0 引言

    東北——華北聯(lián)網(wǎng)高嶺背靠背換流站工程（高嶺背靠背工程）是西電公司承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)工程，其中晶閘管換流閥是高嶺背靠背工程換流站的核心設(shè)備，高嶺背靠背工程實(shí)現(xiàn)東北——華北電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，是西安西電電力整流器有限責(zé)任公司（西整公司）首次承擔(dān)制造的國(guó)內(nèi)最大商業(yè)運(yùn)行背靠背工程，是國(guó)內(nèi)第一次獨(dú)立進(jìn)行±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥的設(shè)計(jì)、制造、絕緣型式試驗(yàn)、運(yùn)行型式試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工程。高嶺背靠背工程額定直流電壓為±125kV，額定直流電流為3000A，已于2008年投入運(yùn)行。

1 換流閥工作原理

    換流閥是換流站中的主要設(shè)備，它的作用是把交流電力變換成直流電力，或?qū)崿F(xiàn)逆變換。直流換流閥的基本單元采用三相橋式接線，高嶺背靠背工程±125kV高壓換流閥是由2個(gè)三相橋串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)12脈動(dòng)換流閥，其主要優(yōu)點(diǎn)是在增加容量的同時(shí)還能減少諧波分量。直流輸電系統(tǒng)示意圖見圖1。

    圖1 直流輸電系統(tǒng)示意圖

    背靠背高壓直流換流閥的主要用途就是使不同電壓等級(jí)和頻率的兩大交流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，而且故障不會(huì)擴(kuò)大，其主要優(yōu)點(diǎn)是在增加容量的同時(shí)還能減少諧波分量，提高供電可靠性，對(duì)遠(yuǎn)距離輸電主要是減少電能的損耗。換流閥工作原理框圖見圖2，其工作原理如下：

    圖2 換流閥工作原理框圖

    1)當(dāng)換流閥晶閘管兩端電壓超過約32V時(shí)，晶閘管控制單元(TCU)將指示光脈沖(IP)經(jīng)過高壓光纜送到閥監(jiān)控柜(VCU/THM)，說明晶閘管已承受正向電壓，滿足觸發(fā)條件。

    2)從極控制和保護(hù)(PCP)來的120°控制脈沖(CP)進(jìn)入VCU/THM后，經(jīng)邏輯電路處理轉(zhuǎn)變成觸發(fā)脈沖傳送到光接口，經(jīng)過高壓光纜發(fā)送到TCU觸發(fā)晶閘管；同時(shí)經(jīng)過邏輯電路產(chǎn)生一個(gè)20μs寬的脈沖送回PCP，作為PCP監(jiān)測(cè)用。

    3)極控制和PCP、VCU/THM都是按照并行冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，運(yùn)行信號(hào)是指示該系統(tǒng)為運(yùn)行系統(tǒng)，否則為備用系統(tǒng)。

    4)VCU/THM收集所有換流閥晶閘管的信息。對(duì)閥報(bào)警和跳閘的水平進(jìn)行檢測(cè)和執(zhí)行，并把報(bào)警和跳閘以及晶閘管狀態(tài)經(jīng)CAN總線傳送到極控制和PCP。

2 換流閥設(shè)計(jì)

    2.1 換流閥技術(shù)參數(shù)

    電壓額定值、電流額定值、絕緣水平、避雷器參數(shù)參考表1-4的數(shù)據(jù)。

    表1 電壓額定值

    表2 電流額定值

    表3 絕緣水平（跨閥）

    表4 避雷器參數(shù)

 2.2 電氣計(jì)算

    換流閥電氣設(shè)計(jì)基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，電氣設(shè)計(jì)必須考慮換流閥在各種系統(tǒng)工況下，在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時(shí)可能引起的不同應(yīng)力。

    2.2.1 計(jì)算參數(shù)的確定

    1)晶閘管參數(shù)。晶閘管主要參數(shù)見表5。

    表5 晶閘管主要參數(shù)

    2)主電路參數(shù)確定。高嶺背靠背工程對(duì)晶閘管換流閥提出的主要技術(shù)要求是主電路計(jì)算使用的參數(shù)，見表6。

    表6 主電路計(jì)算使用的參數(shù)

    2.2.2 單閥晶閘管串聯(lián)數(shù)

    按技術(shù)規(guī)范規(guī)定的冗余數(shù)及最極端的電壓條件進(jìn)行計(jì)算，每單閥有48只晶閘管級(jí)和8臺(tái)非線性電抗器串聯(lián)組成，即由8個(gè)晶閘管組件和8個(gè)電抗器組件構(gòu)成。晶閘管級(jí)的工作原理見圖3。

