渝鄂柔直換流閥子模塊電源故障應對措施

鄭 昆

（國網湖北直流公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

柔性直流輸電技術是新一代直流輸電技術，基于由絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）組成的電壓源換流器來實現。IGBT屬于可關斷型電力電子元件，其優點是可以靈活的調節電壓的幅值和相角。基于這一優勢，柔性直流輸電系統在孤島供電、分布式供電、新能源并網、交流系統異步互聯、跨區域輸電等領域的應用前景十分良好[1]。

目前，我國的電網架構中川渝電網與河南省、湖南省、湖北省以及江西省電網之間僅有4條500 kV聯絡線，導致渝鄂斷面承受潮流轉移的能力較差。此外，隨著四川省內向家壩-上海、錦屏-蘇南、溪洛渡-浙江3個高壓直流輸電工程投產，川渝電網“強直弱交”問題突出。一旦上述直流輸電系統發生故障，可能引起川渝斷面大規模潮流轉移，有進而發生聯絡線解列的風險。因此，為了解決區域電網的安全穩定問題，協調水電開發與輸電通道建設，亟需對區域電網重新進行統籌規劃，優化調整網間同步性。

在此背景下，渝鄂背靠背直流輸電工程開工建設。工程建成后渝鄂斷面將實現川渝電網與華中電網的異步互聯。工程采用基于模塊化多電平換流器（Modular-Multilevel-Converter，MMC）的柔性直流輸電技術，這種采用MMC拓撲換流器的優點是觸發系統均壓需求低、系統具有強可擴展能力、系統總體開關頻率低以及換流站運行消耗小，同時還繼承了傳統電壓源換流器所有優點。隨著采用MMC換流閥的柔性直流輸電系統在電力系統中的應用越來越普遍，有必要對其進行相應研究，通過分析柔性直流工程換流閥常見故障的方式，便于現場找到更合理的應對措施，進行相應改進。

1 渝鄂柔直換流閥子模塊結構

子模塊是柔直換流閥系統的基本功率單元，每個子模塊都是一個半橋型結構，由兩個IGBT和兩個續流二極管以及一個直流電容組成。在圖1所示的半橋子模塊拓撲結構中，各子模塊的直流側電容電壓之和即是系統中直流母線的電壓。根據子模塊中兩個IGBT的不同導通狀態，子模塊具有3種工作模式。換流閥控制系統通過控制IGBT的開斷，將子模塊置于不同的工作模式下，達到調節直流輸出電壓的目的。當IGBT1開通時，電容通過IGBT1充電，直至達到額定電壓Uc；當IGBT2開通時，電容通過IGBT2放電，電壓最終降至0；當兩個IGBT都關斷時，子模塊兩端輸出電壓為電容額定電壓Uc。

圖1 MMC子模塊拓撲結構

在工程應用中，子模塊中包括的主要設備有IGBT模塊、直流儲能電容、并聯電阻、IGBT柵極驅動器單元（Gate Driver Unit，GDU）、續流晶閘管、旁路開關和子模塊可配置邏輯單元(Configurable Logic Cell，CLC）以及圖中未標出的子模塊供電單元和散熱器等，如圖2所示。

其中取能電源是實現子模塊控制的關鍵部件，它從直流電容取電并為子模塊控制單元和IGBT驅動電路等元器件供能；子模塊控制元件作為與閥控系統通信的媒介，接收系統控制命令并向IGBT驅動板、晶閘管和旁路開關等發出操作指令，同時向閥控系統回報子模塊的各種狀態監測信息和操作命令執行情況；IGBT驅動板提供IGBT的驅動電壓，實現對IGBT導通和關斷的控制。

2 子模塊電源故障

正常工作時取能電源從直流電容取電，子模塊的儲存控制單元（Storage Control Element，SCE）、IGBT驅動板甚至旁路開關觸發器都要靠取能電源供電。因此，若電源出現故障導致子模塊失電，控制系統無法驅動IGBT開閉，實現對子模塊的控制，嚴重時甚至無法閉合旁路開關切除故障子模塊。同時，子模塊控制單元的失電會導致上行通信中斷，整個故障子模塊成為“黑模塊”。取能電源回路如圖3所示。

