劉 黎，沈佩琦，楊 勇，詹志雄

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)是基于全控型電力電子器件的新一代直流輸電技術(shù)，輸出電壓電流諧波含量低，不存在換相失敗風(fēng)險，有功無功可實現(xiàn)快速解耦控制。柔性直流輸電技術(shù)在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)無功儲備，改善電能質(zhì)量，解決非線性負荷、沖擊性負荷對系統(tǒng)的影響等方面都具有技術(shù)優(yōu)勢。由于其本身的技術(shù)特點，柔性直流輸電系統(tǒng)適用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、海上平臺供電和大型城市電網(wǎng)供電等方面[1-4]。

1 概述

換流閥是柔性直流的核心部件，是實現(xiàn)交流-直流變換的的樞紐，在柔性直流輸電系統(tǒng)中可以采用的電壓源換流閥結(jié)構(gòu)有多種。兩電平、三電平和模塊化多電平是目前最為主要的3種。

2010年之前，兩電平、三電平為主要的柔性直流輸電換流閥形式，閥采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）串聯(lián)技術(shù)，壓裝式IGBT因其短路失效特性而被應(yīng)用于兩/三電平換流閥中[6]，兩電平換流閥、三電平換流閥運行時開關(guān)頻率較高，換流閥的損耗較大。

自SIEMENS在Trans Bay Cable工程首次應(yīng)用MMC（模塊化多電平換流器）技術(shù)后，ABB公司和ALSTOM公司也開始建設(shè)應(yīng)用模塊化多電平換流閥，不需要開關(guān)器件直接串聯(lián)，焊接式IGBT可滿足需求，并且通過多電平技術(shù)可以獲得優(yōu)異的諧波性能和損耗性能，通過模塊化的技術(shù)可以靈活改變換流器的輸出電壓及功率等級，易于擴展到任意電平輸出，滿足不同電壓等級和容量的柔性直流輸電工程應(yīng)用。MMC因其良好的性能得到了快速的工程應(yīng)用，國內(nèi)柔性直流工程均采用MMC，技術(shù)上也都采用支撐式結(jié)構(gòu)的換流閥。

舟山多端柔性直流輸電示范工程在舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島各建設(shè)1座換流站，直流電壓等級為±200 kV，容量分別為舟定換流站400 MW、舟岱換流站300 MW、舟衢換流站100 MW、舟洋換流站100 MW、舟泗換流站100 MW。本文以舟山工程為例，介紹多端柔性直流輸電換流閥技術(shù)。

2 換流器工作原理

2.1 技術(shù)特點

柔性直流換流器為電壓源型換流器，由換流閥、橋臂電抗器等構(gòu)成。其中，換流閥采用全控型（可關(guān)斷）器件，開通和關(guān)斷時間可控，與電流方向無關(guān)，可四象限運行，潮流反轉(zhuǎn)時直流電壓極性不變，便于構(gòu)建多端直流系統(tǒng)及直流電網(wǎng)；可工作在無源逆變方式下，沒有換相失敗問題，可以向孤島負荷供電，或者連接分布式發(fā)電系統(tǒng)；可同時且獨立地控制有功功率、無功功率，使控制更加靈活方便，自動進行無功調(diào)節(jié)，無需額外補償裝置；開關(guān)頻率較高，低次諧波含量低，不需要或只需配置容量很小的高次濾波器[5-6]。

2.2 換流閥拓撲原理

舟山多端柔性直流工程換流閥采用基于半橋式子模塊的模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)，換流閥包含6個橋臂，每個橋臂由多個功率子模塊串聯(lián)而成。換流閥拓撲原理示意如圖1所示。

每個橋臂由n個SM（子模塊）與橋臂電抗器L串聯(lián)組成，同相的上下2個橋臂構(gòu)成1個相單元，各橋臂子模塊按正弦規(guī)律依次投入，上下橋臂電抗器的連接點為換流器交流電壓輸出口，分別輸出三相交流相電壓ua，ub，uc。為保持直流電壓穩(wěn)定，在不考慮冗余的情況下，上下橋臂的子模塊對稱互補投入，任意時刻上下橋臂投入子模塊數(shù)之和為定值n。

