2.6 主设备配置与参数_特高压柔性直流输电系统过电压及绝缘配合-QQ阅读男生科幻网

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2.6 主设备配置与参数

特高压柔直工程核心主装备的设计、研发和制造关系到换流站占地评估、设备造价估算等，其影响十分深远。云南送端（±800kV/8000MW）推荐采用对称双极接线，双12脉动串联LCC换流器；广东受端（±800kV/5000MW）和广西受端（±800kV/3000MW）推荐采用对称双极接线，每极采用高低阀组串联VSC换流器。本节根据系统主接线方案，以受端广东侧换流站拟采用的±800kV/5000MW柔性直流换流站直流主设备为例说明设计选型研究，具体内容包括：

开展3000A级柔性直流用功率器件设计选型；进行柔性直流输电主设备（此处主要围绕换流阀及配套设备进行说明）的设计选型，研究±800kV/5000MW级直流柔性直流主设备的参数配置、结构设计、运输、站布置等方面的关键制约因素及解决措施，给出选型建议。

2.6.1 系统接线方案及主设备选取原则

1.系统接线方案

本节仅针对广东受端柔性直流主设备选型进行研究。该特高压混合多端系统接线方案如图2.45所示。

2.主设备选取原则

通常根据柔性直流输电工程应用的背景和需求，柔性直流主设备的选取需遵循以下几条原则：

1）设备应保证系统安全、可靠。

2）设备制造商供货满足工程进度。

3）设备制造商应具有较高的设计和制造水平。

4）设备制造商应具有直流工程的供货业绩。

图2.45 系统接线方案

5）设备制造商供货的相关直流设备运行情况良好。

6）设备制造商的试验能力应满足工程要求。

2.6.2 功率器件

IGBT和IGCT是目前较为常用的两种可关断电力电子器件，但由于IGCT存在驱动功率大（电流型驱动）、电流关断能力弱、开通速度慢和需要额外缓冲回路等明显缺点，因此集合了MOSFET和电力晶体管双重优点的IGBT成为柔性直流中的主流应用，目前业内柔性直流工程无一例外均采用IGBT作为主开关器件。

1.关键参数要求

±800kV/5000MW柔性直流换流阀直流电流为3125A，根据直流功率、阀侧电压和调制比设计，其桥臂电流有效值约为1800A；如考虑50%的电流裕量，则应选用3000A及以上电流等级的IGBT器件。其他关键参数要求见表2.11。

表2.11 关键参数要求

（续）

2.6.3 换流阀

1.基本参数

主回路参数计算的初步结果见表2.12、表2.13。

表2.12 柳北换流站主回路参数

表2.13 龙门换流站主回路数据

2.总体性能要求

柔性直流换流阀的整体要求如下：

1）换流阀设计必须结构合理、运行可靠、维修方便。

2）换流阀应能承受正常运行电压以及各种过电压。阀的整体设计在绝缘性能上应保证阀对交直流电压和操作、雷电、陡波冲击电压具有足够的耐受能力，电晕及局部放电特性在规定范围内。在各种过电压（包括陡波头冲击电压）下，应使加于换流阀内任何部件上的电压不超过其耐受能力。换流阀触发回路不应受冲击过电压的干扰，功能正常。阀能在较高的过电压情况下触发而不发生损坏。

3）在进行换流阀的耐压设计时应考虑足够的安全系数。安全系数的确定应考虑电压不均匀分布、过电压保护水平的分散性以及其他阀内非线性因素对阀的耐压能力的影响。

4）换流阀应具有承担额定电流、过负荷电流及各种暂态冲击电流的能力。阀具有适当的保护，在故障电流下，阀具有足够的故障抑制能力；对于多个周期的故障电流，阀具有足够的耐受能力。

5）换流阀功率模块采用光纤触发方式，起到高低压之间的隔离。触发系统的供电由功率模块电容提供，在直流侧电压可以满足取能电路要求时，触发系统保证正常工作。在此前提下，任何系统故障都不会影响触发系统按照控制指令动作，如果系统故障会导致取能电路供电不足，则在触发系统不能正常工作之前，换流阀应采取相应的保护措施避免阀的损坏或出现不受控的情况。

3.电气设计

根据主回路及主接线设计思路，换流器采用模块化多电平拓扑结构，模块化多电平换流器每个桥臂由多个功率模块和一个桥臂电抗器串联构成，换流器功率模块可采用全桥型或是全桥-半桥混合型拓扑，其中，采用全桥型拓扑的换流器结构如图2.46所示。

