輸電網(wǎng)中對電力電子技術(shù)應(yīng)用
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摘要：本文主要介紹了當前超高壓輸電網(wǎng)中電氣電子技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用，其中包括高壓直流輸電。而作為高壓直流輸電的一個換流核心設(shè)備，應(yīng)充分了解其閥控制以及換流閥的相關(guān)技術(shù)介紹和整體設(shè)計。在當前高壓輸電網(wǎng)的工作進程中，換流閥的作用至關(guān)重要，因此，需要合理對換流閥設(shè)計進行嚴格分析，以此重點從換流閥的根本組合出發(fā)，分析研究其對于高壓輸電網(wǎng)的配電設(shè)備工作的影響，同時提高當前電力電子技術(shù)在我國的發(fā)展，有效強調(diào)了換流閥技術(shù)分析在對應(yīng)設(shè)備開發(fā)中的重要性。
關(guān)鍵詞：超高壓輸電網(wǎng)；電力電子技術(shù)；換流閥
1我國高壓輸電網(wǎng)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(wǎng)的主要特點，即電網(wǎng)容量不斷增大，其對應(yīng)的遠距離輸電不斷增多等。同時，隨著當前我國電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定的情況越來越頻繁，如何能夠保證超高壓輸電網(wǎng)的電壓在一定穩(wěn)定的基礎(chǔ)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(wǎng)面臨的相關(guān)電壓問題。
2高壓輸電網(wǎng)中對換流閥的相關(guān)要求
2.1閥控制與換流閥的相關(guān)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(fā)和監(jiān)控系統(tǒng)。它也是閥和其他控制和保護系統(tǒng)的一個接口。其基本功能如下：產(chǎn)生所有的晶閘管的觸發(fā)脈沖、監(jiān)測晶閘管及其相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)、在反向恢復(fù)期保護晶閘管、產(chǎn)生閥電流過零關(guān)斷信號、執(zhí)行自檢等。而換流閥是當前高壓輸電系統(tǒng)中，能夠有效實現(xiàn)換流所需要的三相橋式換流器的相關(guān)橋臂，是其換流器的基本單元設(shè)備。其主要的作用是能夠進行換流工作，在對應(yīng)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(guān)功能，還具有一定的開關(guān)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(yīng)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(wǎng)中占有重要的作用，可以分為常規(guī)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(guān)于輸電網(wǎng)中閥底部電子設(shè)備VBE的主要研究分析，其包括晶閘管控制與監(jiān)測（TC&M)、光發(fā)射板以及接收板、晶閘管電壓監(jiān)測、反向恢復(fù)期保護光源、光纜以及光分配器等。閥底部的電子設(shè)備VBE是互為熱備用的冗余系統(tǒng)（系統(tǒng)1和2）。基本上任何環(huán)節(jié)均采用了并行冗余硬件設(shè)計。僅僅晶閘管電壓監(jiān)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(nèi)晶閘管級的串聯(lián)冗余也是回報信號光纜的冗余。其中，對應(yīng)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(fā)控制信號。VBE將這些信號轉(zhuǎn)換成觸發(fā)晶閘管的脈沖和對每個閥段內(nèi)RPU的控制脈沖。令其脈沖分別通過光發(fā)射板或RPU接口板轉(zhuǎn)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(jiān)測板TVM的回報信號。為了快速處理數(shù)據(jù)，互為冗余的TC&M每個系統(tǒng)都由FPGA（現(xiàn)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(tǒng)連續(xù)檢測閥上每個晶閘管級的回報信號。其中對應(yīng)的監(jiān)測功能在故障時會通過硬線或光纜發(fā)出跳閘信號。這些信息也通過現(xiàn)場總線發(fā)送到極控制和保護。與運行保護和站控制相關(guān)的報警信號也由TC&M發(fā)出，并通過現(xiàn)場總線發(fā)送給極控制和保護系統(tǒng)PC&P。
2.3高壓輸電網(wǎng)對換流閥的相關(guān)要求
關(guān)于高壓輸電網(wǎng)中晶閘管換流閥的設(shè)計是當前換流站的主要核心設(shè)備，其對應(yīng)的投資約占全站設(shè)備投資的四分之一。晶閘管換流閥需要在預(yù)定的外部環(huán)境以及系統(tǒng)條件下，按照規(guī)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(tǒng)對換流閥的定值要求。系統(tǒng)對換流閥定值的要求包括對連續(xù)運行額定值的要求以及過負荷能力的要求。針對連續(xù)運行定值，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求及對高壓直流系統(tǒng)主回路參數(shù)研究的結(jié)果來確定換流閥的連續(xù)運行額定值，同時，需要合理考慮諸如最高環(huán)境溫度等因素的影響。關(guān)于閥的冷卻系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計須滿足所確定的連續(xù)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(xù)過負荷額定值、短時過負荷額定值以及暫態(tài)過負荷額定值。其中，前兩種過負荷額定值是由相應(yīng)電力系統(tǒng)故障后為減少經(jīng)濟損失，以及為電力系統(tǒng)故障后的恢復(fù)提供必要的功率支持而提出來的，該定值的合理性應(yīng)顧及相應(yīng)設(shè)備費用的增加。而后一種過負荷額定值是由直流輸電系統(tǒng)以各種調(diào)制方式阻尼交流系統(tǒng)的振蕩和提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的要求而提出的。過負荷額定值均應(yīng)考慮過負荷前的運行狀態(tài)，如實際的負荷情況及冷卻設(shè)備投運情況等。（2）針對運行觸發(fā)角工作范圍的要求。關(guān)于當前對晶閘管換流閥的相關(guān)運行觸發(fā)角工作范圍的優(yōu)化選擇，應(yīng)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(guān)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(diào)節(jié)控制等的相關(guān)要求。針對當前的換流閥觸發(fā)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(fā)角越小越好，但若是從換流閥安全可靠換相以及其對應(yīng)的調(diào)節(jié)裕度的方向考慮，其應(yīng)有最小角度限制。