為了滿足高直流電壓等級、大容量輸送的需求，模塊化多電平換流器單個橋臂需要串聯(lián)的子模塊個數(shù)會達到數(shù)十甚至上百個，在這種情況下，諧波問題已不再嚴重，因此使用階梯波調(diào)制中的最近電平逼近調(diào)制作為調(diào)制策略，不僅實現(xiàn)簡單，而且開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗較小[7-8]，控制原理如圖2所示。

圖1 模塊化多電平換流閥拓撲原理示意

圖2 最近電平控制原理

圖2中，uarm_ref為橋臂參考電壓，與子模塊正常運行時的平均電壓Usm相除后，經(jīng)取整運算后得到當前橋臂投入的子模塊數(shù)，橋臂控制器根據(jù)當前時刻的橋臂電流方向?qū)虮蹆?nèi)所有子模塊電壓進行排序，最終生成橋臂子模塊的觸發(fā)脈沖，完成最近電平控制。

2.3 換流閥子模塊

子模塊為換流閥基本單元，采用半橋式拓撲，由IGBT1、IGBT2、直流儲能電容、晶閘管和旁路開關(guān)組成。子模塊是由1個兩端部件連同其自身的直流儲能電容器單元組成，如圖3所示。每個子模塊具有2個主端子用于子模塊的串聯(lián)。通過恰當控制閥組模塊中的IGBT，使得子模塊主端子電壓為電容器電壓或零。這些子模塊是獨立控制的，2個電流方向下都可以在全模塊電壓（對應(yīng)的儲能電容器電壓）和零電壓之間切換。

圖3 子模塊結(jié)構(gòu)

3 換流閥組成結(jié)構(gòu)

3.1 舟山柔性直流閥塔結(jié)構(gòu)

舟定、舟岱、舟衢換流站采用南瑞公司生產(chǎn)的換流閥（包括阻尼模塊），舟洋、舟泗換流站采用許繼公司生產(chǎn)的換流閥?；谀K化多電平技術(shù)，換流閥主要由子模塊、閥組件和閥塔構(gòu)成。換流閥由6個橋臂組成，其中3個上橋臂與3個下橋臂，由3個集成閥塔單元組成。每個集成閥塔的一側(cè)為水管冷卻管路，另一側(cè)為光纜槽。水管支路設(shè)4層，將冷卻水分配至各個模塊，水管分進水管與出水管。橋臂電氣元件運行信號由光纖輸出，光纜槽分設(shè)4條支路，布置于閥塔4層，光纖敷設(shè)于主光纜槽后，通過各層光纜槽連接至各個模塊內(nèi)。橋臂各層閥段通過支柱絕緣子連接，同層閥段連接處設(shè)置均壓罩，均壓罩的邊緣和棱角按圓弧設(shè)計，確保在高壓下對地沒有火花放電。整個橋臂還配置了交流進線、直流出線管母等部件。

橋臂整體通過支柱絕緣子固定于地面，每個橋臂包含3個集成閥塔單元。例如定海換流站、岱山換流站的集成閥塔共分4層，每層4個閥段，共計有16個閥段，每個閥段配置6個模塊，在16個閥段中有6個閥段配置了5個模塊，留有1個冗余位置，即每個集成閥塔共90個模塊，每橋臂共計由270個模塊組成。衢山換流站的集成閥塔共分4層，每層3個閥段，共計有12個閥段，每個閥段配置8個模塊，在12個閥段中有3個閥段配置了6個模塊，留有2個冗余位置，即每個集成閥塔共90個模塊，每橋臂共計由270個模塊組成。圖4所示為舟定換流站換流閥閥塔。

圖4 舟定換流站換流閥塔

換流閥采用空氣絕緣、去離子水冷卻、戶內(nèi)安裝，雙列式支撐式閥塔結(jié)構(gòu)，閥組件由5～6個子模塊串聯(lián)組成，并配置有絕緣支撐梁，既能保證絕緣性能又能充分保證機械性能；為便于子模塊的檢修，相應(yīng)的絕緣支撐導(dǎo)軌采用等電位滾輪式結(jié)構(gòu)，子模塊可靈活插拔。該閥塔結(jié)構(gòu)大大縮減了換流閥占地面積，增強了閥塔抗震性能，同時提高了換流閥維護效率，有效降低了閥塔寄生電氣參數(shù)對換流閥運行影響。