    圖3 晶閘管級(jí)原理圖

    在任何運(yùn)行條件下，每個(gè)晶閘管上的電壓應(yīng)力應(yīng)小于其本身的電壓能力，由于高嶺背靠背直流工程選用5英寸U_DSM=7200V，U_RSM=8000V晶閘管元件，單閥串聯(lián)晶閘管元件數(shù)由下式確定

    式(1)中：S_IPL為跨閥的操作波保護(hù)水平；k_d為操作沖擊電壓下單閥的電壓分布系數(shù)；k_im為操作沖擊電壓下的安全系數(shù)；U_DSM為晶閘管斷態(tài)非重復(fù)峰值電壓；取n_min=46只，2只冗余共48只，冗余按不小于單閥數(shù)3%選取。

 2.2.3 阻尼均壓回路

    換流閥均壓回路包括并聯(lián)在晶閘管上的RC阻尼回路和DC均壓電阻以及與晶閘管組件串聯(lián)的飽和電抗器。均壓回路的作用一方面是保護(hù)晶閘管免受暫態(tài)過電壓的損壞，另一方面使閥承受的各種電壓在閥內(nèi)均勻分布。另外水路的直流電阻也具有直流均壓的功能。系統(tǒng)工頻和操作沖擊過電壓時(shí)的電壓分布不均勻主要由兩方面原因引起，即阻尼回路元件（電阻、電容）的公差和晶閘管反向恢復(fù)電荷的差異。因此，阻尼回路設(shè)計(jì)的誤差范圍要低于允許的極限值。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，晶閘管的重復(fù)電壓包括換相過沖要低于允許的重復(fù)電壓。快速暫態(tài)電壓如雷電和陡前波，部分電壓將被串聯(lián)的飽和電抗器吸收了。均壓電路能使頻率從DC到MHz的不同頻率的電壓均勻分布。

    1)RC阻尼回路。RC阻尼回路的設(shè)計(jì)功能為：①使每個(gè)晶閘管兩端的電壓均勻分配；②為TCU耦合提供工作電壓；③減少閥關(guān)斷、電流熄滅、換相過沖；④阻止閥端出現(xiàn)的異常過電壓。

    電容器的選取原則是：必須能連續(xù)耐受包括換相過沖在內(nèi)低于避雷器動(dòng)作值的電壓蜂值。閥的換相過沖同時(shí)應(yīng)該考慮6脈動(dòng)閥組其他閥關(guān)斷時(shí)的影響。而電容值則應(yīng)充免滿足對(duì)換相過沖的吸收阻尼作用。

    通過給定阻尼電容C₁的值，即C₁=1.5μF，則按式(2)計(jì)算阻尼電阻R₁為

    式(2)、(3)中：n₁為單閥的晶閘管數(shù)，48只；L_dx為計(jì)算的每相換相的電感；d_IN為電感壓降，0.082；I_dN為額定直流電流，3000A；U_dxN為額定直流電壓，1428kV；R₁=37.64Ω，實(shí)際R₁選擇為40Ω。

    高嶺背靠背直流工程設(shè)計(jì)的阻尼回路參數(shù)如下：R_DC(R₁)為40Ω；C_RC(C₁)為1.5μF。

    2)DC均壓電阻。DC均壓電阻的設(shè)計(jì)功能為：①為TCU提供取樣和保護(hù)的門檻電壓值；②使晶閘管兩端的低額電壓分量均勻分配。

    該電阻的選擇原則很簡(jiǎn)單，電壓耐受能力和晶閘管一致，而電流必須限定在TCU探測(cè)電路能承受的范圍內(nèi)，R_DC為

    式(4)中：U_DSM為晶閘管承受電壓的能力；R_DC為直流分壓電阻。高嶺背靠背直流工程設(shè)計(jì)采用72kΩ的直流均壓電阻。

    2.2.4 晶閘管控制單元

    TCU的主要功能是觸發(fā)和檢測(cè)晶閘管以及正向保護(hù)性觸發(fā)和反向恢復(fù)期的保護(hù)性觸發(fā)。TCU的工作電源從晶閘管兩端的電壓耦合取得，該能量能充分保證在各種工況和沖擊電壓下安全可靠地觸發(fā)晶閘管。

    TCU的所有控制和保護(hù)功能均由電子線路來實(shí)現(xiàn)，在TCU板中無高壓器件。

    每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖和回報(bào)脈沖用2根光纜從TCU和處于低電位的控制保護(hù)裝置傳遞。其中，1根為觸發(fā)光纜，1根為回報(bào)光纜。

