超高壓輸電網中對電力電子技術的應用分析

李澤，張朝輝，蘇杰和

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510700）

1 我國高壓輸電網中存在的電力問題

針對當前我國的實際特殊情況，面對當前我國電網的主要特點，即電網容量不斷增大，其對應的遠距離輸電不斷增多等。同時，隨著當前我國電力系統電壓不穩定的情況越來越頻繁，如何能夠保證超高壓輸電網的電壓在一定穩定的基礎上保證其合理性，而換流閥就能夠提供較為準確有效的換流工作，以此保障我國高壓輸電網面臨的相關電壓問題。

2 高壓輸電網中對換流閥的相關要求

2.1 閥控制與換流閥的相關介紹

閥控制是一個基于微處理器的、冗余的免維護晶閘管閥觸發和監控系統。它也是閥和其他控制和保護系統的一個接口。其基本功能如下：產生所有的晶閘管的觸發脈沖、監測晶閘管及其相關設備的狀態、在反向恢復期保護晶閘管、產生閥電流過零關斷信號、執行自檢等。

而換流閥是當前高壓輸電系統中，能夠有效實現換流所需要的三相橋式換流器的相關橋臂，是其換流器的基本單元設備。其主要的作用是能夠進行換流工作，在對應的輸電工程中，換流閥不僅能夠有效進行整流以及逆變的相關功能，還具有一定的開關功能，能夠有效利用其自身的快速可控性對其輸電的啟動以及停運進行對應操作。

2.2 換流閥的主要分類以及VBE的主要介紹

換流閥在高壓輸電網中占有重要的作用，可以分為常規晶閘管閥（晶閘管閥或者可控閥)、低頻門極晶閘管閥（GTO閥)以及高頻絕緣柵雙級晶閘管閥（IGBT閥)等。而關于輸電網中閥底部電子設備VBE的主要研究分析，其包括晶閘管控制與監測（TC&M)、光發射板以及接收板、晶閘管電壓監測、反向恢復期保護光源、光纜以及光分配器等。閥底部的電子設備VBE是互為熱備用的冗余系統（系統1和2）。基本上任何環節均采用了并行冗余硬件設計。僅僅晶閘管電壓監測板TVM到光接收板的回報信號光纜無冗余，但是，可以認為閥內晶閘管級的串聯冗余也是回報信號光纜的冗余。

其中，對應的晶閘管是用來接收來自極控制和保護（PC&P）的信號，如觸發控制信號。VBE將這些信號轉換成觸發晶閘管的脈沖和對每個閥段內RPU的控制脈沖。令其脈沖分別通過光發射板或RPU接口板轉換為光脈沖，通過光纜送到每一只晶閘管和RPU。與此同時，還通過光接收板接收所有晶閘管的電壓監測板TVM的回報信號。為了快速處理數據，互為冗余的TC&M每個系統都由FPGA（現場可編程門陣列器件）、PLD（可編程邏輯器件）和微處理器組成，該系統連續檢測閥上每個晶閘管級的回報信號。其中對應的監測功能在故障時會通過硬線或光纜發出跳閘信號。這些信息也通過現場總線發送到極控制和保護。與運行保護和站控制相關的報警信號也由TC&M發出，并通過現場總線發送給極控制和保護系統PC&P。

2.3 高壓輸電網對換流閥的相關要求

關于高壓輸電網中晶閘管換流閥的設計是當前換流站的主要核心設備，其對應的投資約占全站設備投資的四分之一。晶閘管換流閥需要在預定的外部環境以及系統條件下，按照規定的要求安全可靠地運行，并且能夠有效滿足損耗小、安裝以及維護方便、投資省的要求。

