HVDC換流器結構與功能綜述

摘 ?要 ?高壓直流輸電（HVDC）是一種新型輸電形式，它通過交流電與直流電之間的變換為電網輸送電能。這種新型輸電方式可實現大功率、遠距離輸電，同時還能夠使額定頻率不相同的交流系統之間實現非同步的互聯。高壓直流輸電（HVDC）作為我國電網重要的組成部分，對其可靠性和穩定性有很高的要求，其重要的核心設備就是換流器，換流器的結構相對復雜，它由各種元器件組成，本文從換流器的設計要求、組成元件出發，詳細介紹了換流器的結構和工作原理，對于保證寧東直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

關鍵詞 ?高壓直流輸電;換流器;結構;功能

中圖分類號：TM72 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）22-0024-02

高壓直流輸電（HVDC）作為我國一種新型輸電形式，正在電力系統中扮演著日益重要的角色。它能夠實現大功率、遠距離輸電，同時還具有使額定頻率不相同的交流系統之間實現非同步的互聯等交流輸電所不具備的獨特優勢。換流器作為高壓直流輸電系統的核心元器件之一，它的穩定性和可靠性關系著直流系統的安全運行。本文從換流器的設計要求、組成元件出發，詳細介紹了換流器的結構和工作原理，對于保證寧東直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

1 ?換流器介紹

換流器是用以實現交、直流電能相互轉換的設備。換流閥是能實現換流橋臂功能的可控或不可控開關設備，是換流器的最基本的組成單元。換流器采用一個或者多個三相橋式換流電路（也稱6脈動換流器）串聯構成。改變換流閥的觸發相位，它既可運行于整流狀態，也可運行于逆變狀態。實現交流電向直流電轉換的換流器稱之為整流器，實現直流電向交流電轉換的則稱為逆變器。整流器與逆變器設備基本相同，統稱為換流器。

按照觸發原理的不同可分為LTT（Light Trigger Thyristor）換流器和ETT（Electric Trigger Thyristor）換流器。由光觸發晶閘管LTT組成的換流單元稱為LTT換流器。由電觸發晶閘管ETT組成的換流單元稱為ETT換流器。

2 ?換流器的設計要求

晶閘管換流閥應能在預定的外部環境及系統條件下，按規定的要求安全可靠地運行，并滿足損耗小，安裝及維護方便、投資少的要求。

1）基本性能。為了滿足閥換流和可靠運行的要求，閥應具有如下基本性能：

①具有單向導通的性能，在一個周波中閥導通時間為三分之一周波。

②在閥不導通時，能夠承受正向和反向的阻斷電壓。

③最大阻斷電壓一般設計為3倍的六脈動閥橋額定直流電壓，最大阻斷電壓應由并聯避雷器的電壓保護水平決定。

④當閥承受正向電壓，同時有觸發電流（大約8A）給門極時，則閥應導通。只有流過閥的電流降為零時才關斷。

⑤閥具有承受過電流的能力，通過健全閥的最大過電流發生在閥兩端間的直接短路，而過電流的幅值主要由系統短路容量和換流變壓器短路阻抗所決定。

2）其他要求。除了滿足以上的性能要求外，閥在設計中還應滿足以下要求：很高的可靠性、足夠的機械強度、較低的損耗、最少的安裝和維護費用、整體最優的價格、完善的自動監視系統、可靠的防火系統等。

3 ?換流器的結構及元件功能

晶閘管換流閥是由晶閘管元件及其相應的電子電路、阻尼回路以及組裝成閥組件（或閥層）所需的陽極電抗器、均壓元件等通過某種形式的電氣連接組裝而成的換流橋臂。下面就各個部分的結構及組成、工作原理進行介紹分析。

1）閥層結構。以寧東直流輸電系統為例，其二重閥塔由20個閥模塊組成，閥塔雙列布置，每列閥塔包括10個閥模塊以及頂屏蔽罩、底屏蔽罩，屏蔽罩組件能提供靜電屏蔽作用，如圖1所示。

圖1 ?雙重閥塔布置

單閥包括10個閥模塊，大多數閥模塊由11個晶閘管級組成，布置成2個閥組件。其中1個閥組件包括6個晶閘管級（采用5英寸、7.2 kV晶閘管）和1臺飽和電抗器，另1個閥組件包括5個晶閘管級和1臺飽和電抗器。1個晶閘管級中有阻尼電路元件和門極單元。閥組件結構圖如圖2所示。

2）可控硅級的原理。晶閘管的觸發導通及運行監控主要由晶閘管控制單元TCU、閥監控VCU/THM、極控保系統來完成。當晶閘管兩端所承受的電壓超過特定值時，TCU會收到一個光脈沖并將此光脈沖送至閥監控柜VCU/THM，說明晶閘管此時已具備觸發的條件。

