基于MMC 的柔性直流输电换流阀型式试验方案

侯 婷，饶 宏，许树楷，黎小林，李 岩，易 荣，杨晓平

(1．南方电网科学研究院，广州市510080;2．荣信电力电子股份有限公司，辽宁省鞍山市114051;3．西安西电电力系统有限公司，西安市710016)

0 引 言

柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、可控器件和脉宽调制技术为基础的新型直流输电技术，是解决风力、太阳能等可再生能源发电并网运行等问题的有效途径之一［1-7］。柔性直流输电换流阀是柔性直流输电系统中负责实现电能在交、直流之间转换的核心装备，其对温度、电压、电流及其变化率非常敏感［8］。为了保证柔性直流输电工程的可靠运行，在投入运行之前必须通过一系列试验来考察换流阀的安全可靠性，这就需要制定一套科学全面的试验方案。目前对于可控电压源型换流阀试验的相关国际标准仅有IEC62501 －2009(Voltage sourced converter(VSC)valves for high-voltage direct current(HVDC)power transmission—Electrical testing)，但并不是专门针对模块化多电平换流阀(modular multilevel converter，MMC)的标准，部分条款并不完全适用。我国对于可控电压源型换流阀试验的相关国标尚未颁布，国内对柔性直流输电基于MMC 拓扑的换流阀试验的研究还处于起步阶段。本文以世界第1个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电工程为例，根据柔性直流换流阀和工程特点，研究并制定详细全面的柔性直流输电模块化多电平换流阀的型式试验方案。

1 换流器拓扑结构及工作原理

模块化多电平换流阀是一种较新的拓扑结构，换流阀由6个桥臂组成，如图1 所示。每个桥臂由N个功率模块顺序级联构成，上、下桥臂间分别串联1个电抗器(其电感为Ls)，同相上、下2个桥臂构成1个相单元［9-11］。图1 中Udc为直流电压，Usa、Usb、Usc分别为交流系统的三相电压，iap、ibp、icp分别为三相上桥臂电流，iaq、ibq、icq分别为三相下桥臂电流。

图1 MMC 换流阀拓扑Fig.1 Topological structure of MMC

MMC 换流阀单元采用的是半桥，如果直流电容电压已经被控制为Ud，MMC 的每个换流单元输出将具有0 和Ud这2 种状态。如果每个桥臂有N个换流单元，则桥臂输出电压的状态将在0，Ud，2Ud，… ，NUd之间变化，即具有N +1个电平状态。换流阀交直流输出电压如图2 所示，Up、Uq分别为上、下桥臂交流输出电压，Uc为MMC 换流阀交流输出电压。

同样地，桥臂电流也是由直流分量和交流分量叠加而成的复合变量，如图3 所示，iq为下桥臂电流，其中直流分量iq_dc为直流极线电流的1/3，交流分量iq_ac为交流输出电流的1/2。

2 南澳柔性直流输电工程基本参数

南澳柔性直流输电工程是世界上第1个多端柔性直流输电工程，于2013年12月25 日正式投产。一期为三端直流输电系统，远期为四端直流输电系统。

图2 MMC 交直流输出电压Fig.2 AC/DC output voltage of MMC

图3 MMC 桥臂电流Fig.3 Bridge-arm current of MMC

目前一期在南澳岛上建设2个送端换流站(金牛站和青澳站)，在澄海区塑城站近区建设1个受端换流站(塑城站)，工程具体参数如表1 所示。

表1 南澳柔性直流输电工程基本参数Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

3 换流阀塔结构

目前常用的阀塔结构主要有2 类，如图4 所示。A 类阀塔每个桥臂由多个阀塔串连组成，B 类是每个桥臂由一个连体大阀塔组成，接线方式也有所不同，具体如图5 所示。

图4 桥臂单元布置示意图Fig.4 Layout of bridge-arm unit

图5 单桥臂单元的电气连接图Fig.5 Electrical connection of bridge-arm unit

对于A 类阀塔，阀段之间的电压分配是正常工作的一个完整桥臂的电压分配的典型值。在开展绝缘耐压试验时，可选择部分相连的阀塔作为试验对象，但应考虑电压分布的不均匀性，可通过计算或试验得出不均匀系数。但对于B 类阀塔，试验对象必须为一个完整的大阀塔。

4 型式试验方案

考核换流阀应从运行和绝缘2 方面考核阀的设计，因此型式试验可以分为运行试验和绝缘试验两大类［12］。

4.1 运行试验

运行试验的目的是检验阀及相关电路，在运行状态中最严重的重复作用条件下通态、开通和关断状态时，对于电流、电压和温度的作用是否合适，同时证明阀电子电路和阀主回路之间相互作用的正确性［13］。具体试验项目及要求如下。

4.1.1 最小直流电压试验

由于换流阀的电子电路从功率模块直流电容取能，因此该试验用于验证从直流电容取能的板卡电子设备性能，试验电压是能保证换流阀电子电路正常工作的最小直流电压。

换流阀解锁前会先经历一个充电过程，要求解锁前电子电路应能正常工作，因此，最小直流电压试验必须考虑闭锁状态下的充电。南澳柔性直流输电工程换流阀解锁前，当从交流侧充电时，直流电压可充到额定直流电压的70%，当从直流侧充电时，直流电压可充到额定直流电压的35%。因此，每个功率模块解锁前的最小充电电压为额定直流电压的35%。同时，由于解锁前充电不可控，具有一定的不均匀性，在确定最小直流电压时除了考虑一定的安全系数外，还应考虑一定的不均匀系数。根据IEC62501 的规定［14］，试验持续时间不少于10 min。南澳柔性直流输电工程的具体试验参数如表2 所示。

