0 引言

    東北——華北聯網高嶺背靠背換流站工程（高嶺背靠背工程）是西電公司承擔的國家重點工程，其中晶閘管換流閥是高嶺背靠背工程換流站的核心設備，高嶺背靠背工程實現東北——華北電網的聯網，是西安西電電力整流器有限責任公司（西整公司）首次承擔制造的國內最大商業運行背靠背工程，是國內第一次獨立進行±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥的設計、制造、絕緣型式試驗、運行型式試驗和現場調試的工程。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年投入運行。

1 換流閥工作原理

    換流閥是換流站中的主要設備，它的作用是把交流電力變換成直流電力，或實現逆變換。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個三相橋串聯構成一個12脈動換流閥，其主要優點是在增加容量的同時還能減少諧波分量。直流輸電系統示意圖見圖1。

    圖1 直流輸電系統示意圖

    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聯網，而且故障不會擴大，其主要優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)經過高壓光纜送到閥監控柜(VCU/THM)，說明晶閘管已承受正向電壓，滿足觸發條件。

    2)從極控制和保護(PCP)來的120°控制脈沖(CP)進入VCU/THM后，經邏輯電路處理轉變成觸發脈沖傳送到光接口，經過高壓光纜發送到TCU觸發晶閘管；同時經過邏輯電路產生一個20μs寬的脈沖送回PCP，作為PCP監測用。

    3)極控制和PCP、VCU/THM都是按照并行冗余系統設計的，運行信號是指示該系統為運行系統，否則為備用系統。

    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行檢測和執行，并把報警和跳閘以及晶閘管狀態經CAN總線傳送到極控制和PCP。

2 換流閥設計

    2.1 換流閥技術參數

    電壓額定值、電流額定值、絕緣水平、避雷器參數參考表1-4的數據。

    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

 2.2 電氣計算

    換流閥電氣設計基于相關標準規定及技術規范的要求進行設計計算，電氣設計必須考慮換流閥在各種系統工況下，在穩態和暫態時可能引起的不同應力。

    2.2.1 計算參數的確定

    1)晶閘管參數。晶閘管主要參數見表5。

    表5 晶閘管主要參數

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

    表6 主電路計算使用的參數

    2.2.2 單閥晶閘管串聯數

    按技術規范規定的冗余數及最極端的電壓條件進行計算，每單閥有48只晶閘管級和8臺非線性電抗器串聯組成，即由8個晶閘管組件和8個電抗器組件構成。晶閘管級的工作原理見圖3。

    圖3 晶閘管級原理圖

    在任何運行條件下，每個晶閘管上的電壓應力應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，單閥串聯晶閘管元件數由下式確定

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

 2.2.3 阻尼均壓回路

    換流閥均壓回路包括并聯在晶閘管上的RC阻尼回路和DC均壓電阻以及與晶閘管組件串聯的飽和電抗器。均壓回路的作用一方面是保護晶閘管免受暫態過電壓的損壞，另一方面使閥承受的各種電壓在閥內均勻分布。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電荷的差異。因此，阻尼回路設計的誤差范圍要低于允許的極限值。穩態運行時，晶閘管的重復電壓包括換相過沖要低于允許的重復電壓。快速暫態電壓如雷電和陡前波，部分電壓將被串聯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減少閥關斷、電流熄滅、換相過沖；④阻止閥端出現的異常過電壓。

    電容器的選取原則是：必須能連續耐受包括換相過沖在內低于避雷器動作值的電壓蜂值。閥的換相過沖同時應該考慮6脈動閥組其他閥關斷時的影響。而電容值則應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，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計的阻尼回路參數如下：R_DC(R₁)為40Ω；C_RC(C₁)為1.5μF。

    2)DC均壓電阻。DC均壓電阻的設計功能為：①為TCU提供取樣和保護的門檻電壓值；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，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的主要功能是觸發和檢測晶閘管以及正向保護性觸發和反向恢復期的保護性觸發。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晶閘管。

    TCU的所有控制和保護功能均由電子線路來實現，在TCU板中無高壓器件。

    每個晶閘管的觸發脈沖和回報脈沖用2根光纜從TCU和處于低電位的控制保護裝置傳遞。其中，1根為觸發光纜，1根為回報光纜。

    閥的觸發系統在120°的觸發區域內調制為專用的短脈沖系統。短脈沖的寬度能夠確保閥的觸發和補脈沖觸發。短脈沖觸發系統可降低發光系統的功率損耗，延長發光管的壽命。在中控室的晶閘管檢測系統THM，根據TCU送來的回報信號檢測每個晶閘管的狀態。當晶閘管級故障時，THM可立即查出故障的性質、位置。TCU同時完成晶閘管的正向保護動作，當晶閘管兩端的電壓超過預先在TCU中的設置值時，TCU發出緊急觸發信號，緊急觸發晶閘管，從而保護了晶閘管。整閥的保護觸發電壓值遠遠高于跨閥避雷器的保護水平。正向保護觸發設置原則是：逆變運行時，交流側故障恢復，閥不至于由于保護觸發動作而引起提前觸發，從而引起換相失敗。

    換流閥正向保護觸發值的設置：對于每一級晶閘管正向保護觸發電壓設置為6800V，由TCU板實現；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)將觸發晶閘管，以保護晶閘管。晶閘管保護觸發電壓曲線圖見圖4。

    圖4 晶閘管保護觸發電壓曲線

 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電壓的均勻分布。在常規運行時，每個元件承受的重復電壓應低于容許的重復值。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；k_dm為設計余量系數。

    換流閥電壓計算結果見表7。

    表7 換流閥電壓計算結果

    加在每一個晶閘管上的電壓必須比晶閘管規格書中規定的電壓低。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 結語

    以上僅對換流閥電氣設計計算做了簡單介紹，高壓直流輸電換流閥的實際設計計算要通過各種仿真軟件進行模擬設計計算。在設計工作中根據換流閥各種運行工況，西整公司設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計計算和參數的確定。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構設計；完成了晶閘管閥組件和關鍵件的設計、檢測、試驗；自制工裝，完成換流閥閥塔的組裝，提高了國產化率。

    根據設計規范要求，西整公司完成了換流閥型式試驗規范及試驗參數的確定，獨立設計換流閥絕緣型式試驗電路，首次在國內完成±125kV直流背靠背工程晶閘管換流閥絕緣型式試驗和運行型式試驗。

    高嶺背靠背換流站工程換流閥設計、制造的完成以及絕緣試驗和運行試驗的通過，標志著西整公司已具備了±125kV背靠背換流閥設計、制造和試驗能力，標志著西整公司已邁進了商業化制造高壓直流背靠背工程晶閘管換流閥的先進行列，在中國直流背靠背聯網發展的歷史上，具有里程碑的意義。