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)的國家重點工程，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)制造的國內(nèi)最大商業(yè)運(yùn)行背靠背工程，是國內(nèi)第一次獨立進(jìn)行±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥的設(shè)計、制造、絕緣型式試驗、運(yùn)行型式試驗和現(xiàn)場調(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個三相橋串聯(lián)構(gòu)成一個12脈動換流閥，其主要優(yōu)點是在增加容量的同時還能減少諧波分量。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和頻率的兩大交流系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，而且故障不會擴(kuò)大，其主要優(yōu)點是在增加容量的同時還能減少諧波分量，提高供電可靠性，對遠(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，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；同時經(jīng)過邏輯電路產(chǎn)生一個20μs寬的脈沖送回PCP，作為PCP監(jiān)測用。

    3)極控制和PCP、VCU/THM都是按照并行冗余系統(tǒng)設(shè)計的，運(yùn)行信號是指示該系統(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。對閥報警和跳閘的水平進(jìn)行檢測和執(zhí)行，并把報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

    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 電氣計算

    換流閥電氣設(shè)計基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計計算，電氣設(shè)計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)時可能引起的不同應(yīng)力。

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

    表6 主電路計算使用的參數(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)行計算，每單閥有48只晶閘管級和8臺非線性電抗器串聯(lián)組成，即由8個晶閘管組件和8個電抗器組件構(gòu)成。晶閘管級的工作原理見圖3。

    圖3 晶閘管級原理圖

    在任何運(yùn)行條件下，每個晶閘管上的電壓應(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)計的誤差范圍要低于允許的極限值。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，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)計功能為：①使每個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)低于避雷器動作值的電壓蜂值。閥的換相過沖同時應(yīng)該考慮6脈動閥組其他閥關(guān)斷時的影響。而電容值則應(yīng)充免滿足對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，實際R₁選擇為40Ω。

    高嶺背靠背直流工程設(shè)計的阻尼回路參數(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單，電壓耐受能力和晶閘管一致，而電流必須限定在TCU探測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現(xiàn)，在TCU板中無高壓器件。

    每個晶閘管的觸發(fā)脈沖和回報脈沖用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，延長發(fā)光管的壽命。在中控室的晶閘管檢測系統(tǒng)THM，根據(jù)TCU送來的回報信號檢測每個晶閘管的狀態(tài)。當(dāng)晶閘管級故障時，THM可立即查出故障的性質(zhì)、位置。TCU同時完成晶閘管的正向保護(hù)動作，當(dāng)晶閘管兩端的電壓超過預(yù)先在TCU中的設(shè)置值時，TCU發(fā)出緊急觸發(fā)信號，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，交流側(cè)故障恢復(fù)，閥不至于由于保護(hù)觸發(fā)動作而引起提前觸發(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：對于每一級晶閘管正向保護(hù)觸發(fā)電壓設(shè)置為6800V，由TCU板實現(xiàn)；對于極端故障情況下（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，每個元件承受的重復(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)計余量系數(shù)。

    換流閥電壓計算結(jié)果見表7。

    表7 換流閥電壓計算結(jié)果

    加在每一個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算，基本采用相同公式完成。

3 結(jié)語

    以上僅對換流閥電氣設(shè)計計算做了簡單介紹，高壓直流輸電換流閥的實際設(shè)計計算要通過各種仿真軟件進(jìn)行模擬設(shè)計計算。在設(shè)計工作中根據(jù)換流閥各種運(yùn)行工況，西整公司設(shè)計人員自主完成了計算方法的研究，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)計計算和參數(shù)的確定。同時自主完成±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；完成了晶閘管閥組件和關(guān)鍵件的設(shè)計、檢測、試驗；自制工裝，完成換流閥閥塔的組裝，提高了國產(chǎn)化率。

    根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，西整公司完成了換流閥型式試驗規(guī)范及試驗參數(shù)的確定，獨立設(shè)計換流閥絕緣型式試驗電路，首次在國內(nèi)完成±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥絕緣型式試驗和運(yùn)行型式試驗。

    高嶺背靠背換流站工程換流閥設(shè)計、制造的完成以及絕緣試驗和運(yùn)行試驗的通過，標(biāo)志著西整公司已具備了±125kV背靠背換流閥設(shè)計、制造和試驗?zāi)芰?，?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，在中國直流背靠背聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的歷史上，具有里程碑的意義。