3換流閥高壓輸電網(wǎng)中的設(shè)計與應(yīng)用
3.1換流閥的相關(guān)介紹
關(guān)于換流閥在閥控制中的應(yīng)用設(shè)計，其換流閥主要是將兩個6脈動換流器串聯(lián)組成12脈動換流器，12脈動換流器直流電壓質(zhì)量好，所含諧波成分少。絕大多數(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)的電子電器、阻尼回路和組裝成閥組件的相關(guān)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(yīng)高壓輸電網(wǎng)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(yīng)需要的觸發(fā)、保護和監(jiān)視用的電子回路、阻尼回路構(gòu)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(lián)后再并聯(lián)上電容元件構(gòu)成。
3.3換流閥的電氣設(shè)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?qū)娏鳎凑较?。其不?dǎo)通的閥應(yīng)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(tài)轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)，一直到流過閥的電流減小到零為止，閥始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，不能自動關(guān)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(fā)生在閥兩端間的直接短路，而過電流的幅值主要由系統(tǒng)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(shè)計結(jié)構(gòu)分析。在當前的換流閥電氣設(shè)計過程中，其主要是根據(jù)對應(yīng)閥內(nèi)器件參數(shù)的計算以及正確選擇。同時，其應(yīng)不僅能夠充分滿足換流閥在各種運行工況下的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，還應(yīng)滿足沖擊電壓下的電壓應(yīng)力。因此，對換流閥的電氣設(shè)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(yīng)力；限制晶閘管關(guān)斷時的反向恢復(fù)過沖電壓。若換流閥只有串聯(lián)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(guān)斷時，閥兩端會出現(xiàn)嚴重的過沖電壓，過沖電壓會導(dǎo)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(lián)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均壓電容器：在回路中出現(xiàn)陡前波沖擊電壓現(xiàn)象時，在四重閥內(nèi)將電壓均勻分布到四個閥上，避免局部過壓導(dǎo)致閥片損壞的現(xiàn)象。飽和電抗器：閥兩端存在雜散電容，閥觸發(fā)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(fā)導(dǎo)通后，雜散電容通過觸發(fā)的晶閘管放電。BOD：每個晶閘管的自保護由集成在LTT內(nèi)正向過電壓保護觸發(fā)BOD完成以免由于觸發(fā)脈沖丟失而使晶閘管承受過電壓損壞。MSC：多模星型耦合器，將來自VBE系統(tǒng)內(nèi)三個不同光信號發(fā)送器板上的激光二極管的光信號指令，經(jīng)過一個三取二的選擇邏輯后再分別發(fā)送至13個LTT閥片上。RPU：恢復(fù)保護單元，在可控硅閥片關(guān)斷后的恢復(fù)期間保護換流閥，在此期間，如果電壓變化率超過保護預(yù)設(shè)值，RPU在接收到VBE系統(tǒng)內(nèi)RPU板發(fā)送的控制信號后，將發(fā)送一個光觸發(fā)脈沖送MSC，將閥單元內(nèi)的閥片觸發(fā)開通。TVM板：保證在每個換流閥內(nèi)串聯(lián)狀態(tài)下所有可控硅閥片承受相同的直流電壓，同時監(jiān)測閥片級內(nèi)部電壓并產(chǎn)生回檢光信號。內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)（μA級），在水冷主回路中適當?shù)奈恢梅胖昧司鶋弘姌O。例如，在與晶閘管硅堆并聯(lián)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(guān)參數(shù)選擇
關(guān)于換流閥電氣設(shè)計中的相關(guān)計算，主要是針對單閥晶閘管數(shù)量的計算。而在當前的換流閥相關(guān)晶閘管數(shù)量計算中，根據(jù)其晶閘管串聯(lián)級數(shù)、根據(jù)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(jù)操作沖擊保護水平確定單閥最小串聯(lián)晶閘管元件數(shù)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(shù)；kim表示操作沖擊電壓下的安全系數(shù)；VDSM則指的是晶閘管正向斷態(tài)不重復(fù)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(jié)語
隨著我國電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，我國在高壓輸電網(wǎng)中對其在總電質(zhì)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(shù)的應(yīng)用分析中，關(guān)于我國高壓輸電網(wǎng)的相關(guān)配備，其主要在于設(shè)備上對應(yīng)閥控制的設(shè)計，閥控制是設(shè)備控制較為關(guān)鍵的設(shè)計。在高壓輸電網(wǎng)的相關(guān)電子配備中，閥能夠作為其晶閘管的保護與監(jiān)控系統(tǒng)，并且能夠連接閥以及其他的控制、保護系統(tǒng)，而其中換流閥就是當前閥控制設(shè)計中最關(guān)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(shè)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(guān)功能，能夠充分保證當前高壓輸電網(wǎng)中的現(xiàn)存問題得到有效解決，保證換流工作能夠順利進行。
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作者:李澤 張朝輝 蘇杰和 單位:中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司