閥監控VCU/THM此時會收到從極控保系統發來的控制脈沖，此脈沖轉換為觸發脈沖后發送到TCU用以觸發晶閘管，與此同時會產生一個監測脈沖送回至極控制及保護PCP。

圖2 ?閥組件結構圖

所有晶閘管的相關信息都會傳送至閥監控VCU/THM，并經PROFIBUS總線傳送到極控保系統。

①阻尼回路。

閥阻尼回路為電容、電阻組合回路，其主要作用：當閥在熄滅過程中，阻尼電壓的震蕩;給可控硅控制單元提供暫態充電，充電時間常數為100μS，這樣保證在閥觸發前TCU能獲得可靠的工作電源。

②分壓回路。

分壓回路為純電阻回路，電阻值較大且精確度很高，一般一個電阻電阻值的誤差允許范圍±5%，在兩個電阻串聯后，按正負偏差相抵，其誤差不超過±2%[3]。分壓測量回路的主要作用：

測量可控硅兩端電壓，用于形成IP（可控硅回報脈沖）、PF（可控硅保護性觸發）和RP（恢復性保護）邏輯的輸入電壓;

給可控硅控制單元TCU提供穩態時的工作電源。

③可控硅控制單元。endprint

晶閘管控制單元TCU的主要功能是觸發和監測晶閘管。為了防止晶閘管由于過電壓損壞，TCU包括保護觸發和恢復期保護兩種功能。TCU與閥控制單元VCU通訊通過高壓光纜完成。兩路光纜用于通訊，一路傳送由VCU到TCU的光觸發脈沖、一路傳送由TCU到VCU的晶閘管狀態信息光脈沖信號。

3）陽極電抗器。在一個可控硅模塊中要串聯一個電抗器模塊，此電抗器的作用是：在閥剛觸發導通或出現電流突變時，為了限制電流的變化速率，使閥免受于不均勻導通產生局部過熱而引起的破壞，當閥導通穩定，流過閥的電流很大時，電抗器飽和，呈現出低阻抗。電抗器主要由線圈（繞4圈）、帶空隙的鐵芯（11個）、有固定及散熱作用的填充物（環氧樹脂）和外殼組成。

4）冷卻器。冷卻器主要用于吸收可控硅及阻尼電阻損耗產生的熱量，保證可控硅結溫在允許范圍內，使可控硅承受正向和反向阻斷電壓的能力不下降。在一個可控硅模塊中冷卻器的連接采用交叉串聯的方式，其特點為：

與并聯方式相比減少了接頭;

使一個閥組件中每個可控硅的平均溫度相同，T平均=1/2（T陰極+T陽極）;

第一個可控硅V1兩側的溫差最大，但最大溫差不能超過設計值8-9度。一個可控硅模塊中冷卻器的連接圖如圖3所示。

圖3 ?冷卻器連接圖

4 ?結束語

換流閥是直流輸電系統的核心設備之一，它的運行工況直接影響整個輸電系統的優劣和可靠性。作為世界上第1個采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東-山東直流工程單閥的跨接電壓高達330 kV[4]，本文從設計要求、結構以及元件功能出發，對寧東直流輸電系統換流器進行了全面闡述，對保證西電東送的大動脈寧東-山東直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

參考文獻

[1]郭煥，溫家良，湯廣福，等.直流輸電換流閥主電路的可靠性分析與優化設計[J].中國電機工程學報，2009，29（12）：39-43.

[2]李俠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J].高壓電器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高壓直流輸電系統晶閘管換流閥和換流變壓器設計審核及驗證[J].南方電網技術，2010，4（3）：1-6.

[4]楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電器設計綜述[J].電網建設，2011，32（7）：11-15.

作者簡介

潘亮亮（1982-），女，寧夏固原人，碩士研究生學歷，國網寧夏電力公司檢修公司工作工程師，研究方向：電氣設備在線監測及故障診斷。endprint

晶閘管控制單元TCU的主要功能是觸發和監測晶閘管。為了防止晶閘管由于過電壓損壞，TCU包括保護觸發和恢復期保護兩種功能。TCU與閥控制單元VCU通訊通過高壓光纜完成。兩路光纜用于通訊，一路傳送由VCU到TCU的光觸發脈沖、一路傳送由TCU到VCU的晶閘管狀態信息光脈沖信號。

3）陽極電抗器。在一個可控硅模塊中要串聯一個電抗器模塊，此電抗器的作用是：在閥剛觸發導通或出現電流突變時，為了限制電流的變化速率，使閥免受于不均勻導通產生局部過熱而引起的破壞，當閥導通穩定，流過閥的電流很大時，電抗器飽和，呈現出低阻抗。電抗器主要由線圈（繞4圈）、帶空隙的鐵芯（11個）、有固定及散熱作用的填充物（環氧樹脂）和外殼組成。

