高壓直流換流器解鎖啟動原理及工程驗證

李志平，洪潮，靳鞏磊，劉濤,關紅兵

(1. 南方電網科學研究院，廣州510663；2. 中國南方電網電力調度控制中心 廣州510663；3. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000)

0 前言

高壓直流輸電系統換流器工作狀態可以分為電流連續和不連續2種。當高壓直流輸電系統傳輸功率時，換流器處于連續電流的工作狀態。目前大量有關直流輸電的專業技術研究工作基本上都是針對這種狀態[1-4]。電流不連續也是一種常見和基本的運行工況，卻不為技術人員關注和熟悉。換流器電流不連續工況包含單閥和多閥間歇性觸發導通的暫態過程，目前相關文獻較少。在直流輸電系統的解鎖啟動初期，整流側觸發角較大時，單閥觸發對RC回路電容充電結束后截止，這是電流不連續工況比較常見的典型例子。其過程短暫但卻是實現直流輸電功能所必須的過程，直流線路電壓泄放[5]和開路電壓試驗[6-7]等都會出現這種過程。為了完整分析單閥觸發的暫態過程，本文將在文獻[8]的基礎上考慮回路電感，對單閥觸發的暫態過程進行分析。

高壓直流輸電系統的解鎖啟動是一種典型的電流不連續工況，過程復雜，涉及控制方式、換流閥的通斷狀態和整個電路的電氣量的變化。目前未見公開文獻解釋這個問題。隨著高壓直流輸電技術的發展，晶閘管換流器有了多樣化的應用方式，除了標準的長距離輸電之外，出現了背靠背、三端直流以及混合直流輸電，相應地出現各種獨特的解鎖啟動方式，所以有必要對解鎖啟動原理進行研究。

本文結合實際工程的設備參數，運用電路理論和電力電子技術[9-10]，并考慮閥控的補脈沖功能，采用二階電路[11]對換流器形成全橋導通的暫態過程進行研究。最后以實際工程調試時解鎖換流器得到的電氣量錄波數據來驗證理論推導的正確性。

1 概述

高壓直流輸電系統解鎖啟動的控制過程如下：逆變側先以150 °的大觸發角發出脈沖后，觸發角相對固定不變，接著整流側以小于150 °的大觸發角發脈沖，然后逐步移相減小觸發角。經過約700 ms即35個工頻周波的時間由閉鎖狀態進入傳輸功率狀態。該控制過程復雜，簡述如下。

高壓直流輸電系統的晶閘管采用的觸發控制方式為窄脈沖等間隔觸發。解鎖期間控制的一個重要特點是配置有補脈沖功能：控制系統發送給閥控裝置的觸發命令的有效時間相當于工頻120 °對應的時間即6.66 ms，稱為閥的觸發窗口時間，閥控命令的有效時間內稱閥處于時間窗口內。如果閥導通后出現截止，之后再檢測到閥有正向偏置電壓，則給閥補發觸發脈沖。解鎖啟動后的任何時刻，12脈動換流器有4個閥處于時間窗口內。

閥的偏置電壓即其并聯的RC回路的電容電壓[14-15]，是高壓直流輸電系統解鎖啟動的研究對象。閥的偏置電壓由2部分組成：交流電源提供的電壓，以及單閥觸發導通后系統電源對不導通閥組件的RC回路電容充電電壓。換流器處于電流不連續狀態時呈現出交直流混合電路的特征，可用電路理論的疊加原理分析。

在高壓直流輸電系統解鎖啟動的初期，整流側觸發角逐步減小，單閥觸發導通對截止閥的RC回路電容充電，處于時間窗口內的截止閥的RC回路電容獲得充電電壓，增加了正向偏置電壓。當觸發角較大時，觸發時刻閥連接的交流相電壓瞬時值較小，無法使時間窗口內的其他閥產生正向偏置電壓，不產生補脈沖，單閥觸發對RC回路電容充電結束后截止，換流器處于單閥間歇導通的工作狀態。RC回路電容獲得的充電電壓不經截止的閥放電，此階段直流電壓上升緩慢，逆變側處于截止高阻狀態。