3.2 換流閥阻尼模塊

為實現(xiàn)舟山柔性直流工程系統(tǒng)直流側(cè)故障快速隔離以及重啟動功能，解決運行靈活性不足、橋臂故障交流電流存在較大直流偏置等問題[9-12]，并實現(xiàn)直流故障快速恢復(fù)技術(shù)的工程化應(yīng)用和驗證，2016年舟山多端柔性直流輸電工程實施了直流斷路器及阻尼快恢復(fù)裝置的加裝改造，在五站的換流閥橋臂空槽位中加入阻尼模塊。其中，舟定、舟岱、舟衢每個橋臂具有18個空槽位，每個站共加裝108個阻尼模塊。舟洋換流站換流閥橋臂安裝1套阻尼模塊，大約90個。舟泗換流站換流閥橋臂安裝1套阻尼模塊，大約120個。

當直流側(cè)發(fā)生故障時，阻尼模塊IGBT閉鎖，阻尼電阻串聯(lián)進入故障電流回路，實現(xiàn)故障電流的快速衰減。當故障電流衰減至一定值時，諧振開關(guān)分斷故障電流，實現(xiàn)故障線路的隔離。阻尼模塊主要由阻尼電阻R，IGBT，旁路開關(guān)DL以及模塊的控制和取能電路等部分組成，阻尼模塊中IGBT和電阻的安裝形式如圖5所示。

4 換流閥的控制與保護

柔性直流輸電工程的控制可以分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制、換流閥級控制、子模塊級控制。圖6所示為換流站控制層級結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)級控制包含確定柔性直流工程各個換流站的控制目標與相互配合關(guān)系；換流站級控制包含確定站內(nèi)的控制策略；換流閥級控制包含產(chǎn)生換流閥基本模塊的觸發(fā)脈沖。換流閥子模塊級控制包含接收換流閥閥級控制產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號，根據(jù)觸發(fā)脈沖信號，對子模塊IGBT進行開通和關(guān)斷控制。

柔性直流輸電工程的保護系統(tǒng)采用雙重化保護配置，每套保護均采用“啟動+保護”的出口邏輯，啟動和保護裝置從采樣、保護邏輯到出口的硬件設(shè)備完全獨立。保護系統(tǒng)按被保護的一次設(shè)備分為數(shù)個保護區(qū)：站內(nèi)交流連接母線區(qū)主要對聯(lián)接變壓器與換流器之間的交流母線進行保護；換流器區(qū)主要對換流閥、橋臂電抗器以及交流連接線進行保護；直流場保護區(qū)主要對直流輸電線路以及直流線路上串聯(lián)的平波電抗器等設(shè)備進行保護。以換流器保護為例，換流器區(qū)主要配置了交流過流保護、橋臂過流保護、橋臂電抗器差動保護、閥側(cè)零序分量保護、閥差動保護和橋臂環(huán)流保護等[13]。

圖5 阻尼模塊

圖6 換流站控制層級結(jié)構(gòu)

4.1 控制特性

舟山多端柔性直流換流站換流閥控制系統(tǒng)配置的控制功能有：

（1）換流閥充電模式辨識與自主充電控制，可在線自動辨識充電模式（有源充電或無源充電），并根據(jù)充電模式執(zhí)行相應(yīng)的充電控制策略，保證換流閥子模塊電壓升至預(yù)定值以及各橋臂子模塊電壓不均衡度小于±5%。

