输电网中对电力电子技术应用

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摘要：本文主要介绍了当前超高压输电网中电气电子技术的相关应用，其中包括高压直流输电。而作为高压直流输电的一个换流核心设备，应充分了解其阀控制以及换流阀的相关技术介绍和整体设计。在当前高压输电网的工作进程中，换流阀的作用至关重要，因此，需要合理对换流阀设计进行严格分析，以此重点从换流阀的根本组合出发，分析研究其对于高压输电网的配电设备工作的影响，同时提高当前电力电子技术在我国的发展，有效强调了换流阀技术分析在对应设备开发中的重要性。

关键词：超高压输电网；电力电子技术；换流阀

1我国高压输电网中存在的电力问题

针对当前我国的实际特殊情况，面对当前我国电网的主要特点，即电网容量不断增大，其对应的远距离输电不断增多等。同时，随着当前我国电力系统电压不稳定的情况越来越频繁，如何能够保证超高压输电网的电压在一定稳定的基础上保证其合理性，而换流阀就能够提供较为准确有效的换流工作，以此保障我国高压输电网面临的相关电压问题。

2高压输电网中对换流阀的相关要求

2.1阀控制与换流阀的相关介绍

阀控制是一个基于微处理器的、冗余的免维护晶闸管阀触发和监控系统。它也是阀和其他控制和保护系统的一个接口。其基本功能如下：产生所有的晶闸管的触发脉冲、监测晶闸管及其相关设备的状态、在反向恢复期保护晶闸管、产生阀电流过零关断信号、执行自检等。而换流阀是当前高压输电系统中，能够有效实现换流所需要的三相桥式换流器的相关桥臂，是其换流器的基本单元设备。其主要的作用是能够进行换流工作，在对应的输电工程中，换流阀不仅能够有效进行整流以及逆变的相关功能，还具有一定的开关功能，能够有效利用其自身的快速可控性对其输电的启动以及停运进行对应操作。

2.2换流阀的主要分类以及VBE的主要介绍

换流阀在高压输电网中占有重要的作用，可以分为常规晶闸管阀（晶闸管阀或者可控阀)、低频门极晶闸管阀（GTO阀)以及高频绝缘栅双级晶闸管阀（IGBT阀)等。而关于输电网中阀底部电子设备VBE的主要研究分析，其包括晶闸管控制与监测（TC&M)、光发射板以及接收板、晶闸管电压监测、反向恢复期保护光源、光缆以及光分配器等。阀底部的电子设备VBE是互为热备用的冗余系统（系统1和2）。基本上任何环节均采用了并行冗余硬件设计。仅仅晶闸管电压监测板TVM到光接收板的回报信号光缆无冗余，但是，可以认为阀内晶闸管级的串联冗余也是回报信号光缆的冗余。其中，对应的晶闸管是用来接收来自极控制和保护（PC&P）的信号，如触发控制信号。VBE将这些信号转换成触发晶闸管的脉冲和对每个阀段内RPU的控制脉冲。令其脉冲分别通过光发射板或RPU接口板转换为光脉冲，通过光缆送到每一只晶闸管和RPU。与此同时，还通过光接收板接收所有晶闸管的电压监测板TVM的回报信号。为了快速处理数据，互为冗余的TC&M每个系统都由FPGA（现场可编程门阵列器件）、PLD（可编程逻辑器件）和微处理器组成，该系统连续检测阀上每个晶闸管级的回报信号。其中对应的监测功能在故障时会通过硬线或光缆发出跳闸信号。这些信息也通过现场总线发送到极控制和保护。与运行保护和站控制相关的报警信号也由TC&M发出，并通过现场总线发送给极控制和保护系统PC&P。