高壓直流輸電系統解鎖啟動的中后期，觸發角逐步減小，觸發時刻閥連接的交流相電壓瞬時值增加，被觸發導通后對截止閥的RC回路充電電壓增加了，從而時間窗口內的閥有正向偏置電壓，能夠產生補脈沖觸發導通。如果12脈動換流器在時間窗口內的4個閥全部補脈沖觸發導通，則稱為4個閥全橋導通，這時系統電源電壓經導通的換流器加到直流出口端。此階段直流電壓上升較快。如果四閥導通能夠延續到下一次觸發的閥換相，則產生連續電流，否則為四閥間歇性導通。解鎖啟動過程中整流側換流器起建立直流電壓的主導作用，整個過程大部分時間觸發角較大，這點是換流器電流不連續和連續的差異，也是本文重點探討的狀態。

可見高壓直流輸電系統的解鎖啟動過程由換流器單閥間歇性導通、全橋間歇性導通和形成連續電流3個階段組成。全橋間歇性導通階段又由全橋導通形成、延續和截止3個分階段組成。在控制作用下換流器出現全橋導通是關鍵。全橋導通形成的過程中，當前新進入時間窗口內的閥觸發導通，對截止閥的RC回路充電，在一定條件下使時間窗口內的其他閥出現正向偏置電壓，會產生補脈沖觸發導通。本文在文獻[8]結論的基礎上，將此暫態過程近似為二階RLC電路的響應，尋找時間窗口內的閥偏置電壓變化的規律，并求取換流器出現全橋導通的條件。

高壓直流輸電系統的解鎖啟動是整流側換流器和逆變側換流器相互作用的過程，解鎖啟動的中后期，整流側換流器形成全橋導通。解鎖啟動過程中整流側換流器起建立直流電壓的主導作用。直流電壓大于逆變側換流器的平均電壓時逆變側形成連續電流，起到鉗制直流電壓的作用，這樣又有利于整流側換流器出現全橋導通及脈動電流的延續，起到維持直流電壓的作用。整流側換流器全橋導通產生的脈動電流延續到逆變側的下一次閥觸發循環，逆變側換流器可能會出現全導通，則兩側會出現導通重疊，這樣相互作用使解鎖啟動獲得成功。

本文分析時只考慮基本的因數，忽略換流變壓器閥側對地雜散電容、直流均壓電阻、截止晶閘管的漏電流等。假定三相交流電源平衡，各閥的緩沖RC回路的參數完全相同。此階段流過閥的電流值較小，可以認為晶閘管是理想的開關。

2 換流器形成全橋導通過程分析

全橋導通形成之前換流器所有閥均為截止狀態，全橋導通形成過程中，控制系統僅給當前進入時間窗口的閥發觸發脈沖，引發單閥導通對截止閥的RC回路充電，使時間窗口內的其他閥出現正向偏置電壓而產生補脈沖觸發導通。以下用二階RLC電路的暫態響應的算法對換流器單閥導通過程進行分析。

2.1 時間窗口內閥的偏置電壓

高壓直流輸電系統在傳輸功率運行時整流側以最小觸發角方式保證閥的正向偏置電壓，逆變側的閥比整流側有更大正向偏置電壓。換流器電流不連續工況下處于時間窗口內的閥的偏置電壓由兩部分組成，1)交流電源提供的電壓，對共陰極的閥即為所連接的交流電源的相電壓，而共陽極的閥為交流電源的相電壓負值；2)單閥觸發導通后系統電源連接外部電路對不導通閥組件的相關RC回路電容充電電壓。前者為交流分量電壓隨交流電源而變化，稱為閥關聯的窗口電壓。后者為直流分量電壓，因其他閥的觸發導通而產生，可將相關電路近似為二階RLC電路暫態過程進行分析計算。所以時間窗口內閥的偏置電壓為交、直流分量電壓疊加，當有正向偏置電壓時則給閥補發觸發脈沖。當前被觸發閥的電流延續時間內有后閥補脈沖導通即出現兩閥觸發導通，類似出現3閥觸發導通，對12脈動換流器出現4閥觸發導通即為全橋導通。

這里提出“半橋”直流分量電壓的概念，每“半橋”三閥的其中一端直接相連，另一端所連接的交流電源回路的直流電阻很小，將閥的偏置電分解為直流分量電壓和交流分量電壓后，認為每“半橋”三閥偏置電壓的直流分量相等。

2.2 二階RLC電路響應的一種簡明解法[11]