圖3 子模塊供電回路設計

考慮到取能電源的重要性，閥控系統中設置了子模塊電源保護，其功能主要是防止由取能電源故障而引起的子模塊控制單元失電，保護將發生電源故障的子模塊旁路以免子模塊誤動。通過子模塊控制單元實時監測取能電源輸出，當檢測到高壓電源輸出小于176 V（±5%）且持續600 us以上，或低壓電源輸出小于12.6 V且持續600 us以上時，都會判取能電源故障，保護直接閉鎖子模塊并發出旁路開關閉合指令。

3 故障案例分析

2019年8月23日00:49，渝鄂柔直工程南通道施州換流站單元I閥控A、B系統發“渝側C相上橋臂3#閥塔5層3#組件1#子模塊故障，旁路開關拒動，閥控請求跳閘”告警，單元1直流系統閉鎖。

經現場檢查，發現系統跳閘前該故障子模塊發出過15 V電源電壓異常告警，后再報出上行通信故障，說明此時子模塊已無法工作，與閥控通信中斷。而15 V電壓是子模塊控制單元的供電電源，因此可判斷是供電電源的丟失造成了控制單元失電，從而造成了旁路觸發指令無法下發，子模塊旁路拒動，直流系統閉鎖。

對故障子模塊元器件進一步檢查發現，該子模塊的上管IGBT驅動板中出現了元件短路。因子模塊控制單元與上、下管IGBT驅動板之間沒有隔離，當其中一驅動板出現元件短路時，低壓電源和子模塊控制板中的儲能電容迅速向短路點放電，造成了控制板迅速失電。同時，通過對報文的分析可以看出，雖然子模塊早已上報15 V電源異常故障告警，但閥控并未采取動作，導致控制單元完全失電后故障范圍擴大。這是由于施州站換流閥的取能電源故障動作邏輯是出現電源欠壓故障時（低于12.6 V并持續600 us），僅判“15 V電源異常”而不采取動作，而是等待后續的故障進一步發展產生的其它類型故障（驅動故障、欠壓故障等）進行保護動作。這種保護策略，不能在第一時間發出子模塊旁路閉合命令，造成了保護延遲，存在重大隱患。

4 故障應對措施

4.1 改變故障保護策略

故障應對第一步首先是改變故障保護策略。在上述故障中，如果能在15 V電源電壓下降到無法滿足子模塊控制單元發出旁路觸發指令之前即觸發旁路，那么就可能避免故障的發生。因此將子模塊檢測到電源異常時僅上報告警的策略改為將15 V電源異常作為嚴重故障處理，當檢測到15 V電源異常時，直接閉鎖子模塊并閉合旁路開關。改進的電源故障保護邏輯如圖4所示。

圖4 改進的電源故障保護邏輯

4.2 增加輔助隔離

其次是在共用15 V電源的子模塊控制單元和上、下管IGBT驅動板之間增加隔離措施。15 V供電回路改進方案如圖5所示，在15 V電源輸出與IGBT驅動板、控制單元之間增加二極管進行隔離，這樣當IGBT驅動板內部出現短路時，子模塊控制單元內部儲能電容至短路點的泄放路徑被阻斷，即使15 V電源出現異常，也能通過內部儲能電容繼續維持控制供電至少20 ms，這個時間完全可滿足旁路開關的觸發和動作時間，確保子模塊可靠旁路。

圖5 15 V供電回路改進方案

4.3 應用效果

現場對改進后的子模塊性能做了測試。模擬發生15 V電源故障后的情況。從錄波（見圖6）可以看出，執行改進措施后，即使15 V電源發生金屬性短路，子模塊控制單元仍能維持供電直至發出旁路指令，正常收到并上報旁路開關反饋信號。

圖6 改進后故障測試錄波

5 結 論

渝鄂柔直工程是柔直輸電技術在高電壓等級、大輸送容量背景下應用的代表性工程。結合渝鄂背靠背柔直輸電工程，考慮工程中換流閥的設計特點，對柔直換流閥子模塊的電源故障進行了研究，提出了故障應對措施并實驗驗證其效果，切實有效的提升了渝鄂柔直換流閥系統的可靠性。