特高壓直流輸電關鍵技術、成套設備及工程應用

陳奇

摘要：隨著經濟和技術的飛速發展，輸電線路的電壓等級也從低壓輸電發展到目前的超高壓輸電，特高壓直流輸電是指直流 1000kV 及以上電壓等級的輸電技術，與常規 500kV 直流輸電相比，1000kV 直流輸電線路自然輸送功率為 4～5 倍，輸電距離為 2～3 倍，輸送相同容量時的損耗只有 1/3～ 1/4、走廊寬度只有 1/2～1/3，具有大容量、遠距離、低損耗、省占地的突出優勢。在研究中應用最為廣泛。

關鍵詞：特高壓直流輸電;關鍵技術;成套設備;工程應用

1陽極電抗器的作用分析

a）限制晶閘管開通瞬間的電流上升率。換流閥開通暫態過程中，晶閘管的導通開始于門極附近，導通面積需要一定時間逐漸擴展。如果在晶閘管導通面積還沒擴散情況下流過相當大的電流，由此造成的晶閘管局部溫度升高可能導致器件損壞。因此在換流閥開通瞬間為了保護晶閘管，配置陽極電抗器抑制電流快速上升。通常要求飽和前時間大于2μs，飽和前di/dt小于300 A/μs，飽和后di/dt小于2 700 A/μs。

b）限制晶閘管關斷瞬間的電流變化率。換流閥在關斷過程中，由于電荷具有存儲效應，晶閘管電流在正向過零后不會立即恢復阻斷，而是繼續有反向電流流過。如果反向恢復電流di/dt過大，晶閘管存儲的電荷較多，導致關斷期間的反向過電壓過高。因此，陽極電抗器在一定程度上能夠降低晶閘管的反向恢復期的過電壓。當然，反向恢復期的過電壓限制主要是靠阻尼回路起作用。

2換流閥寬頻建模設計

以某高壓直流工程±500kV換流閥MVU為例，建立換流閥的寬頻等效電路模型。鑒于換流閥復雜的電氣結構，本文先對閥段結構的晶閘管、陽極飽和電抗器、阻容吸收回路、沖擊電容等元器件分別進行分析，并按照電氣連接將模型完善;然后對每個閥中的元器件、閥層之間的多種寄生電容建模;最后根據換流閥的主要部件電氣連接和閥層寄生電容分布獲得了換流閥寬頻等效電路模型。利用此模型計算500kV換流閥MVU在承受雷電等沖擊電壓時閥塔的電壓不平衡系數，分析閥塔的電壓分布情況。

2.1閥段建模

閥段是換流閥的基本單元，由晶閘管、阻容回路、陽極飽和電抗器、TVM板、沖擊電容（均壓電容）等組成。一個閥組件包含2個閥段。該閥組件中，每個閥段包含13組晶閘管回路。

（1）晶閘管模型。在實際情況下，晶閘管陰陽極之間存在結電容，而且含有較小的電阻。其中Cthy為晶閘管結電容，Rthy為晶閘管的寄生電阻。

（2）阻容回路模型。阻容回路包括吸收電容和水冷電阻。由于這兩個器件寄生參數幾乎不存在，因此在模型中可直接使用其元件標稱值。阻容回路的靜態模型直接建立為電阻與電容串聯。

（3）沖擊電容模型。閥段中的沖擊電容主要用于吸收電路中的沖擊電壓。經測量幾乎不存在寄生參數，因此可使用元件的標稱值。沖擊電容靜態模型建立為無寄生參數的電容。

（4）陽極飽和電抗器模型。實際運行中的陽極飽和電抗器屬于非線性元件，在不同的運行條件下體現出不同的動態性能。飽和電抗器的飽和狀態主要是針對工頻或直流情況，其飽和特性（主電感的變化）與鐵芯材料及流過的電流有關，而其他參數與主電感的飽和與否無關。在時間短、幅值大的過電壓沖擊下，可將飽和電抗器近似看做線性元件。

