舟山多端柔性直流輸電系統換流閥技術

劉 黎，沈佩琦，楊 勇，詹志雄

（國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

柔性直流輸電技術是基于全控型電力電子器件的新一代直流輸電技術，輸出電壓電流諧波含量低，不存在換相失敗風險，有功無功可實現快速解耦控制。柔性直流輸電技術在提高電力系統穩定性，增加系統無功儲備，改善電能質量，解決非線性負荷、沖擊性負荷對系統的影響等方面都具有技術優勢。由于其本身的技術特點，柔性直流輸電系統適用于可再生能源并網、分布式發電并網、孤島供電、海上平臺供電和大型城市電網供電等方面[1-4]。

1 概述

換流閥是柔性直流的核心部件，是實現交流-直流變換的的樞紐，在柔性直流輸電系統中可以采用的電壓源換流閥結構有多種。兩電平、三電平和模塊化多電平是目前最為主要的3種。

2010年之前，兩電平、三電平為主要的柔性直流輸電換流閥形式，閥采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）串聯技術，壓裝式IGBT因其短路失效特性而被應用于兩/三電平換流閥中[6]，兩電平換流閥、三電平換流閥運行時開關頻率較高，換流閥的損耗較大。

自SIEMENS在Trans Bay Cable工程首次應用MMC（模塊化多電平換流器）技術后，ABB公司和ALSTOM公司也開始建設應用模塊化多電平換流閥，不需要開關器件直接串聯，焊接式IGBT可滿足需求，并且通過多電平技術可以獲得優異的諧波性能和損耗性能，通過模塊化的技術可以靈活改變換流器的輸出電壓及功率等級，易于擴展到任意電平輸出，滿足不同電壓等級和容量的柔性直流輸電工程應用。MMC因其良好的性能得到了快速的工程應用，國內柔性直流工程均采用MMC，技術上也都采用支撐式結構的換流閥。

舟山多端柔性直流輸電示范工程在舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島各建設1座換流站，直流電壓等級為±200 kV，容量分別為舟定換流站400 MW、舟岱換流站300 MW、舟衢換流站100 MW、舟洋換流站100 MW、舟泗換流站100 MW。本文以舟山工程為例，介紹多端柔性直流輸電換流閥技術。

2 換流器工作原理

2.1 技術特點

柔性直流換流器為電壓源型換流器，由換流閥、橋臂電抗器等構成。其中，換流閥采用全控型（可關斷）器件，開通和關斷時間可控，與電流方向無關，可四象限運行，潮流反轉時直流電壓極性不變，便于構建多端直流系統及直流電網；可工作在無源逆變方式下，沒有換相失敗問題，可以向孤島負荷供電，或者連接分布式發電系統；可同時且獨立地控制有功功率、無功功率，使控制更加靈活方便，自動進行無功調節，無需額外補償裝置；開關頻率較高，低次諧波含量低，不需要或只需配置容量很小的高次濾波器[5-6]。

2.2 換流閥拓撲原理

舟山多端柔性直流工程換流閥采用基于半橋式子模塊的模塊化多電平拓撲結構，換流閥包含6個橋臂，每個橋臂由多個功率子模塊串聯而成。換流閥拓撲原理示意如圖1所示。

每個橋臂由n個SM（子模塊）與橋臂電抗器L串聯組成，同相的上下2個橋臂構成1個相單元，各橋臂子模塊按正弦規律依次投入，上下橋臂電抗器的連接點為換流器交流電壓輸出口，分別輸出三相交流相電壓ua，ub，uc。為保持直流電壓穩定，在不考慮冗余的情況下，上下橋臂的子模塊對稱互補投入，任意時刻上下橋臂投入子模塊數之和為定值n。

為了滿足高直流電壓等級、大容量輸送的需求，模塊化多電平換流器單個橋臂需要串聯的子模塊個數會達到數十甚至上百個，在這種情況下，諧波問題已不再嚴重，因此使用階梯波調制中的最近電平逼近調制作為調制策略，不僅實現簡單，而且開關頻率較低，開關損耗較小[7-8]，控制原理如圖2所示。

圖1 模塊化多電平換流閥拓撲原理示意

圖2 最近電平控制原理

圖2中，uarm_ref為橋臂參考電壓，與子模塊正常運行時的平均電壓Usm相除后，經取整運算后得到當前橋臂投入的子模塊數，橋臂控制器根據當前時刻的橋臂電流方向對橋臂內所有子模塊電壓進行排序，最終生成橋臂子模塊的觸發脈沖，完成最近電平控制。