二階串聯RLC電路如圖1所示。圖中US為直流激勵電壓源；uC為電容電壓，設UC0為電容的初始電壓。

圖1 二階串聯RLC電路圖Fig.1 Diagram of second order series RLC circuit

二階串聯RLC電路的零輸入響應的微分方程為：

(1)

(2)

(3)

-UN=-UC0e-δtN

(4)

(5)

由于直流激勵全響應的性質類似，響應結果為：

(6)

上述反向峰值電壓即為過沖峰值電壓。響應電流的求解類似。

2.3 500 kV高壓直流工程單閥觸發的計算

用上述二階RLC電路響應的簡明算法，對±500 kV高壓直流輸電工程單閥觸發的暫態過程實例進行計算，以了解由此引起的時間窗口內閥的偏置電壓變化。12脈動換流器的結構如圖2所示。以閥1觸發導通來分析其電流通路系統電源A相經過閥1接平波電抗器LV又接直流濾波器到直流中性點側，經過不導通的3個“半橋”的緩沖RC回路和閥電抗器LE返回系統電源，閥1觸發導通圖如圖2(b)所示。因為電路含有單向導通的晶閘管元件，其過程僅延續半個振蕩周期，電流過0后閥截止即結束。該暫態過程可近似為二階RLC電路的響應。對于單閥觸發工況可將直流濾波器視為恒定的電容電壓。因為1個“半橋”由3個單閥并聯，3個“半橋”串聯的RLC回路等效為1個換流閥截止時的RLC電路。

圖2 12脈動換流器結構及單閥觸發等效圖Fig.2 Structure of a 12-pulse converer and its equivalent circuit of single valve triggered

結合設備參數推算出二階RLC電路的參數，計算分析直流激勵下的零狀態響應。換流變壓器設備參數如下，容量3Sφ=3×317.6 MVA；閥側電壓E=210.5 kV,短路電抗UK=16.5%。每個閥由6個閥段組成，每個閥段有13個晶閘管和組件，所以每個閥有78個晶閘管，參數如下：a)閥電抗器綜合電感LV=9.6 mH；b)晶閘管級(每個閥段13個)：阻尼電阻RB=(36±3%) Ω，阻尼電容CB=(1.4±5%)μF，晶閘管電壓監測板(thristor voltage monitor，TVM)的均壓電阻RDC=(500±2%) kΩ。在上述設備參數的基礎之上，忽略均壓電阻和均壓電容等一些次要的因素，得出晶閘管截止時換流閥電路為一個串聯的RLC電路。

其參數為：RV=78×RB=2 808 Ω，CV=CB/78=18.0 nF，LV=9.6 mH。直流場的平波電抗器的電感為300 mH，關于直流濾波器，其電抗只考慮L1，電感為14.5 mH。

2.4 換流器全橋導通過程討論

以上為單閥觸發過程發展到指定狀態的推導。實際上，當檢測到時間窗口內閥出現正向偏置電壓20 μs后，控制系統發出補脈沖，進一步對未開通的窗口閥的偏置電壓產生影響，加速形成全橋導通。本例是假定整流側換流器以初始觸發角85 °開始移相，即此刻換流器出口直流電壓為0，做直流激勵下的零狀態響應分析計算，表明會形成全橋導通。

3 實際工程的解鎖啟動過程

直流輸電系統的解鎖啟動過程中，整流側換流器經歷單閥間歇導通、間歇性全橋導通和形成連續電流3個階段，承擔建立直流電壓任務。此過程的大部分時間內逆變側處于單閥觸發導通狀態，末期出現間歇性全橋導通和形成連續電流階段。以某±500 kV高壓直流輸電項目為例，其整流側換流器解鎖啟動過程錄波如圖3所示。錄波的位置在整流站。由于極2單極運行，因此解鎖極1時其感應電壓為負。

圖3 整流側換流器解鎖啟動過程錄波圖 Fig.3 Recorded waves of deblocking and starting process of converter at rectifier side

圖4為整流側換流器處于間歇性導通階段的錄波圖，可見較大的正向脈動電流是換流器向線路充電的電流，較小的反向電流是閥截止之后直流線路電容向閥RC回路反向充電的電流。表面上看只是兩個過程，實際上還包含著整流側換流器形成間歇性全橋導通的關鍵過程，本節針對此進行分析。

圖4 整流側換流器間歇性導通的錄波圖Fig.4 Recorded waves of intermittent conduction of converter at rectifier side

