、Usc分別為交流系統的三相電壓，iap、ibp、icp分別為三相上橋臂電流，iaq、ibq、icq分別為三相下橋臂電流。

圖1 MMC 換流閥拓撲Fig.1 Topological structure of MMC

MMC 換流閥單元采用的是半橋，如果直流電容電壓已經被控制為Ud，MMC 的每個換流單元輸出將具有0 和Ud這2 種狀態。如果每個橋臂有N個換流單元，則橋臂輸出電壓的狀態將在0，Ud，2Ud，… ，NUd之間變化，即具有N +1個電平狀態。換流閥交直流輸出電壓如圖2 所示，Up、Uq分別為上、下橋臂交流輸出電壓，Uc為MMC 換流閥交流輸出電壓。

同樣地，橋臂電流也是由直流分量和交流分量疊加而成的復合變量，如圖3 所示，iq為下橋臂電流，其中直流分量iq_dc為直流極線電流的1/3，交流分量iq_ac為交流輸出電流的1/2。

2 南澳柔性直流輸電工程基本參數

南澳柔性直流輸電工程是世界上第1個多端柔性直流輸電工程，于2013年12月25 日正式投產。一期為三端直流輸電系統，遠期為四端直流輸電系統。

圖2 MMC 交直流輸出電壓Fig.2 AC/DC output voltage of MMC

圖3 MMC 橋臂電流Fig.3 Bridge-arm current of MMC

目前一期在南澳島上建設2個送端換流站(金牛站和青澳站)，在澄海區塑城站近區建設1個受端換流站(塑城站)，工程具體參數如表1 所示。

表1 南澳柔性直流輸電工程基本參數Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

3 換流閥塔結構

目前常用的閥塔結構主要有2 類，如圖4 所示。A 類閥塔每個橋臂由多個閥塔串連組成，B 類是每個橋臂由一個連體大閥塔組成，接線方式也有所不同，具體如圖5 所示。

圖4 橋臂單元布置示意圖Fig.4 Layout of bridge-arm unit

圖5 單橋臂單元的電氣連接圖Fig.5 Electrical connection of bridge-arm unit

對于A 類閥塔，閥段之間的電壓分配是正常工作的一個完整橋臂的電壓分配的典型值。在開展絕緣耐壓試驗時，可選擇部分相連的閥塔作為試驗對象，但應考慮電壓分布的不均勻性，可通過計算或試驗得出不均勻系數。但對于B 類閥塔，試驗對象必須為一個完整的大閥塔。

4 型式試驗方案

考核換流閥應從運行和絕緣2 方面考核閥的設計，因此型式試驗可以分為運行試驗和絕緣試驗兩大類［12］。

4.1 運行試驗

運行試驗的目的是檢驗閥及相關電路，在運行狀態中最嚴重的重復作用條件下通態、開通和關斷狀態時，對于電流、電壓和溫度的作用是否合適，同時證明閥電子電路和閥主回路之間相互作用的正確性［13］。具體試驗項目及要求如下。

4.1.1 最小直流電壓試驗

由于換流閥的電子電路從功率模塊直流電容取能，因此該試驗用于驗證從直流電容取能的板卡電子設備性能，試驗電壓是能保證換流閥電子電路正常工作的最小直流電壓。

換流閥解鎖前會先經歷一個充電過程，要求解鎖前電子電路應能正常工作，因此，最小直流電壓試驗必須考慮閉鎖狀態下的充電。南澳柔性直流輸電工程換流閥解鎖前，當從交流側充電時，直流電壓可充到額定直流電壓的70%，當從直流側充電時，直流電壓可充到額定直流電壓的35%。因此，每個功率模塊解鎖前的最小充電電壓為額定直流電壓的35%。同時，由于解鎖前充電不可控，具有一定的不均勻性，在確定最小直流電壓時除了考慮一定的安全系數外，還應考慮一定的不均勻系數。根據IEC62501 的規定［14］，試驗持續時間不少于10 min。南澳柔性直流輸電工程的具體試驗參數如表2 所示。

表2 南澳柔性直流輸電工程最小直流電壓試驗參數Table 2 Minimum DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.2 功率器件過電流關斷試驗

試驗的主要目的是在發生特定的短路故障或誤觸發下關斷時電流和電壓應力作用下，檢查功率器件及其相關電路的設計是否合適。

試驗要求:

(1)功率器件相關元件達到最高穩態結溫的條件下，使試驗對象運行到熱平衡;

(2)每個功率模塊的直流電壓為額定電壓的1.1倍;在以上條件下模擬直通短路電流?？刂票Ｗo電路開始檢測過電流，在電流值小于最大安全關斷電流極限值時關斷功率器件來限制過電流。南澳柔性直流輸電工程試驗按上述要求開展。

4.1.3 最大電流連續運行能力試驗

該試驗的目的是驗證換流閥的最大連續運行能力是否滿足設計要求。

試驗要求:

(1)試驗電壓為最大連續直流電壓(考慮1.05的安全系數);

(2)測試開關頻率應基于最大連續開關頻率;