（1）功率模块设计要求

为了增强设计的通用性，如换流阀拓扑采用半桥-全桥混联结构，建议半桥和全桥功率模块内部主要元器件采用相同选型，区别在于功率器件数目及其连接的线路不同。功率模块的主要元器件包括IGBT、二极管、直流电容器、IGBT驱动器、高位取能电源、旁路真空接触器、功率模块控制板PMC（Power Module Controller）、均压电阻等。

图2.46 模块化多电平换流器拓扑结构

功率模块设计应设置安全措施，保证其在内部故障后能够可靠旁路或呈现可靠短路状态，不允许单一功率模块故障原因导致换流阀闭锁或停运。功率模块中采用的所有元器件，都应充分考虑绝缘耐压要求满足工程设计。

功率模块所采用的IGBT/IEGT元件应是商业产品，其各种特性应已得到完全证实。每个功率器件应具有独立承担额定电流、过负荷电流及各种暂态冲击电流的能力。主回路中不采用可关断器件并联的设计。开关器件的触发单元采用光通路形式，避免干扰。

直流电容器是换流器的储能元件，为换流站提供直流电压支撑。每个功率模块单元包含1组直流电容。功率模块电容器采用干式金属氧化膜电容器，应具备杂散电感低、耐腐蚀，具有自愈能力等特点。

直流电压传感器的选择，需考虑测量范围满足功率模块测量需要，测量输出不易受到外界因素干扰，测量接口可匹配功率模块控制板卡设计需要，测量精度高、线性度好。

功率模块监控单元，需要通过光纤接收阀控设备发送下来的控制命令，主要包括功率器件的触发、旁路开关的控制。功率模块监控单元同时采集功率模块上一次器件的相关状态上送给阀控设备，用于监视功率模块是否正常工作。

根据选择功率器件的特性，IGBT驱动器的选择应综合考虑驱动保护功能的配置、电路抗干扰设计、供电要求及门级驱动电阻的大小。

高位取能电源的选择应综合考虑功率模块的运行要求和适应宽范围输入电压。

旁路真空接触器的选择，应考虑旁路要求动作的快速性和开关状态回报信号的有效性。放电电阻的选择，需要考虑放电时间以及放电电阻的功率损耗。

（2）电压电流耐受设计

换流阀的电压耐受设计应考虑功率模块和阀支撑/悬吊结构的耐受交流电压、直流电压、操作冲击电压、雷电冲击电压、陡波冲击电压的能力，能满足规定范围内电晕及局部放电要求，需至少在假定所有冗余功率模块都损坏的情况下，考虑安全绝缘裕度。

换流阀的电流耐受设计应考虑阀的各部件承受正常运行电流和暂态过电流的水平，包括幅值、持续时间、周期数、电流上升率等，同时考虑足够的安全裕度。设计时，应考虑暂态过电流远远超过阀各部件过电流能力时的工况。

4.绝缘设计

换流阀应采取空气绝缘方式。阀的整体绝缘性能设计应保证阀对交直流电压和操作、雷电、陡波冲击电压具有足够的耐受能力，电晕及局部放电特性在规定的范围内。绝缘设计主要包括桥臂内相邻阀塔之间绝缘、阀塔底部支撑绝缘/阀塔顶部悬吊绝缘、阀塔层间支撑绝缘、相邻两个功率模块之间绝缘等。

5.结构设计

结构设计主要包括功率模块设计、阀段设计、阀塔设计等。进行结构设计时，应遵循以下原则：

1）采用标准化的模块设计。

2）具有一定的防爆、防漏水能力。

3）具有高等级的抗干扰能力。

4）具有适应站址所在地的海拔、地震等级的能力。

5）使用的绝缘材料都要是经过验证的防火材料。

6）在保证功能的情况下，减少辅助零部件的数量，降低故障率，简单坚固又便于安装检修。

7）满足站址阀厅尺寸。

具体操作如下：

（1）功率模块设计

功率模块设计包括开关器件、直流电容器、旁路开关、取能电源、放电电阻、控制电路、母排、壳体等组件的设计，需考虑各组件的组装、模块重量和尺寸等。

开关器件的选择，需考虑电压和电流耐受能力、最大结温、封装形式、热量累积等，并留取一定的安全裕度。

直流电容器需在提供直流电压的同时，缓冲系统故障时引起的直流侧电压波动、减小直流侧电压纹波，且具有自愈、耐腐蚀、无油、低电感等特点。

旁路开关主要需考虑开关动作的时间、操作频率等，能够多次重复使用。

取能电源需考虑正常工作的输入电压范围、局部放电、温升、抗干扰能力等，应能满足最低启动电压、最高耐受电压要求。

功率器件、电容器或控制电路应采取独立分体式设计，故障时方便单独拉出进行维护，避免将整个功率模块更换。

（2）阀段设计

阀段主要由若干个功率模块、水路、连接母排、支座等组成，需考虑各功率模块的组装方式、阀段重量和尺寸、绝缘和支撑设计、水管布置和光缆通道设计等。其典型结构图如图2.47所示。