脈動電流是12脈動換流器全橋導通后輸出的下降沿工頻脈動電壓向直流端外電路充電的電流。外電路為直流線路，連接高阻狀態的逆變側換流器，其固有振蕩周期為15～20 ms。外加直流電壓激勵時充電電流的脈沖寬度等于振蕩半周期，但下降沿的工頻正弦交流電壓源激下電流脈沖寬度約為1.33 ms。脈動電流過0后各窗口閥截止。本節設整流閥RC回路直流電壓分量參考方向是連接晶閘管的陰極端為正，陽極為負。根據文獻[8]的結論，閥截止后各“半橋”的直流分量等于截止時刻的交流窗口相電壓瞬時值，可由1.33 ms對應的工頻24 °電角度代入2.1節的窗口閥的交流電壓分量公式計算。閥截止后直流外電路向整流閥RC回路電容反充電，也可用上述2.2節二階RLC電路響應的簡明方法計算，有一定的過沖峰值電壓。由于外接電容的容量為單閥RC回路電容的容量60倍以上，反向充電之后直流電壓不會改變，各半橋獲得直流電壓增量，因此，當直流分量為正則起到減少閥偏置電壓的作用。因為窗口閥的交流分量是下降沿的工頻正弦波，所以閥截止后交/直流分量疊加后，閥不出現正向偏置電壓的情況，到下個觸發前換流器將一直處于截止狀態。

表1 整流側解鎖時電氣量變化表Tab.1 Variation table of electric quantities when rectifier side deblocking

4 特高壓第二個閥組的解鎖

該過程是在1個12脈動閥組處于運行狀態下投入同一極的第2個閥組[12-13]。對第2個閥組在出口短路狀態下進行解鎖，運用上述結論分析直流電流的變化過程。

首先在12脈動閥組閉鎖時發出跳開旁路開關的指令，隨后高速旁路開關觸點開始分離，此時同極另一閥組的直流電流仍然流經旁路開關形成回路。設定旁路開關分閘過程末期釋放觸發脈沖信號，并將觸發角限制在70 °約5 ms，強迫直流電流從旁路開關全部轉移到換流閥。

換流變壓器容量3Sφ=3×248.6 MVA,閥側電壓E=170.5 kV，短路電抗UK=16.5%。1個閥由4個閥段組成，每個閥段有15個晶閘管和組件，所以每個閥有60個晶閘管。晶閘管級：阻尼電阻RB=(36±3%)Ω，阻尼電容CB=(1.6±5%)μF。換流閥組件為一個串聯的RLC電路，其參數為：RV=60×RB=2 160 Ω，CV=CB/60=26.6 nF，LV=6.4 mH。

5 結論

12脈動換流器解鎖過程由單閥間歇性導通、四閥間歇性全橋導通和連續電流出現3個階段組成。本文采用二階電路的暫態響應的方法，考察控制時間窗口內閥的偏置電壓變化，對換流器的全橋導通形成的暫態過程進行研究。得到了換流器出現全橋導通的判斷條件：時間窗口內4個閥的交流相電壓之和大于換流器出口直流電壓，依據這個判據出口短路時觸發角為105 °是出現4閥全橋導通的臨界條件。同時給出了12脈動換流器輸出脈動電壓的表達式。分析表明在實際工程的設備參數設置和控制方式下，解鎖過程中全橋導通得以形成。

解鎖過程中單閥觸發情況下的電流通路是經過未觸發閥的RC回路形成，響應電流為振蕩形式。而全橋導通的暫態過程相當于工頻激勵合閘于直流出口端電路的過程。每次全橋導通產生脈動充電電流使直流電壓上升。直流輸電系統的解鎖啟動末期是形成連續電流的關鍵。此時整流側觸發角小于30 °，直流電壓大于逆變側換流器的平均電壓形成連續電流導通，起到鉗制直流電壓的作用。解鎖末期整流側輸出脈動電壓變平緩更接近直流，充電電流延續時間更長，整流側導通延續到下次觸發實現換相，直流輸電系統獲得解鎖成功。

運用推導的結論分析了一個高壓直流輸電工程解鎖時的錄波圖，較好地解釋了直流電壓電流的變化過程，驗證了理論推導的正確性。類似對特高壓解鎖第二個閥組時的電氣量變化分析，指出觸發角取80 °比70 °更優。