2.3 換流閥子模塊

子模塊為換流閥基本單元，采用半橋式拓撲，由IGBT1、IGBT2、直流儲能電容、晶閘管和旁路開關組成。子模塊是由1個兩端部件連同其自身的直流儲能電容器單元組成，如圖3所示。每個子模塊具有2個主端子用于子模塊的串聯。通過恰當控制閥組模塊中的IGBT，使得子模塊主端子電壓為電容器電壓或零。這些子模塊是獨立控制的，2個電流方向下都可以在全模塊電壓（對應的儲能電容器電壓）和零電壓之間切換。

圖3 子模塊結構

3 換流閥組成結構

3.1 舟山柔性直流閥塔結構

舟定、舟岱、舟衢換流站采用南瑞公司生產的換流閥（包括阻尼模塊），舟洋、舟泗換流站采用許繼公司生產的換流閥。基于模塊化多電平技術，換流閥主要由子模塊、閥組件和閥塔構成。換流閥由6個橋臂組成，其中3個上橋臂與3個下橋臂，由3個集成閥塔單元組成。每個集成閥塔的一側為水管冷卻管路，另一側為光纜槽。水管支路設4層，將冷卻水分配至各個模塊，水管分進水管與出水管。橋臂電氣元件運行信號由光纖輸出，光纜槽分設4條支路，布置于閥塔4層，光纖敷設于主光纜槽后，通過各層光纜槽連接至各個模塊內。橋臂各層閥段通過支柱絕緣子連接，同層閥段連接處設置均壓罩，均壓罩的邊緣和棱角按圓弧設計，確保在高壓下對地沒有火花放電。整個橋臂還配置了交流進線、直流出線管母等部件。

橋臂整體通過支柱絕緣子固定于地面，每個橋臂包含3個集成閥塔單元。例如定海換流站、岱山換流站的集成閥塔共分4層，每層4個閥段，共計有16個閥段，每個閥段配置6個模塊，在16個閥段中有6個閥段配置了5個模塊，留有1個冗余位置，即每個集成閥塔共90個模塊，每橋臂共計由270個模塊組成。衢山換流站的集成閥塔共分4層，每層3個閥段，共計有12個閥段，每個閥段配置8個模塊，在12個閥段中有3個閥段配置了6個模塊，留有2個冗余位置，即每個集成閥塔共90個模塊，每橋臂共計由270個模塊組成。圖4所示為舟定換流站換流閥閥塔。

圖4 舟定換流站換流閥塔

換流閥采用空氣絕緣、去離子水冷卻、戶內安裝，雙列式支撐式閥塔結構，閥組件由5～6個子模塊串聯組成，并配置有絕緣支撐梁，既能保證絕緣性能又能充分保證機械性能；為便于子模塊的檢修，相應的絕緣支撐導軌采用等電位滾輪式結構，子模塊可靈活插拔。該閥塔結構大大縮減了換流閥占地面積，增強了閥塔抗震性能，同時提高了換流閥維護效率，有效降低了閥塔寄生電氣參數對換流閥運行影響。

3.2 換流閥阻尼模塊

為實現舟山柔性直流工程系統直流側故障快速隔離以及重啟動功能，解決運行靈活性不足、橋臂故障交流電流存在較大直流偏置等問題[9-12]，并實現直流故障快速恢復技術的工程化應用和驗證，2016年舟山多端柔性直流輸電工程實施了直流斷路器及阻尼快恢復裝置的加裝改造，在五站的換流閥橋臂空槽位中加入阻尼模塊。其中，舟定、舟岱、舟衢每個橋臂具有18個空槽位，每個站共加裝108個阻尼模塊。舟洋換流站換流閥橋臂安裝1套阻尼模塊，大約90個。舟泗換流站換流閥橋臂安裝1套阻尼模塊，大約120個。

當直流側發生故障時，阻尼模塊IGBT閉鎖，阻尼電阻串聯進入故障電流回路，實現故障電流的快速衰減。當故障電流衰減至一定值時，諧振開關分斷故障電流，實現故障線路的隔離。阻尼模塊主要由阻尼電阻R，IGBT，旁路開關DL以及模塊的控制和取能電路等部分組成，阻尼模塊中IGBT和電阻的安裝形式如圖5所示。