（2）大規(guī)模節(jié)點子模塊電壓均衡控制，保證換流閥解鎖運行后各橋臂子模塊電壓不均衡度小于±5%。

（3）閥控層橋臂環(huán)流控制，使得橋臂電流中的2次環(huán)流含量小于3%，橋臂電流正弦化，有效降低了換流閥損耗。

（4）換流閥開關(guān)頻率優(yōu)化控制，將換流閥開關(guān)頻率控制在200 Hz以內(nèi)，有效降低了換流閥損耗。

（5）換流閥故障子模塊高速冗余切換控制，切換時間小于3.5 ms，實現(xiàn)故障子模塊高速無縫切換，保障了換流閥可靠運行。

（6）閥控設(shè)備主備無縫切換控制，切換時間小于1 ms，保障換流閥穩(wěn)定可靠運行。

4.2 保護特性

舟山多端柔性直流換流站換流閥控制系統(tǒng)與子模塊控制器配置的保護功能有：

（1）跳閘請求。換流閥及閥控出現(xiàn)如下故障時閥控請求跳閘：如橋臂過電流；子模塊旁路開關(guān)拒動故障；單橋臂子模塊故障個數(shù)超過子模塊冗余數(shù)量；主備信號重疊時間過長等。

（2）請求主備系統(tǒng)切換。閥控值班系統(tǒng)出現(xiàn)以下故障時閥控請求系統(tǒng)切換：閥控內(nèi)部通信故障；閥控與控制保護系統(tǒng)通信故障；閥控與測量系統(tǒng)通信故障等。

（3）閥控報警。當換流閥及閥控系統(tǒng)出現(xiàn)以下故障時閥控發(fā)出報警信息：橋臂內(nèi)存在故障子模塊，但故障個數(shù)未超過子模塊冗余數(shù)量；任意橋臂閥塔檢測到閥塔漏水；閥控與測量系統(tǒng)通信故障；閥控內(nèi)部任一路電源故障等。

（4）子模塊級故障保護功能。

換流閥子模塊配置有以下故障保護功能：子模塊IGBT驅(qū)動故障保護；子模塊過欠壓保護。

子模塊電源故障保護；子模塊旁路開關(guān)拒動故障保護；子模塊通信故障保護。

5 換流閥的運行監(jiān)視與故障處理

5.1 換流閥的運行規(guī)定

換流閥的運行必須具備以下條件：

（1）閥廳接地開關(guān)已全部拉開。

（2）閥廳大門已關(guān)閉并上鎖。

（3）閥廳空調(diào)系統(tǒng)運行正常。

（4）閥水冷系統(tǒng)運行正常。

（5）各控制保護均正常投入運行。

（6）閥廳火災(zāi)報警裝置運行正常。

5.2 換流閥的故障處理

若換流閥子模塊報故障，需匯報并申請進行復(fù)歸操作；若報警信號復(fù)歸，說明報警是瞬時故障引起，故障已消除；若報警信號未復(fù)歸，或短時復(fù)歸后繼續(xù)重發(fā)，說明報警信號是永久故障引起，則記錄該閥故障數(shù)量和位置，密切監(jiān)視直流系統(tǒng)的運行情況。當單閥故障次數(shù)達到規(guī)定時，應(yīng)及時申請將直流系統(tǒng)停運進行檢修處理。

對換流閥進行故障處理更換損壞元件時，必須停運有關(guān)電氣回路和水回路，換流閥各側(cè)的接地開關(guān)必須在合上位置。進入閥塔更換故障子模塊時，需要做防靜電措施。對換流閥進行故障處理前，必須對換流閥子模塊電容進行充分放電。

換流閥阻尼模塊和子模塊在充電或運行時均存在子模塊故障旁路拒動的概率，若出現(xiàn)模塊拒旁，該站會閉鎖退出運行。運行中發(fā)現(xiàn)，南瑞換流閥在充電階段，僅上報故障信號而未上報旁路信號，目前根據(jù)廠家建議，由于此時故障模塊旁路狀態(tài)未知，出于安全考慮，若換流閥充電過程中（解鎖前）出現(xiàn)阻尼模塊或子模塊故障未旁路，需進閥廳人工確認該故障模塊的旁路狀態(tài)。

5.3 問題和措施

5.3.1 發(fā)現(xiàn)的問題

2017-12-31 T 17：24，加裝阻尼模塊后的年檢工作結(jié)束后，舟岱換流站運行人員進行交流充電操作，舟岱換流站交、直流側(cè)帶電，監(jiān)控后臺上報A相上橋臂功率子模塊SMC21故障信息，SMC21已旁路。之后舟岱換流站交流主動充電，主動充電完成后，后臺上報A相上橋臂的阻尼子模塊SMC4上行通信故障。由于此時故障阻尼子模塊旁路狀態(tài)未知，申請停運舟岱換流站后，人工進入閥廳并確認，A相上橋臂的阻尼子模塊SMC4未旁路，手動對其進行旁路。