（5）閥段回路模型。換流器單閥由若干閥段串聯構成。Rb、Cb為阻容緩沖吸收電路參數;LVD為閥電抗器;V為開關元件等值電路;Ck為均壓電容。在一定的頻率范圍內，與波長相比，換流器的尺寸較小，忽略其波過程，用集中參數元件進行建模。假設換流閥中同類元件參數相同，且電壓和電流在每個單元中均勻分布，則單閥可用簡化電路等值表示，其中nk為每個閥臂中均壓電容總個數，nV為晶閘管總個數，nvd為閥電抗總個數。

2.2換流閥MVU閥塔主要寬頻參數

研究的換流閥模型中，一個閥組件有26個晶閘管硅堆。閥塔采用雙塔Z型連接方式，3個閥段組成一個單閥。某高壓直流工程±500kV采用四重塔結構，即一個閥塔由4個單閥組成。根據IEC型式試驗要求，換流閥雷電沖擊外絕緣試驗樣品應采用一個換流閥閥塔作為試品，并短接一個單閥進行試驗，即采用3個單閥組成的換流閥MVU作為試驗樣品。因此針對本工程的建模，采用3個單閥組成換流閥MVU結構。

2.3雜散參數確定

在明確換流閥主要部件的寬頻模型后，現場使用電纜連接受試設備和測量裝置，通過測量信號源內阻與被測設備的分壓比，以獲得外電路的阻抗特性，并將測量數據與寬頻模型進行擬合得出主要部件的模型參數。在現場實際測量閥層之間的雜散電容時，是將閥模塊中的一個晶閘管組中晶閘管與阻容回路斷開，視其電路為開路。實際情況下，晶閘管有限的結電容使電路依然構成回路，故仿真中需將晶閘管組的模型考慮在內。除斷開一個晶閘管組以外，還斷開了沖擊電容。在MATLAB中建立測量換流閥MVU的等效電路，將測量結果與MATLAB中仿真結果進行比對，得出雜散參數。

3換流區平面布置優化

3.1換流變區

換流變按照結構可分為三相三繞組、三相雙繞組、單相三繞組和單相雙繞組。對于容量較小的柔性直流輸電工程，可采用三相換流變，在換流變內部實現閥側繞組星形或三角形聯結，變壓器制造工藝成熟，每臺換流變在閥側僅3個出線套管，如南匯和舟山柔性直流輸電工程。對于大容量柔性直流輸電工程，一般采用單相雙繞組換流變，每臺換流變閥側有2個套管出線，需要在換流變外完成繞組星形或三角形接線。單相三繞組多用于單極12脈動接線的直流輸電工程，換流變閥側1組繞組需接成星形，另1組接成三角形，目前還少有工程應用。

3.2啟動回路區

啟動回路主要包括啟動電阻和與之并聯的旁路斷路器，用以限制換流閥子模塊電容器充電過程中的過電流。相較于常規直流，啟動電阻是柔性直流換流站的獨有回路。直線型接線簡潔順暢，但相間空隙較大，空間浪費嚴重。初步布置下來，常規方案啟動電阻區的長度為40.8m。為此，可以考慮將啟動電阻及旁路開關外的其他設備，包括電壓電流測量裝置和開關設備等，全部封裝進HGIS里，然后配合啟動電阻回路轉角布置。HGIS具有體積小的顯著優勢，可大大縮減這些敞開式開關測量設備造成的占地浪費。初步布置下來，啟動電阻區采用HGIS設備后的長度為22m，較常規方案減少了18.8m。

4結論

中國特高壓直流工程的成功實踐充分驗證了特高壓直流輸變電技術大規模應用的可行性，為特高壓直流輸電技術的進一步發展和應用奠定了堅實的基礎。

參考文獻

[1]竇金良，耿慶申，李仕明.特高壓和超高壓交流輸電經濟優選分析[J].中國工程咨詢，2018（09）：47-52.

[2]寇睿恒.探究高壓直流輸電技術[J].電子制作，2018（20）：16-17+48.

[3]張媛媛.特高壓半波長交流輸電電磁暫態特性及控制技術研究[D].北京交通大學，2018.

[4]葉艷峰.特高壓交流輸電線路電磁暴露安全評估研究[D].蘭州交通大學，2018.