4 換流閥的控制與保護

柔性直流輸電工程的控制可以分為系統級控制、換流站級控制、換流閥級控制、子模塊級控制。圖6所示為換流站控制層級結構。系統級控制包含確定柔性直流工程各個換流站的控制目標與相互配合關系；換流站級控制包含確定站內的控制策略；換流閥級控制包含產生換流閥基本模塊的觸發脈沖。換流閥子模塊級控制包含接收換流閥閥級控制產生的觸發脈沖信號，根據觸發脈沖信號，對子模塊IGBT進行開通和關斷控制。

柔性直流輸電工程的保護系統采用雙重化保護配置，每套保護均采用“啟動+保護”的出口邏輯，啟動和保護裝置從采樣、保護邏輯到出口的硬件設備完全獨立。保護系統按被保護的一次設備分為數個保護區：站內交流連接母線區主要對聯接變壓器與換流器之間的交流母線進行保護；換流器區主要對換流閥、橋臂電抗器以及交流連接線進行保護；直流場保護區主要對直流輸電線路以及直流線路上串聯的平波電抗器等設備進行保護。以換流器保護為例，換流器區主要配置了交流過流保護、橋臂過流保護、橋臂電抗器差動保護、閥側零序分量保護、閥差動保護和橋臂環流保護等[13]。

圖5 阻尼模塊

圖6 換流站控制層級結構

4.1 控制特性

舟山多端柔性直流換流站換流閥控制系統配置的控制功能有：

（1）換流閥充電模式辨識與自主充電控制，可在線自動辨識充電模式（有源充電或無源充電），并根據充電模式執行相應的充電控制策略，保證換流閥子模塊電壓升至預定值以及各橋臂子模塊電壓不均衡度小于±5%。

（2）大規模節點子模塊電壓均衡控制，保證換流閥解鎖運行后各橋臂子模塊電壓不均衡度小于±5%。

（3）閥控層橋臂環流控制，使得橋臂電流中的2次環流含量小于3%，橋臂電流正弦化，有效降低了換流閥損耗。

（4）換流閥開關頻率優化控制，將換流閥開關頻率控制在200 Hz以內，有效降低了換流閥損耗。

（5）換流閥故障子模塊高速冗余切換控制，切換時間小于3.5 ms，實現故障子模塊高速無縫切換，保障了換流閥可靠運行。

（6）閥控設備主備無縫切換控制，切換時間小于1 ms，保障換流閥穩定可靠運行。

4.2 保護特性

舟山多端柔性直流換流站換流閥控制系統與子模塊控制器配置的保護功能有：

（1）跳閘請求。換流閥及閥控出現如下故障時閥控請求跳閘：如橋臂過電流；子模塊旁路開關拒動故障；單橋臂子模塊故障個數超過子模塊冗余數量；主備信號重疊時間過長等。

（2）請求主備系統切換。閥控值班系統出現以下故障時閥控請求系統切換：閥控內部通信故障；閥控與控制保護系統通信故障；閥控與測量系統通信故障等。

（3）閥控報警。當換流閥及閥控系統出現以下故障時閥控發出報警信息：橋臂內存在故障子模塊，但故障個數未超過子模塊冗余數量；任意橋臂閥塔檢測到閥塔漏水；閥控與測量系統通信故障；閥控內部任一路電源故障等。

（4）子模塊級故障保護功能。

換流閥子模塊配置有以下故障保護功能：子模塊IGBT驅動故障保護；子模塊過欠壓保護。

子模塊電源故障保護；子模塊旁路開關拒動故障保護；子模塊通信故障保護。

5 換流閥的運行監視與故障處理

5.1 換流閥的運行規定

換流閥的運行必須具備以下條件：

（1）閥廳接地開關已全部拉開。

（2）閥廳大門已關閉并上鎖。

（3）閥廳空調系統運行正常。

（4）閥水冷系統運行正常。

（5）各控制保護均正常投入運行。

（6）閥廳火災報警裝置運行正常。

5.2 換流閥的故障處理

若換流閥子模塊報故障，需匯報并申請進行復歸操作；若報警信號復歸，說明報警是瞬時故障引起，故障已消除；若報警信號未復歸，或短時復歸后繼續重發，說明報警信號是永久故障引起，則記錄該閥故障數量和位置，密切監視直流系統的運行情況。當單閥故障次數達到規定時，應及時申請將直流系統停運進行檢修處理。

對換流閥進行故障處理更換損壞元件時，必須停運有關電氣回路和水回路，換流閥各側的接地開關必須在合上位置。進入閥塔更換故障子模塊時，需要做防靜電措施。對換流閥進行故障處理前，必須對換流閥子模塊電容進行充分放電。