2.3高压输电网对换流阀的相关要求

关于高压输电网中晶闸管换流阀的设计是当前换流站的主要核心设备，其对应的投资约占全站设备投资的四分之一。晶闸管换流阀需要在预定的外部环境以及系统条件下，按照规定的要求安全可靠地运行，并且能够有效满足损耗小、安装以及维护方便、投资省的要求。（1）系统对换流阀的定值要求。系统对换流阀定值的要求包括对连续运行额定值的要求以及过负荷能力的要求。针对连续运行定值，应根据系统要求及对高压直流系统主回路参数研究的结果来确定换流阀的连续运行额定值，同时，需要合理考虑诸如最高环境温度等因素的影响。关于阀的冷却系统及其他辅助系统的设计须满足所确定的连续运行额定值的要求。而对于过负荷定值，则可以将其分为连续过负荷额定值、短时过负荷额定值以及暂态过负荷额定值。其中，前两种过负荷额定值是由相应电力系统故障后为减少经济损失，以及为电力系统故障后的恢复提供必要的功率支持而提出来的，该定值的合理性应顾及相应设备费用的增加。而后一种过负荷额定值是由直流输电系统以各种调制方式阻尼交流系统的振荡和提高系统运行稳定性的要求而提出的。过负荷额定值均应考虑过负荷前的运行状态，如实际的负荷情况及冷却设备投运情况等。（2）针对运行触发角工作范围的要求。关于当前对晶闸管换流阀的相关运行触发角工作范围的优化选择，应具体考虑其换流阀是否能够满足额定负荷、最小负荷以及直流降压等各种运行方式的相关要求。同时，是否满足对正常起停和事故起停的要求，还需要考虑是否能够满足交流母线电压控制以及无功调节控制等的相关要求。针对当前的换流阀触发角，其从减少无功损耗、谐波分量以及降低运行损耗等方面考虑，要求其触发角越小越好，但若是从换流阀安全可靠换相以及其对应的调节裕度的方向考虑，其应有最小角度限制。

3换流阀高压输电网中的设计与应用

3.1换流阀的相关介绍

关于换流阀在阀控制中的应用设计，其换流阀主要是将两个6脉动换流器串联组成12脉动换流器，12脉动换流器直流电压质量好，所含谐波成分少。绝大多数直流输电工程都采用12脉动换流器。

3.2晶闸管换流阀的结构电气连接介绍

晶闸管换流阀是当前由晶闸管元件以及对应的电子电器、阻尼回路和组装成阀组件的相关阳极电抗器、均压元件等利用某种形式的电气连接方法后组装而成的对应高压输电网换流桥的一个桥臂。其主要包括晶闸管和晶闸管管理、阀组件、单阀（阀臂)以及三相6脉动换流器以及其三相12脉动换流器。其中，晶闸管级是由晶闸管元件以及所对应需要的触发、保护和监视用的电子回路、阻尼回路构成，其可硅级主要包括阻尼回路、分压回路、可控硅控制单元TCU以及可控硅四个部分。而阀组件则是由若干个晶闸管级与其阳极电抗器串联后再并联上电容元件构成。