（3）阀塔设计

阀塔设计的基本原则是高的可用率、高功率密度、电磁场分布均匀、水流量分布均匀、维护简易快捷、具备良好的绝缘性能与电磁兼容特性。

阀塔结构应基于支撑/悬吊式连接原理设计，其典型结构图如图2.48所示。阀塔主要由阀段和支撑/悬吊结构、层间绝缘子、均压屏蔽环、母排、水管及光纤槽组成，设计时综合考虑抗震能力、防火能力及抗电磁干扰能力等。

图2.47 阀段典型结构图

图2.48 阀塔典型结构图

阀塔应具备漏水检测及收集装置。当某个功率模块或者阀塔内部的其他接头漏水时，应确保漏水流到相应的接水槽内，并由控制回路发出报警信号。

特高压柔直换流阀阀塔电场为防电晕所采取的屏蔽设计原则如下：

1）采取在换流阀阀塔顶部及底部设计有对抱形状的均压管母，均匀阀塔高压端对地电场分布。

2）换流阀阀塔每层设计多个屏蔽罩。在屏蔽系统防电晕设计的基础上，充分考虑屏蔽系统寄生电容对阀塔的影响，各屏蔽罩与就近框架采用等电位联结，确保阀塔表面电场均匀分布，削弱阀塔内部的电场强度。

3）换流阀阀塔机械零部件设计时，对零部件表面进行留有一定表面曲率的倒角处理，防止因局部电荷积聚而放电。

为了判断屏蔽系统的合理性，需要对以上设计屏蔽系统加载对地电压和阀端间电压进行电场仿真分析。

（4）换流阀抗干扰设计

换流阀功率模块中有很多电力电子敏感器件，因此在设计换流阀时，应充分考虑换流阀的抗电磁干扰能力，采取措施给换流阀建立一个良好的电磁环境。

1）电场环境。换流阀在正常运行和故障运行情况下，阀塔电场分布应尽量均匀，确保阀塔不会发生电晕和放电现象。具体措施：阀塔四周安装均压屏蔽罩，顶部和底部安装屏蔽环；避免阀塔内部结构件出现尖角、尖棱和毛刺；阀塔内所用器件都可靠固定电位；采用特性均匀的绝缘材料。

2）磁场环境。在正常运行和故障运行时，保证换流阀阀塔磁场分布均匀。主要采取的措施包括设置屏蔽体和不使主回路电流穿过闭合回路。在屏蔽体设计时，应明确电磁骚扰源及敏感单元，结合屏蔽体的屏蔽能效确定屏蔽方式；应选用合适的导磁材料，确保良好的磁屏蔽作用；减少屏蔽不完整性对屏蔽效果的影响。

6.损耗

（1）损耗计算标准

损耗计算的工况应包括：25%、50%、75%、100%的双向额定传输功率；25%、50%、75%、100%的双向额定传输功率+额定无功输出功率；额定无功输出功率；换流阀无负载状态（功率器件处于解锁状态，但换流器与交直流系统均不发生能量交换）；换流阀热备用状态（电容器带电，具备触发功率器件的能力但换流阀处于闭锁状态）。

损耗的计算通过反映实际工况的COMTRADE录波文件以及损耗计算标准程序计算，其方法主要参考IEC 62571-2—2011。主要元器件的损耗相关参数以出厂试验数据为准（参见附录）。

（2）损耗特性验证

应对供应商响应的损耗特性计算结果在出厂试验阶段进行试验验证。损耗特性验证试验的试验对象至少为1个阀段，或者6个功率模块。试验损耗特性验证试验包括量热法与电测法两种方法，以量热法的试验结果为主，电测法的试验结果作为辅助验证。试验应包含特殊设置工况下的损耗计算结果矫正试验，该试验的目的在于分析通过损耗计算标准方法计算得到的损耗预测结果与实际试验测量结果相符程度。

2.6.4 阀控系统

柔性直流阀控系统的主要功能是负责换流器阀塔内功率模块的触发、电容电压的均衡控制与监测、环流抑制等。阀控系统与控制保护设备的连接关系如图2.49所示。同时，阀控系统也负责实现换流站与控制保护系统的通信和数据交换。