(3)調制模式按照工程實際模式;

(4)冷卻液溫度應至少使功率器件或二極管結溫達到運行中的最高穩態值;

(5)持續測試時間應在冷卻劑出口溫度穩定后不少于30 min。

南澳柔性直流輸電工程試驗參數見表3，由于本工程要求換流閥具有1.1 倍過負荷能力，試驗電流為1.1 倍額定電流。

表3 南澳柔性直流輸電工程最大電流連續運行能力試驗參數Table 3 Maximum current continuous operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.4 最大暫時過負荷運行能力試驗

該試驗的目的是證明換流閥的暫態過負荷運行能力是否滿足設計要求。

試驗要求:

(1)試驗對象首先要在1.1 倍電流連續運行條件下達到熱穩定;

(2)在暫態過負荷運行試驗后，應繼續進行1.1倍電流連續運行能力試驗，持續時間10 min，以檢查試驗是否帶來損傷。

南澳柔性直流輸電工程試驗參數見表4。

表4 南澳柔性直流輸電工程最大暫時過負荷運行能力試驗參數Table 4 Maximum temporary over-load operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.5 短路電流試驗

該試驗目的是檢查短路情況下功率器件和相關電路是否合適，在短路試驗中的電壓、電流，dU/dt 及di/dt 最大值是否滿足設計要求，在安全裕度內。

試驗要求:

(1)試驗對象在達到最高穩態結溫并進入熱平衡后啟動故障電流事件;

(2)故障電流的幅值、持續時間和波次應是實際運行中預期達到的最大值。

南澳柔性直流輸電工程試驗電流按照最嚴苛的故障(直流極線間短路故障)電流仿真計算結果來考核。要求試驗電流的電流峰值、熱等效性和電流變化率(di/dt)應不小于直流極間短路故障仿真計算值［15］。

4.1.6 故障旁路試驗

該試驗目的是考核在功率模塊故障發生到功率模塊被旁路期間，功率模塊的旁路開關(IGBT 類功率模塊)或旁路晶閘管(IEGT 類功率模塊)能否及時有效觸發，且該過程中各功率器件上電壓電流最大值滿足設計要求。該試驗應真實再現實際運行時的應力條件，驗證旁路開關或旁路晶閘管設計的正確性。

南澳柔性直流輸電工程換流閥結合功率器件過電流關斷試驗開展該項試驗。對于塑城站采用IEGT類功率模塊，其設計原理是利用了壓裝晶閘管的短路失效模式。旁路晶閘管被連接在直流電容器正負極兩側，當發生故障時，旁路晶閘管被觸發，即便是較低的電容電壓，在這種短路模式下也能夠形成足夠大的電流變化率，從而使得晶閘管的門極附近的小區域短路融化。該試驗屬于破壞性試驗。故障旁路時旁路晶閘管將會損壞，因此試品數量要求不少于5個。

4.1.7 功率模塊抗干擾測試

該試驗的目的是檢驗功率模塊及相關電路的抗電磁干擾性能。

該試驗在換流閥1.1 倍電流連續運行能力試驗、最大暫時過負荷運行試驗、閥沖擊試驗和功率器件過電流關斷等型式試驗中驗證以下內容:

(1)不會發生IGBT 誤觸發或導通順序混亂;

(2)閥上所裝的電子保護電路按照預定動作。

要求上述試驗中不會發生閥級故障的錯誤指示，閥基電子單元也不會因為閥監測電路收到錯誤信息而將錯誤的信號送到換流閥級控制保護系統。

4.2 絕緣試驗

對換流閥的絕緣考核主要分為閥支架和閥端間的絕緣耐受能力。因此，絕緣型式試驗包括閥支架絕緣試驗和閥端間絕緣試驗。

4.2.1 閥支架絕緣耐壓試驗

該試驗的目的是驗證換流閥支架、冷卻管道、光纖及其他絕緣部件的絕緣耐受能力。該試驗的對象應根據不同閥塔布置方式選擇合適的試驗對象，要求試驗能夠覆蓋閥支架的所有最嚴重應力。具體試驗項目和要求如下:

(1)閥支架直流耐壓試驗。這個試驗是驗證閥支架絕緣在最大穩態直流電壓和短時過電壓的耐壓能力。試驗必須以正負極性重復進行。試驗期間進行局部放電測量。在試驗之前，閥支架應當短路并接地最少2 h。

閥支架直流試驗電壓Utds按照公式(1)計算:

式中:Udms為跨接在閥支架上的穩態運行電壓直流分量的最大值，對于MMC 拓撲結構的換流閥，Udms為直流極線最高穩態運行電壓;k3為試驗安全系數，1 min試驗，k3=1.6，3 h 試驗，k3=1.1;kt為大氣修正系數。

南澳柔性直流輸電工程試驗參數見表5。

表5 南澳柔性直流輸電工程閥支架直流耐壓試驗參數Table 5 Valve support DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project kV

(2)閥支架交流耐壓試驗。試驗目的是驗證閥支架絕緣在穩態交流電壓應力和短時過電壓應力(包括閥支架操作過電壓)下的耐壓能力。試驗期間進行局部放電測量。

閥支架交流試驗電壓Utas的均方根值，按照公式(2)計算:

