柔直換流閥冷卻系統配置方案和調試方法

阮守軍 楚國華 丁 升 胡湘斌 梁發賓

（國網山東省電力公司嘉祥縣供電公司，山東 濟寧 272400）

柔性直流換流閥冷卻系統可將換流閥內各器件產生的熱量通過循環水傳送至外部，使 IGBT等器件工作在正常溫度范圍，是柔性直流輸電系統的關鍵配套設備之一。目前柔性直流輸電領域研究處于起步階段[1-6]，冷卻系統的配置方案和調試方法均處于摸索階段，亟需展開冷卻系統的相關研究。

目前圍繞換流閥冷卻系統已有一些研究內容，例如文獻[7-8]均提出了換流閥冷卻系統傳感器單一配置問題，通過增加冗余傳感器優化冷卻系統。文獻[9]通過優化控制邏輯解決了換流閥冷卻系統切換過程中的缺陷。文獻[10]分析了閥冷控制保護邏輯缺陷造成的常規直流輸電系統強迫停運的事件。文獻[11]提出了換流閥冷卻水路電極反應的等效電路建模方法。但以上研究集中在傳感器配置和冷卻系統邏輯優化方面，針對柔性直流換流閥冷卻系統的整體配置方案和調試方法的研究內容較少。

本文首先提出柔性直流換流閥冷卻系統配置方案，然后給出單體調試、分系統調試、整套起動調試相關調試方法，最后通過試驗驗證配置方案和調試方法的正確性。

1 柔性直流換流閥冷卻系統配置方案

換流閥冷卻系統以一個換流閥為單元來提供，每個閥廳一組換流閥設置一套獨立的閉式循環水冷卻系統，包含內冷卻系統、外冷卻系統及控制系統。內冷卻系統的冷卻介質為去離子水；外冷卻系統的冷卻介質為軟化水并采用閉式冷卻塔裝置；控制系統一般處于自動控制方式下，同時設置手動控制方式。

1）內冷卻系統

內冷卻系統典型配置如圖1所示，關鍵設備包括主循環泵（兩臺）、離子交換系統、脫氣罐、膨脹罐、原水罐、加熱器和相關管道。

圖1 內冷卻系統典型配置方案

正常工作時由其中一臺主循環泵驅動冷卻水在管道中流動，冷卻水經過換流閥子模塊散熱器時吸收 IGBT、均壓電阻等器件的熱量[12]，升溫后的冷卻水流過外冷系統冷卻塔的換熱盤管道，而冷卻塔會通過噴淋、風冷等方式對換熱盤管的表面進行降溫，使冷卻水溫度降至目標要求。電加熱裝置對冷卻水溫度進行強制補償，防止進入換流閥的溫度過低而導致的凝露現象。為了保證冷卻水具備極低的電導率，在主循環冷卻回路上并聯了離子交換系統，部分內冷卻水將從主循環回路旁路進入離子交換系統進行去離子處理，去離子后的冷卻水其電導率將會降低并回流至主循環回路，內冷卻水的電導率將會被控制在換流閥所需求的范圍之內。膨脹罐保持系統恒壓，同時根據膨脹罐液位的高低將原水罐中的純水補充到內冷卻系統。

2）外冷卻系統

內冷卻系統循環水的降溫是通過外冷卻系統的冷卻塔實現的，目前國內柔直工程冷卻塔一般具有外部水噴淋和風機空氣散熱兩種冷卻方式。外冷卻系統典型配置方案如圖2所示。建議配置3臺冷卻塔，每臺冷卻塔冷卻容量按照額定容量的一半進行配置，總計可具有150%的冷卻容量。此外，外冷卻系統還包括噴淋水池、緩蝕阻詬系統、自濾系統、殺菌滅藻系統、軟化系統等。

圖2 外冷卻系統典型配置方案

在冷卻水溫度較低時，可只運行一臺冷卻塔，隨著冷卻水溫度的上升，依次運行其余兩臺冷卻塔。根據當前冷卻水進閥溫度與目標溫度間偏差變化，進行PID運算后，輸出一模擬量信號給變頻器，變頻器根據此信號的增大/減小來升頻/降頻，控制風機起停和轉速。而在設定冷卻水溫度范圍內，噴淋裝置強制起動，即使當室外氣溫較低，風機停運后，噴淋泵仍單獨運行，防止管道系統結凍。

噴淋水池將冷卻塔內未蒸發的噴淋水回收并重復使用，可節約噴淋水的耗量及提高閥冷系統運行可靠性。補充水經過碳濾器和軟化水系統后對噴淋水池進行補水，同時自濾系統、殺菌滅藻系統和緩蝕阻詬系統可過濾水中雜質、防止青苔等微生物滋生和降低鹽分濃度等。

3）控制系統

閥冷控制系統宜采用完全雙重化冗余設置，兩套閥冷控制系統交叉接入直流控制保護系統。每套閥冷控制系統均能處理所有類型的故障。正常情況下，雙重化配置的閥冷保護均處于工作狀態，兩套閥冷控制系統同時采樣、同時工作，但只有一套處于激活狀態。閥冷控制系統主從切換時，不會引起柔性直流輸電系統功率的波動。允許短時退出其中一套閥冷控制系統，同時當主控制系統保持在運行狀態時，允許對從系統進行維修和改進。