（1）系統對換流閥的定值要求。系統對換流閥定值的要求包括對連續運行額定值的要求以及過負荷能力的要求。針對連續運行定值，應根據系統要求及對高壓直流系統主回路參數研究的結果來確定換流閥的連續運行額定值，同時，需要合理考慮諸如最高環境溫度等因素的影響。關于閥的冷卻系統及其他輔助系統的設計須滿足所確定的連續運行額定值的要求。而對于過負荷定值，則可以將其分為連續過負荷額定值、短時過負荷額定值以及暫態過負荷額定值。其中，前兩種過負荷額定值是由相應電力系統故障后為減少經濟損失，以及為電力系統故障后的恢復提供必要的功率支持而提出來的，該定值的合理性應顧及相應設備費用的增加。而后一種過負荷額定值是由直流輸電系統以各種調制方式阻尼交流系統的振蕩和提高系統運行穩定性的要求而提出的。

過負荷額定值均應考慮過負荷前的運行狀態，如實際的負荷情況及冷卻設備投運情況等。

（2）針對運行觸發角工作范圍的要求。關于當前對晶閘管換流閥的相關運行觸發角工作范圍的優化選擇，應具體考慮其換流閥是否能夠滿足額定負荷、最小負荷以及直流降壓等各種運行方式的相關要求。同時，是否滿足對正常起停和事故起停的要求，還需要考慮是否能夠滿足交流母線電壓控制以及無功調節控制等的相關要求。針對當前的換流閥觸發角，其從減少無功損耗、諧波分量以及降低運行損耗等方面考慮，要求其觸發角越小越好，但若是從換流閥安全可靠換相以及其對應的調節裕度的方向考慮，其應有最小角度限制。

3 換流閥高壓輸電網中的設計與應用

3.1 換流閥的相關介紹

關于換流閥在閥控制中的應用設計，其換流閥主要是將兩個6脈動換流器串聯組成12脈動換流器，12脈動換流器直流電壓質量好，所含諧波成分少。絕大多數直流輸電工程都采用12脈動換流器。

3.2 晶閘管換流閥的結構電氣連接介紹

晶閘管換流閥是當前由晶閘管元件以及對應的電子電器、阻尼回路和組裝成閥組件的相關陽極電抗器、均壓元件等利用某種形式的電氣連接方法后組裝而成的對應高壓輸電網換流橋的一個橋臂。其主要包括晶閘管和晶閘管管理、閥組件、單閥（閥臂)以及三相6脈動換流器以及其三相12脈動換流器。其中，晶閘管級是由晶閘管元件以及所對應需要的觸發、保護和監視用的電子回路、阻尼回路構成，其可硅級主要包括阻尼回路、分壓回路、可控硅控制單元TCU以及可控硅四個部分。而閥組件則是由若干個晶閘管級與其陽極電抗器串聯后再并聯上電容元件構成。

3.3 換流閥的電氣設計

（1）換流閥的閥電氣性能。閥最主要的特性就是僅能在一個方向導通電流，即正方向。其不導通的閥應能耐受正向及反向阻斷電壓，而閥電壓最大值由避雷器保護水平確定。當閥上的電壓為正時能得到一個控制脈沖閥從閉鎖狀態轉向導通狀態，一直到流過閥的電流減小到零為止，閥始終處于導通狀態，不能自動關斷。并且閥具有一定的過電流能力，能通過健全閥的最大過電流發生在閥兩端間的直接短路，而過電流的幅值主要由系統短路容量和換流變壓器短路阻抗所決定。（2）換流閥的電氣設計結構分析。在當前的換流閥電氣設計過程中，其主要是根據對應閥內器件參數的計算以及正確選擇。同時，其應不僅能夠充分滿足換流閥在各種運行工況下的電壓應力和電流應力，還應滿足沖擊電壓下的電壓應力。因此，對換流閥的電氣設計作如下研究：

阻尼回路：使閥電壓在每個晶閘管兩端均勻分配；使閥能夠耐受正常和非正常負載條件下的應力；限制晶閘管關斷時的反向恢復過沖電壓。

若換流閥只有串聯晶閘管和飽和電抗器組成，則閥正常運行時閥兩端電壓波形如圖1所示。本閥關斷時，閥兩端會出現嚴重的過沖電壓，過沖電壓會導致閥避雷器動作，閥避雷器會過熱燒毀。若在晶閘管兩端并聯阻尼回路，則阻尼回路可以限制換相過沖電壓，抑制振蕩。