4）冷卻器。冷卻器主要用于吸收可控硅及阻尼電阻損耗產生的熱量，保證可控硅結溫在允許范圍內，使可控硅承受正向和反向阻斷電壓的能力不下降。在一個可控硅模塊中冷卻器的連接采用交叉串聯的方式，其特點為：

與并聯方式相比減少了接頭;

使一個閥組件中每個可控硅的平均溫度相同，T平均=1/2（T陰極+T陽極）;

第一個可控硅V1兩側的溫差最大，但最大溫差不能超過設計值8-9度。一個可控硅模塊中冷卻器的連接圖如圖3所示。

圖3 ?冷卻器連接圖

4 ?結束語

換流閥是直流輸電系統的核心設備之一，它的運行工況直接影響整個輸電系統的優劣和可靠性。作為世界上第1個采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東-山東直流工程單閥的跨接電壓高達330 kV[4]，本文從設計要求、結構以及元件功能出發，對寧東直流輸電系統換流器進行了全面闡述，對保證西電東送的大動脈寧東-山東直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

參考文獻

[1]郭煥，溫家良，湯廣福，等.直流輸電換流閥主電路的可靠性分析與優化設計[J].中國電機工程學報，2009，29（12）：39-43.

[2]李俠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J].高壓電器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高壓直流輸電系統晶閘管換流閥和換流變壓器設計審核及驗證[J].南方電網技術，2010，4（3）：1-6.

[4]楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電器設計綜述[J].電網建設，2011，32（7）：11-15.

作者簡介

潘亮亮（1982-），女，寧夏固原人，碩士研究生學歷，國網寧夏電力公司檢修公司工作工程師，研究方向：電氣設備在線監測及故障診斷。endprint

晶閘管控制單元TCU的主要功能是觸發和監測晶閘管。為了防止晶閘管由于過電壓損壞，TCU包括保護觸發和恢復期保護兩種功能。TCU與閥控制單元VCU通訊通過高壓光纜完成。兩路光纜用于通訊，一路傳送由VCU到TCU的光觸發脈沖、一路傳送由TCU到VCU的晶閘管狀態信息光脈沖信號。

3）陽極電抗器。在一個可控硅模塊中要串聯一個電抗器模塊，此電抗器的作用是：在閥剛觸發導通或出現電流突變時，為了限制電流的變化速率，使閥免受于不均勻導通產生局部過熱而引起的破壞，當閥導通穩定，流過閥的電流很大時，電抗器飽和，呈現出低阻抗。電抗器主要由線圈（繞4圈）、帶空隙的鐵芯（11個）、有固定及散熱作用的填充物（環氧樹脂）和外殼組成。

4）冷卻器。冷卻器主要用于吸收可控硅及阻尼電阻損耗產生的熱量，保證可控硅結溫在允許范圍內，使可控硅承受正向和反向阻斷電壓的能力不下降。在一個可控硅模塊中冷卻器的連接采用交叉串聯的方式，其特點為：

與并聯方式相比減少了接頭;

使一個閥組件中每個可控硅的平均溫度相同，T平均=1/2（T陰極+T陽極）;

第一個可控硅V1兩側的溫差最大，但最大溫差不能超過設計值8-9度。一個可控硅模塊中冷卻器的連接圖如圖3所示。

圖3 ?冷卻器連接圖

4 ?結束語

換流閥是直流輸電系統的核心設備之一，它的運行工況直接影響整個輸電系統的優劣和可靠性。作為世界上第1個采用±660 kV電壓等級的直流輸電工程，寧東-山東直流工程單閥的跨接電壓高達330 kV[4]，本文從設計要求、結構以及元件功能出發，對寧東直流輸電系統換流器進行了全面闡述，對保證西電東送的大動脈寧東-山東直流輸電系統安全穩定運行具有重要意義。

參考文獻

[1]郭煥，溫家良，湯廣福，等.直流輸電換流閥主電路的可靠性分析與優化設計[J].中國電機工程學報，2009，29（12）：39-43.

[2]李俠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高壓直流輸電用6英寸大功率晶閘管換流閥[J].高壓電器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高壓直流輸電系統晶閘管換流閥和換流變壓器設計審核及驗證[J].南方電網技術，2010，4（3）：1-6.

[4]楊曉楠，湯廣福，彭玲，等.±660 kV直流輸電工程換流閥電器設計綜述[J].電網建設，2011，32（7）：11-15.

作者簡介

潘亮亮（1982-），女，寧夏固原人，碩士研究生學歷，國網寧夏電力公司檢修公司工作工程師，研究方向：電氣設備在線監測及故障診斷。endprint