閥冷控制系統與直流控制保護系統間采用開關量干接點、模擬量信號和Profibus報文3種方式進行通信。如圖3所示，對實時性要求較高的遠程控制信號和閥冷系統報警信號，通過開關量 I/O節點與直流控制保護系統進行通信；對信息量較大的在線參數、設備狀態監測及閥冷系統報警信息報文，通過兩路 Profibus總線與直流控制保護系統進行通信；環境溫度、閥廳溫度、冷卻水溫度等傳感器參數通過模擬量信號通道傳送至直流控制保護系統。

圖3 控制系統典型配置方案

閥冷系統溫度控制策略分為低溫段、高溫段兩種模式，由冷卻塔上不同頻率的冷卻風扇、噴淋塔和電加熱器共同完成。

（1）低溫段。冬天室外環境溫度極低或冷卻水進閥溫度下降至設定值時，起動電加熱器，防止冷卻水進閥溫度過低導致沿程管路及被冷卻器件的損傷；冷卻水進閥溫度下降至接近露點時，也需起動電熱加器，防止換流閥散熱器或管路表面結露影響絕緣。

（2）高溫段。室外環境溫度較高或冷卻水進閥溫度處于高溫段時，通過控制閉式噴淋塔臺數以及風機轉速和噴淋泵起停共同實現精密控制冷卻系統的循環冷卻水溫度的要求。如圖4所示，控制系統根據當前冷卻水進閥溫度與目標溫度間偏差變化進行PID運算后，輸出一模擬量信號給變頻器，變頻器根據此信號的增大/減小來升頻/降頻控制風機轉速，從而改變系統散熱量，使冷卻水進閥溫度逐漸逼近目標溫度并最終穩定在目標溫度附近，達到準確控制冷卻水進閥溫度的目的。

圖4 溫度控制原理圖

2 柔性直流換流閥冷卻系統調試方法

2.1 內冷卻系統調試方法

內冷卻系統調試主要包括離子交換系統調試、膨脹穩壓系統調試、脫氣加熱系統調試和主回路調試等內容。具體試驗方法如下。

1）離子交換系統調試

第一步起動補水泵對原水罐注水，沖洗離子交換器罐體，直至出水清澈；

第二步向離子交換器注入約1/3罐體高度純水；

第三步裝填樹脂至設計高度；

第四步沖洗樹脂直至水質達到設計要求。

2）膨脹穩壓系統調試

第一步將膨脹罐及管路用純水沖洗干凈；

第二步向罐內注入約1/2的純水；

第三步向罐內充入氮氣；

第四步調節相關閥門，使內冷系統達到恒壓。

3）脫氣加熱系統調試

第一步將脫氣罐及管路用純水沖洗干凈；

第二步向罐內注入純水；

第三步起動電加熱器；

第四步調節相關閥門，使出水溫度達到要求。

4）主回路調試

第一步將脫氣罐注水至高位；

第二步投入內冷回路與換流閥組回路；

第三步打開主循環泵進、出口門，排出泵內空氣后起動主循環泵；

第四步調整系統流量達到設計規范書要求。

2.2 外冷卻系統調試方法

外冷卻系統調試主要包括噴淋冷卻系統調試、自濾系統調試、殺菌滅藻系統調試和緩蝕阻詬系統調試等內容，具體試驗方法如下：

1）噴淋冷卻系統調試

第一步將噴淋水池注水至高位；

第二步開啟閉式冷卻塔；

第三步打開噴淋泵進、出口門，排出泵內空氣后起動噴淋泵；

第四步調整噴淋水流量達到設計規范書要求。

2）自濾系統調試

第一步將砂濾罐體及管路用軟化水沖洗干凈；

第二步按設計要求裝填濾料至設計高度；

第三步沖洗砂濾過濾器至出水水質達到要求。

3）殺菌滅藻系統調試

第一步對管道和溶藥箱進行沖洗；

第二步向溶藥箱中配制約 2/3液位的殺菌滅藻劑，打開計量泵進、出口門，排出泵內空氣后起動計量泵向外循環系統添加殺菌滅藻劑；

第三步根據外循環系統補水情況及化驗結果，及時調整加藥量。

4）緩蝕阻詬系統調試

第一步用軟化水對管道和溶藥箱進行沖洗；

第二步向溶藥箱中配制約 2/3液位的緩蝕阻垢劑，打開計量泵進、出口門，排出泵內空氣后起動計量泵向外循環系統添加緩蝕阻垢劑；

第三步根據外循環系統補水情況及化驗結果，及時調整加藥量。

2.3 控制系統調試方法

閥冷控制系統調試內容主要包括關鍵控制指令執行、控制邏輯驗證、故障后動作情況和溫度控制邏輯等，具體調試內容和相關功能正常的判斷依據見表1。

表1 控制系統調試內容與判斷依據

3 結論

本文首先提出柔性直流輸電換流閥冷卻系統的配置方案，包括內冷卻系統、外冷卻系統和控制系統的典型配置方案。然后提出冷卻系統調試方法，包括離子交換系統調試、主回路調試、噴淋冷卻系統調試等內容，最后提出了閥冷控制系統的構成，分析了控制指令執行、邏輯驗證和故障保護情況。本文提出的換流閥冷卻系統配置方案、內外冷系統調試方法和控制系統構架；可為柔性直流輸電工程參數設計和運維調試提供參考。

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