圖1

MSC：多模星型耦合器，將來自VBE系統內三個不同光信號發送器板上的激光二極管的光信號指令，經過一個三取二的選擇邏輯后再分別發送至13個LTT閥片上。

RPU：恢復保護單元，在可控硅閥片關斷后的恢復期間保護換流閥，在此期間，如果電壓變化率超過保護預設值，RPU在接收到VBE系統內RPU板發送的控制信號后，將發送一個光觸發脈沖送MSC，將閥單元內的閥片觸發開通。

TVM板：保證在每個換流閥內串聯狀態下所有可控硅閥片承受相同的直流電壓，同時監測閥片級內部電壓并產生回檢光信號。內冷水冷卻的部件包括：晶閘管閥片、RC阻尼回路中的電阻、閥電抗器。

內冷水通過閥塔頂部的S型管引入，從上到下分配到每層閥塔的匯流管，匯流管中的內冷水分位兩部分，一是通過流進晶閘管閥片兩端的散熱器，再流入RC阻尼回路中水冷電阻，最后流回出水匯流管。二是通過兩個閥電抗器后，流回出水匯流管。內水水管遵循上進下出、左進右出的原則。

為了避免部件間存在浮動電位或者電勢差過大，防止產生電暈或者局部放電，同時保持水中的電解電流在可以忽略的范圍內（μA級），在水冷主回路中適當的位置放置了均壓電極。例如，在與晶閘管硅堆并聯運行的水管的首段和尾端、在組件水管的入口和出口或者是在單閥之間的水管連接處。

3.4 換流閥的相關參數選擇

關于換流閥電氣設計中的相關計算，主要是針對單閥晶閘管數量的計算。而在當前的換流閥相關晶閘管數量計算中，根據其晶閘管串聯級數、根據閥避雷器的保護水平確定，在閥避雷器的操作沖擊和雷電沖擊保護水平中，主要依據操作沖擊保護水平確定單閥最小串聯晶閘管元件數由下式確定：

式中，SIPL代表的是跨閥的操作沖擊保護水平；SIWL表示跨閥的操作沖擊耐受水平；kd表示操作沖擊電壓下單閥的電壓分布系數；kim表示操作沖擊電壓下的安全系數；VDSM則指的是晶閘管正向斷態不重復峰值電壓。因此，考慮到一定的安全裕量，增加3個冗余晶閘管級，即單閥包含70個晶閘管級。

4 結語

均壓電容器：在回路中出現陡前波沖擊電壓現象時，在四重閥內將電壓均勻分布到四個閥上，避免局部過壓導致閥片損壞的現象。

飽和電抗器：閥兩端存在雜散電容，閥觸發之前，雜散電容被充電，雜散電容電壓等于換流變壓器施加在閥兩端的電壓eca，閥觸發導通后，雜散電容通過觸發的晶閘管放電。

BOD：每個晶閘管的自保護由集成在LTT內正向過電壓保護觸發BOD完成以免由于觸發脈沖丟失而使晶閘管承受過電壓損壞。

隨著我國電力電子技術的不斷發展與提高，我國在高壓輸電網中對其在總電質量中的特殊要求以及更嚴格的用電需求等水平隨之有了一定的提高。而在我國的電力電子技術的應用分析中，關于我國高壓輸電網的相關配備，其主要在于設備上對應閥控制的設計，閥控制是設備控制較為關鍵的設計。在高壓輸電網的相關電子配備中，閥能夠作為其晶閘管的保護與監控系統，并且能夠連接閥以及其他的控制、保護系統，而其中換流閥就是當前閥控制設計中最關鍵的一部分。換流閥作為當前直流輸電工程中的一項核心設備，能夠有效保障直流輸電工程的順利安全展開。同時，換流閥具有整流以及逆變的相關功能，能夠充分保證當前高壓輸電網中的現存問題得到有效解決，保證換流工作能夠順利進行。