    閥的觸發(fā)系統(tǒng)在120°的觸發(fā)區(qū)域內(nèi)調(diào)制為專用的短脈沖系統(tǒng)。短脈沖的寬度能夠確保閥的觸發(fā)和補(bǔ)脈沖觸發(fā)。短脈沖觸發(fā)系統(tǒng)可降低發(fā)光系統(tǒng)的功率損耗，延長(zhǎng)發(fā)光管的壽命。在中控室的晶閘管檢測(cè)系統(tǒng)THM，根據(jù)TCU送來的回報(bào)信號(hào)檢測(cè)每個(gè)晶閘管的狀態(tài)。當(dāng)晶閘管級(jí)故障時(shí)，THM可立即查出故障的性質(zhì)、位置。TCU同時(shí)完成晶閘管的正向保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)晶閘管兩端的電壓超過預(yù)先在TCU中的設(shè)置值時(shí)，TCU發(fā)出緊急觸發(fā)信號(hào)，緊急觸發(fā)晶閘管，從而保護(hù)了晶閘管。整閥的保護(hù)觸發(fā)電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于跨閥避雷器的保護(hù)水平。正向保護(hù)觸發(fā)設(shè)置原則是：逆變運(yùn)行時(shí)，交流側(cè)故障恢復(fù)，閥不至于由于保護(hù)觸發(fā)動(dòng)作而引起提前觸發(fā)，從而引起換相失敗。

    換流閥正向保護(hù)觸發(fā)值的設(shè)置：對(duì)于每一級(jí)晶閘管正向保護(hù)觸發(fā)電壓設(shè)置為6800V，由TCU板實(shí)現(xiàn)；對(duì)于極端故障情況下（例如接地故障）引起換流閥承受過高的電壓變化(dU/dt)，晶閘管控制單元(TCU)將觸發(fā)晶閘管，以保護(hù)晶閘管。晶閘管保護(hù)觸發(fā)電壓曲線圖見圖4。

    圖4 晶閘管保護(hù)觸發(fā)電壓曲線

 2.2.5 換流閥電壓的分布

    阻尼回路、直流均壓電路、閥電抗器保證了換流閥內(nèi)電壓的均勻分布。在常規(guī)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)元件承受的重復(fù)電壓應(yīng)低于容許的重復(fù)值。分布在晶閘管上的電壓U_thry為

    式(4)中：V_ral為單閥電壓；U_thry為分布在晶閘管上的電壓；k_d為單閥上總的電壓分布系數(shù)；k_dm為設(shè)計(jì)余量系數(shù)。

    換流閥電壓計(jì)算結(jié)果見表7。

    表7 換流閥電壓計(jì)算結(jié)果

    加在每一個(gè)晶閘管上的電壓必須比晶閘管規(guī)格書中規(guī)定的電壓低。分布在晶閘管上的各種電壓計(jì)算，基本采用相同公式完成。

3 結(jié)語(yǔ)

    以上僅對(duì)換流閥電氣設(shè)計(jì)計(jì)算做了簡(jiǎn)單介紹，高壓直流輸電換流閥的實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算要通過各種仿真軟件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)計(jì)算。在設(shè)計(jì)工作中根據(jù)換流閥各種運(yùn)行工況，西整公司設(shè)計(jì)人員自主完成了計(jì)算方法的研究，建立了仿真軟件的模型；自主完成±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥電氣設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)的確定。同時(shí)自主完成±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥四重閥閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；完成了晶閘管閥組件和關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、試驗(yàn)；自制工裝，完成換流閥閥塔的組裝，提高了國(guó)產(chǎn)化率。

    根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，西整公司完成了換流閥型式試驗(yàn)規(guī)范及試驗(yàn)參數(shù)的確定，獨(dú)立設(shè)計(jì)換流閥絕緣型式試驗(yàn)電路，首次在國(guó)內(nèi)完成±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥絕緣型式試驗(yàn)和運(yùn)行型式試驗(yàn)。

    高嶺背靠背換流站工程換流閥設(shè)計(jì)、制造的完成以及絕緣試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)的通過，標(biāo)志著西整公司已具備了±125kV背靠背換流閥設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑯?biāo)志著西整公司已邁進(jìn)了商業(yè)化制造高壓直流背靠背工程晶閘管換流閥的先進(jìn)行列，在中國(guó)直流背靠背聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的歷史上，具有里程碑的意義。