图2.49 换流站阀控系统与控制保护系统的连接关系图

1.阀控总体设计要求

换流器（阀）的控制单元按照每个桥臂或每相设计并配置设备。

阀控单元能接收换流器控制保护系统发送的调制波信号以及其他一些必需的控制信号，将其转换为控制脉冲后发送给功率模块控制器，同时接收功率模块控制器的回报信号，经过整理后反馈给控制保护系统。

阀控单元实现控制脉冲发生与分配（换流器桥臂功率模块投切）、功率模块电容电压平衡控制、环流抑制，并对功率模块的状态进行监测并上报至换流器控制保护层的监控单元；功率模块控制器实现功率模块单元的触发、电容电压监测和功率模块状态监测，并将电容电压、模块状态、故障等信息回报给阀控单元。

阀控单元应能在所有冗余功率模块全部损坏后发出警报，如果有更多的功率模块级损坏，从而导致运行中的换流器（阀）面临更严重的损坏时，应及时向控制保护系统发出信息使换流器闭锁。

阀控单元采用双重化或“3取2”配置（有冗余）。任一系统发生故障或系统维护时，不能影响正常系统的运行。

2.阀控功能要求

阀控单元应能接收控制保护系统下发的调制波信号以及其他一些必需的控制信号，将其转换为控制脉冲后发送给功率模块控制器，同时接收功率模块控制器的回报信号，经过整理后上送给控制保护系统。阀控单元应具有但不限于以下功能：

（1）基本功能

1）脉冲分配功能。

2）模块均压功能。

3）模块冗余控制功能。

4）纯直流情况下可控充电功能。

5）换流阀解锁条件自检功能。

6）对功率模块取能电源损坏等故障具备自检功能。

7）换流阀基本保护功能。

8）阀控单元应具备状态监视及录波功能，实现对全部模块的电容电压、旁路状态和故障状态（模块所有故障类型）等信息的监测，满足换流阀及阀控故障分析及异常情况指示等需求，故障定位应具体明确。对模拟量、接口信号和故障信号具有录波和输出功能，并提供与全站统一故障录波装置的接口。

9）阀控屏柜应设置人机交互界面，能够对模块电容电压、功率模块故障等信息进行实时观察；具备人工输入功能，能够对已检修模块手动进行状态更新。

10）阀控单元需要设计独立的硬接线跳闸回路，并将跳闸信号上送控制保护系统。

（2）附加功能

阀控单元应具备桥臂环流抑制功能，能够进行在线投退，投退切换平稳，不影响换流阀的正常运行。

2.6.5 阀冷却系统

1.技术方案论证

阀冷却系统基本工作原理：恒定压力和流速的冷却介质，经过主循环泵的提升，源源不断地流经调温装置，进入室外换热设备，将换流阀功率器件发出的热量在室外换热设备进行热交换，冷却后的介质再进入换流阀功率器件，形成密闭式循环冷却系统。

阀冷却系统主要包括内冷和外冷两部分。直流输电工程的阀内冷却系统如图2.50所示，主要设备通常包括：循环泵、离子交换器、脱气罐、膨胀罐、机械式过滤器、补水泵、电加热装置、配电及控制保护设备。为降低换流阀承压，提高阀组的运行安全，冷却水回路将阀组布置在循环水泵入口端。

图2.50 阀内冷却系统示意图

阀外冷却系统可采用的技术方案主要有空气冷却器、闭式冷却塔和冷水机组等。以下介绍三种可行的方案，并进行比较和分析。

（1）空气冷却器方案

外冷采用空气冷却器方案，如图2.51所示，空气冷却器主要通过空气流通加速热交换对冷却介质进行冷却。该方案的优点是无须补水，适用于水源缺乏的应用场合；主要缺点是空冷散热器体积较大，增加换流站占地面积。

（2）闭式冷却塔方案

外冷采用闭式冷却塔方案，如图2.52所示，循环水池中的喷淋水经过喷淋泵升压后，通过喷淋管道进入冷却塔喷淋支管和喷淋嘴，从上至下喷淋在冷却塔内部的冷却盘管外表，与冷却塔风机的空气流形成逆向流，部分液态水汽化带走热量散发到大气中，未能汽化的喷淋水通过冷却塔集水箱回流到循环水池，再进入喷淋泵，如此往复循环。该方案的优点是占地面积相对较小，技术方案成熟，在直流输电工程中广泛采用；主要缺点是对于散热需求大的应用场合，补水量较高，对换流站供水能力提出更高要求。

（3）混合式方案

混合式方案结合不同外冷技术的优点，可采用“空气冷却器+闭式冷却塔”“空气冷却器+冷水机组”“闭式冷却塔+冷水机组”不同组合，分别如图2.53a～c所示。