式中:Ums為穩態運行期間，加在閥支架的最大重復運行電壓的峰值;k4為試驗安全系數，1min 試驗，k4=1.3，30 min 試驗，k4=1.15;kt為大氣修正系數，本工程取1.0;kr為瞬時過電壓系數，1min 試驗，kr由系統分析確定;30 min 試驗，kr=1.0。

南澳柔性直流輸電工程是國內第1個多端柔性直流輸電工程，考慮到國內廠商對換流閥的生產和設計經驗不足，應提高換流閥工藝要求，Ums取值考慮了1.2 的安全系數，即

根據上述公式及過電壓與絕緣配合研究結論，南澳3個換流站的閥支架交流耐壓試驗電壓均不應低于如下限值:Utas，1min=275 kV，Utas，30min=152 kV。

(3)閥支架操作沖擊試驗。試驗目的是驗證在不同閥支架操作脈沖下閥支架絕緣的耐壓能力。該試驗在閥主端子(短接)對地之間加3個正向和3個負向的操作沖擊波。測試的脈沖電壓波形參照IEC60060 標準。試驗電壓由換流站絕緣配合來決定。根據南澳柔性直流輸電工程3個換流站的絕緣配合，操作沖擊試驗電壓峰值均不應小于450 kV。

(4)閥支架雷電沖擊試驗。試驗目的是驗證在不同閥支架雷電脈沖下閥支架絕緣的耐壓能力。該試驗在閥主端子(短接)對地之間加3個正向和3個負向的雷電沖擊波。測試的雷電脈沖電壓波形參照IEC60060 標準。試驗電壓由換流站絕緣配合來決定。根據南澳柔性直流輸電工程3個換流站的絕緣配合，雷電沖擊試驗電壓峰值均不應小于550 kV。

4.2.2 閥端間絕緣耐壓試驗

該試驗目的是驗證換流閥設計的過電壓耐受特性。

(1)閥端間交、直流耐壓試驗。這個試驗由10 s短時和30 min 長時試驗組成。短時試驗應再現由換流閥或系統故障導致的復合交流－直流電壓。

10 s 短時試驗電壓:

式中:Uac1為閥端間最大暫態交流電壓峰值，應考慮避雷器的限壓作用;Udc1為閥端間最大暫態直流電壓分量，應考慮避雷器的限壓作用;k0為比例系數;k9為安全系數，取1.10;f 為試驗頻率，取50 Hz。

30 min 長期試驗電壓:

式中:Umax-cont為交流側最大穩態電壓;Udmax為穩態運行直流分量最大值。

南澳柔性直流輸電工程中，對于10 s 短時試驗，最嚴苛的工況為金牛站至塑城站直流線路開路故障。故障后直流電壓上升達到過壓保護值時閉鎖閥，閉鎖100 ms 后跳開交流斷路器。圖6 為該故障下橋臂端間電壓仿真波形，圖中的尖峰電壓可看做操作沖擊電壓，在閥端間操作沖擊試驗中考核。

圖6 直流線路開路故障橋臂端間電壓仿真波形Fig.6 Simulation waveform of voltage between bridge-arm terminals under DC line open fault

根據仿真數據，Uac1取155 kV，Udc1取220 kV，計算得出10 s 短時耐壓試驗電壓:

根據30 min 長期試驗電壓計算公式，Utac2取190 kV，Udmax取168 kV，計算得出30 min 長期試驗電壓:

(2)閥端間沖擊試驗。閥端間沖擊試驗包括操作沖擊和雷電沖擊試驗，該試驗的目的是考核換流閥的沖擊電壓耐受能力，沖擊試驗電壓峰值由換流站絕緣配合來決定。在直流側沒有架空線、閥電抗器及閥間的母線被完備保護不遭受直接雷擊沖擊情況下，該試驗可省去。

南澳柔性直流輸電工程中，送端金牛站和青澳站線路有架空線，因此需要開展該試驗。在閥端間施加沖擊電壓時，由于MMC 換流閥每個功率模塊都并聯有直流電容器，閥端間電壓瞬間也不會有較大上升。但若實際試驗回路中沒有連接閥電抗器，直流電容器承受的電壓變化值將有可能超過其限值，從而導致直流電容器損壞。因此柔性直流輸電工程換流閥應帶閥電抗器來完成該項試驗。

5 結 語

模塊化多電平換流器(MMC)作為一種較新的拓撲結構，應用在柔性直流輸電領域是一種較新的技術，換流閥是柔性直流輸電系統中負責實現電能在交直流之間轉換的設備，是柔性直流輸電工程的核心設備，其對于溫度、電壓、電流及其變化率非常敏感。本文提出的模塊化多電平換流閥的型式試驗方案考慮了換流閥的各種運行和故障工況，通過對換流閥運行和絕緣耐壓2 方面的試驗考核，能夠較全面地驗證基于MMC 拓撲結構的換流閥及其相關電路設計的正確性。

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