3.3换流阀的电气设计

（1）换流阀的阀电气性能。阀最主要的特性就是仅能在一个方向导通电流，即正方向。其不导通的阀应能耐受正向及反向阻断电压，而阀电压最大值由避雷器保护水平确定。当阀上的电压为正时能得到一个控制脉冲阀从闭锁状态转向导通状态，一直到流过阀的电流减小到零为止，阀始终处于导通状态，不能自动关断。并且阀具有一定的过电流能力，能通过健全阀的最大过电流发生在阀两端间的直接短路，而过电流的幅值主要由系统短路容量和换流变压器短路阻抗所决定。（2）换流阀的电气设计结构分析。在当前的换流阀电气设计过程中，其主要是根据对应阀内器件参数的计算以及正确选择。同时，其应不仅能够充分满足换流阀在各种运行工况下的电压应力和电流应力，还应满足冲击电压下的电压应力。因此，对换流阀的电气设计作如下研究：阻尼回路：使阀电压在每个晶闸管两端均匀分配；使阀能够耐受正常和非正常负载条件下的应力；限制晶闸管关断时的反向恢复过冲电压。若换流阀只有串联晶闸管和饱和电抗器组成，则阀正常运行时阀两端电压波形如图1所示。本阀关断时，阀两端会出现严重的过冲电压，过冲电压会导致阀避雷器动作，阀避雷器会过热烧毁。若在晶闸管两端并联阻尼回路，则阻尼回路可以限制换相过冲电压，抑制振荡。图1均压电容器：在回路中出现陡前波冲击电压现象时，在四重阀内将电压均匀分布到四个阀上，避免局部过压导致阀片损坏的现象。饱和电抗器：阀两端存在杂散电容，阀触发之前，杂散电容被充电，杂散电容电压等于换流变压器施加在阀两端的电压eca，阀触发导通后，杂散电容通过触发的晶闸管放电。BOD：每个晶闸管的自保护由集成在LTT内正向过电压保护触发BOD完成以免由于触发脉冲丢失而使晶闸管承受过电压损坏。MSC：多模星型耦合器，将来自VBE系统内三个不同光信号发送器板上的激光二极管的光信号指令，经过一个三取二的选择逻辑后再分别发送至13个LTT阀片上。RPU：恢复保护单元，在可控硅阀片关断后的恢复期间保护换流阀，在此期间，如果电压变化率超过保护预设值，RPU在接收到VBE系统内RPU板发送的控制信号后，将发送一个光触发脉冲送MSC，将阀单元内的阀片触发开通。TVM板：保证在每个换流阀内串联状态下所有可控硅阀片承受相同的直流电压，同时监测阀片级内部电压并产生回检光信号。内冷水冷却的部件包括：晶闸管阀片、RC阻尼回路中的电阻、阀电抗器。内冷水通过阀塔顶部的S型管引入，从上到下分配到每层阀塔的汇流管，汇流管中的内冷水分位两部分，一是通过流进晶闸管阀片两端的散热器，再流入RC阻尼回路中水冷电阻，最后流回出水汇流管。二是通过两个阀电抗器后，流回出水汇流管。内水水管遵循上进下出、左进右出的原则。为了避免部件间存在浮动电位或者电势差过大，防止产生电晕或者局部放电，同时保持水中的电解电流在可以忽略的范围内（μA级），在水冷主回路中适当的位置放置了均压电极。例如，在与晶闸管硅堆并联运行的水管的首段和尾端、在组件水管的入口和出口或者是在单阀之间的水管连接处。

3.4换流阀的相关参数选择

关于换流阀电气设计中的相关计算，主要是针对单阀晶闸管数量的计算。而在当前的换流阀相关晶闸管数量计算中，根据其晶闸管串联级数、根据阀避雷器的保护水平确定，在阀避雷器的操作冲击和雷电冲击保护水平中，主要依据操作冲击保护水平确定单阀最小串联晶闸管元件数由下式确定：式中，SIPL代表的是跨阀的操作冲击保护水平；SIWL表示跨阀的操作冲击耐受水平；kd表示操作冲击电压下单阀的电压分布系数；kim表示操作冲击电压下的安全系数；VDSM则指的是晶闸管正向断态不重复峰值电压。因此，考虑到一定的安全裕量，增加3个冗余晶闸管级，即单阀包含70个晶闸管级。

4结语

随着我国电力电子技术的不断发展与提高，我国在高压输电网中对其在总电质量中的特殊要求以及更严格的用电需求等水平随之有了一定的提高。而在我国的电力电子技术的应用分析中，关于我国高压输电网的相关配备，其主要在于设备上对应阀控制的设计，阀控制是设备控制较为关键的设计。在高压输电网的相关电子配备中，阀能够作为其晶闸管的保护与监控系统，并且能够连接阀以及其他的控制、保护系统，而其中换流阀就是当前阀控制设计中最关键的一部分。换流阀作为当前直流输电工程中的一项核心设备，能够有效保障直流输电工程的顺利安全展开。同时，换流阀具有整流以及逆变的相关功能，能够充分保证当前高压输电网中的现存问题得到有效解决，保证换流工作能够顺利进行。

参考文献：

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作者:李泽 张朝辉 苏杰和 单位:中国南方电网有限责任公司超高压输电公司