換流閥阻尼模塊和子模塊在充電或運行時均存在子模塊故障旁路拒動的概率，若出現模塊拒旁，該站會閉鎖退出運行。運行中發現，南瑞換流閥在充電階段，僅上報故障信號而未上報旁路信號，目前根據廠家建議，由于此時故障模塊旁路狀態未知，出于安全考慮，若換流閥充電過程中（解鎖前）出現阻尼模塊或子模塊故障未旁路，需進閥廳人工確認該故障模塊的旁路狀態。

5.3 問題和措施

5.3.1 發現的問題

2017-12-31 T 17：24，加裝阻尼模塊后的年檢工作結束后，舟岱換流站運行人員進行交流充電操作，舟岱換流站交、直流側帶電，監控后臺上報A相上橋臂功率子模塊SMC21故障信息，SMC21已旁路。之后舟岱換流站交流主動充電，主動充電完成后，后臺上報A相上橋臂的阻尼子模塊SMC4上行通信故障。由于此時故障阻尼子模塊旁路狀態未知，申請停運舟岱換流站后，人工進入閥廳并確認，A相上橋臂的阻尼子模塊SMC4未旁路，手動對其進行旁路。

對舟岱換流站監控后臺歷史事件進行排查，發現在12月17日舟岱換流站停運斷電過程中，A相上橋臂功率子模塊SMC21旁路，阻尼子模塊SMC4在功率子模塊SMC21左側。此時，由于斷電后，阻尼閥控充電標識消失，與故障功率子模塊SMC21相鄰的阻尼子模塊SMC4無法旁路。12月31日，舟岱換流站啟動充電過程中，由于A相上橋臂功率子模塊SMC已旁路，與其相鄰的阻尼子模塊SMC4取能失敗，失去旁路能力，之后上報故障信息。

5.3.2 原因分析

阻尼模塊主要由阻尼電阻R，IGBT，旁路開關以及阻尼模塊的控制、取能電源板卡等部分組成。阻尼模塊的控制電路作為SM單元的控制核心，通過光纖接收VBC（閥基控制系統）發送下來的控制命令，完成IGBT的控制、旁路開關的控制。同時采集SM單元的相關狀態，并編碼后反饋給VBC，用于監視SM單元是否正常工作，如開關狀態、IGBT狀態等。阻尼模塊采用高位取能模式。

阻尼模塊包括兩種工作狀態，分別為旁路狀態和阻尼狀態。處于旁路狀態時，T1導通，阻尼電阻被旁路；處于阻尼狀態時，T1關斷，阻尼電阻將串入橋臂中。阻尼模塊的工作狀態與換流閥的解閉鎖狀態保持一致，當換流閥解鎖時，阻尼模塊工作于旁路狀態；當換流閥閉鎖時，阻尼模塊工作于阻尼狀態。當發生故障，保護動作后閉鎖換流閥使橋臂中的阻尼模塊均工作在阻尼狀態，此時橋臂中等效于串入了較大的電阻，能夠對故障電流進行限制，同時在進線開關跳開后，能夠快速使橋臂中的電流衰減，為故障隔離和快速恢復創造條件[14]。阻尼模塊在閥解鎖后退出運行，閥閉鎖時投入運行（充電階段，阻尼模塊也為投入狀態）。若模塊發生故障，自動旁路。

由于阻尼模塊自身無取能電容，采用外取能方式，即阻尼模塊的輔助供電來自于相鄰的換流閥功率子模塊，所以當相鄰被取能功率模塊發生故障旁路時，該阻尼模塊控制板卡將無法正常取能，會導致旁路失敗[15]。阻尼模塊取能原理如圖7所示。

圖7 阻尼模塊取能原理

5.3.3 解決措施

通過跨接銅排改造，涉及阻尼模塊及其右側的被取能功率子模塊。改造方案為：取消銅排1，銅排2保持不變，增加跨接銅排3（如圖8所示）。

圖8 阻尼模塊改造方案示意

實施上述改造方案后，不論換流閥是充電還是解鎖狀態，均可以實現阻尼模塊故障、子模塊未故障情況下，阻尼模塊旁路開關閉合，系統繼續運行；該子模塊故障，子模塊旁路開關閉合，阻尼模塊和子模塊同時旁路退出，系統繼續運行。

6 結語

介紹了MMC換流閥基本原理及閥塔組成結構，并對舟山柔性直流輸電工程換流閥的控制與保護特性進行了分析，結合舟山工程實際運維經驗，總結了換流閥的運行規定及故障處理流程。重點分析了閥塔加裝阻尼模塊后，系統運行中發現的問題，提出了合理解決措施，對其他工程建設具有指導意義。