對舟岱換流站監(jiān)控后臺歷史事件進行排查，發(fā)現(xiàn)在12月17日舟岱換流站停運斷電過程中，A相上橋臂功率子模塊SMC21旁路，阻尼子模塊SMC4在功率子模塊SMC21左側(cè)。此時，由于斷電后，阻尼閥控充電標識消失，與故障功率子模塊SMC21相鄰的阻尼子模塊SMC4無法旁路。12月31日，舟岱換流站啟動充電過程中，由于A相上橋臂功率子模塊SMC已旁路，與其相鄰的阻尼子模塊SMC4取能失敗，失去旁路能力，之后上報故障信息。

5.3.2 原因分析

阻尼模塊主要由阻尼電阻R，IGBT，旁路開關(guān)以及阻尼模塊的控制、取能電源板卡等部分組成。阻尼模塊的控制電路作為SM單元的控制核心，通過光纖接收VBC（閥基控制系統(tǒng)）發(fā)送下來的控制命令，完成IGBT的控制、旁路開關(guān)的控制。同時采集SM單元的相關(guān)狀態(tài)，并編碼后反饋給VBC，用于監(jiān)視SM單元是否正常工作，如開關(guān)狀態(tài)、IGBT狀態(tài)等。阻尼模塊采用高位取能模式。

阻尼模塊包括兩種工作狀態(tài)，分別為旁路狀態(tài)和阻尼狀態(tài)。處于旁路狀態(tài)時，T1導(dǎo)通，阻尼電阻被旁路；處于阻尼狀態(tài)時，T1關(guān)斷，阻尼電阻將串入橋臂中。阻尼模塊的工作狀態(tài)與換流閥的解閉鎖狀態(tài)保持一致，當換流閥解鎖時，阻尼模塊工作于旁路狀態(tài)；當換流閥閉鎖時，阻尼模塊工作于阻尼狀態(tài)。當發(fā)生故障，保護動作后閉鎖換流閥使橋臂中的阻尼模塊均工作在阻尼狀態(tài)，此時橋臂中等效于串入了較大的電阻，能夠?qū)收想娏鬟M行限制，同時在進線開關(guān)跳開后，能夠快速使橋臂中的電流衰減，為故障隔離和快速恢復(fù)創(chuàng)造條件[14]。阻尼模塊在閥解鎖后退出運行，閥閉鎖時投入運行（充電階段，阻尼模塊也為投入狀態(tài)）。若模塊發(fā)生故障，自動旁路。

由于阻尼模塊自身無取能電容，采用外取能方式，即阻尼模塊的輔助供電來自于相鄰的換流閥功率子模塊，所以當相鄰被取能功率模塊發(fā)生故障旁路時，該阻尼模塊控制板卡將無法正常取能，會導(dǎo)致旁路失敗[15]。阻尼模塊取能原理如圖7所示。

圖7 阻尼模塊取能原理

5.3.3 解決措施

通過跨接銅排改造，涉及阻尼模塊及其右側(cè)的被取能功率子模塊。改造方案為：取消銅排1，銅排2保持不變，增加跨接銅排3（如圖8所示）。

圖8 阻尼模塊改造方案示意

實施上述改造方案后，不論換流閥是充電還是解鎖狀態(tài)，均可以實現(xiàn)阻尼模塊故障、子模塊未故障情況下，阻尼模塊旁路開關(guān)閉合，系統(tǒng)繼續(xù)運行；該子模塊故障，子模塊旁路開關(guān)閉合，阻尼模塊和子模塊同時旁路退出，系統(tǒng)繼續(xù)運行。

6 結(jié)語

介紹了MMC換流閥基本原理及閥塔組成結(jié)構(gòu)，并對舟山柔性直流輸電工程換流閥的控制與保護特性進行了分析，結(jié)合舟山工程實際運維經(jīng)驗，總結(jié)了換流閥的運行規(guī)定及故障處理流程。重點分析了閥塔加裝阻尼模塊后，系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了合理解決措施，對其他工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義。