表2 南澳柔性直流输电工程最小直流电压试验参数Table 2 Minimum DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.2 功率器件过电流关断试验

试验的主要目的是在发生特定的短路故障或误触发下关断时电流和电压应力作用下，检查功率器件及其相关电路的设计是否合适。

试验要求:

(1)功率器件相关元件达到最高稳态结温的条件下，使试验对象运行到热平衡;

(2)每个功率模块的直流电压为额定电压的1.1倍;在以上条件下模拟直通短路电流。控制保护电路开始检测过电流，在电流值小于最大安全关断电流极限值时关断功率器件来限制过电流。南澳柔性直流输电工程试验按上述要求开展。

4.1.3 最大电流连续运行能力试验

该试验的目的是验证换流阀的最大连续运行能力是否满足设计要求。

试验要求:

(1)试验电压为最大连续直流电压(考虑1.05的安全系数);

(2)测试开关频率应基于最大连续开关频率;

(3)调制模式按照工程实际模式;

(4)冷却液温度应至少使功率器件或二极管结温达到运行中的最高稳态值;

(5)持续测试时间应在冷却剂出口温度稳定后不少于30 min。

南澳柔性直流输电工程试验参数见表3，由于本工程要求换流阀具有1.1 倍过负荷能力，试验电流为1.1 倍额定电流。

表3 南澳柔性直流输电工程最大电流连续运行能力试验参数Table 3 Maximum current continuous operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.4 最大暂时过负荷运行能力试验

该试验的目的是证明换流阀的暂态过负荷运行能力是否满足设计要求。

试验要求:

(1)试验对象首先要在1.1 倍电流连续运行条件下达到热稳定;

(2)在暂态过负荷运行试验后，应继续进行1.1倍电流连续运行能力试验，持续时间10 min，以检查试验是否带来损伤。

南澳柔性直流输电工程试验参数见表4。

表4 南澳柔性直流输电工程最大暂时过负荷运行能力试验参数Table 4 Maximum temporary over-load operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.5 短路电流试验

该试验目的是检查短路情况下功率器件和相关电路是否合适，在短路试验中的电压、电流，dU/dt 及di/dt 最大值是否满足设计要求，在安全裕度内。

试验要求:

(1)试验对象在达到最高稳态结温并进入热平衡后启动故障电流事件;

(2)故障电流的幅值、持续时间和波次应是实际运行中预期达到的最大值。

南澳柔性直流输电工程试验电流按照最严苛的故障(直流极线间短路故障)电流仿真计算结果来考核。要求试验电流的电流峰值、热等效性和电流变化率(di/dt)应不小于直流极间短路故障仿真计算值［15］。

4.1.6 故障旁路试验

该试验目的是考核在功率模块故障发生到功率模块被旁路期间，功率模块的旁路开关(IGBT 类功率模块)或旁路晶闸管(IEGT 类功率模块)能否及时有效触发，且该过程中各功率器件上电压电流最大值满足设计要求。该试验应真实再现实际运行时的应力条件，验证旁路开关或旁路晶闸管设计的正确性。

南澳柔性直流输电工程换流阀结合功率器件过电流关断试验开展该项试验。对于塑城站采用IEGT类功率模块，其设计原理是利用了压装晶闸管的短路失效模式。旁路晶闸管被连接在直流电容器正负极两侧，当发生故障时，旁路晶闸管被触发，即便是较低的电容电压，在这种短路模式下也能够形成足够大的电流变化率，从而使得晶闸管的门极附近的小区域短路融化。该试验属于破坏性试验。故障旁路时旁路晶闸管将会损坏，因此试品数量要求不少于5个。

4.1.7 功率模块抗干扰测试

该试验的目的是检验功率模块及相关电路的抗电磁干扰性能。

该试验在换流阀1.1 倍电流连续运行能力试验、最大暂时过负荷运行试验、阀冲击试验和功率器件过电流关断等型式试验中验证以下内容:

(1)不会发生IGBT 误触发或导通顺序混乱;

(2)阀上所装的电子保护电路按照预定动作。

要求上述试验中不会发生阀级故障的错误指示，阀基电子单元也不会因为阀监测电路收到错误信息而将错误的信号送到换流阀级控制保护系统。

4.2 绝缘试验

对换流阀的绝缘考核主要分为阀支架和阀端间的绝缘耐受能力。因此，绝缘型式试验包括阀支架绝缘试验和阀端间绝缘试验。

4.2.1 阀支架绝缘耐压试验

该试验的目的是验证换流阀支架、冷却管道、光纤及其他绝缘部件的绝缘耐受能力。该试验的对象应根据不同阀塔布置方式选择合适的试验对象，要求试验能够覆盖阀支架的所有最严重应力。具体试验项目和要求如下:

(1)阀支架直流耐压试验。这个试验是验证阀支架绝缘在最大稳态直流电压和短时过电压的耐压能力。试验必须以正负极性重复进行。试验期间进行局部放电测量。在试验之前，阀支架应当短路并接地最少2 h。

阀支架直流试验电压Utds按照公式(1)计算:

式中:Udms为跨接在阀支架上的稳态运行电压直流分量的最大值，对于MMC 拓扑结构的换流阀，Udms为直流极线最高稳态运行电压;k3为试验安全系数，1 min试验，k3=1.6，3 h 试验，k3=1.1;kt为大气修正系数。

南澳柔性直流输电工程试验参数见表5。

表5 南澳柔性直流输电工程阀支架直流耐压试验参数Table 5 Valve support DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project kV

(2)阀支架交流耐压试验。试验目的是验证阀支架绝缘在稳态交流电压应力和短时过电压应力(包括阀支架操作过电压)下的耐压能力。试验期间进行局部放电测量。

阀支架交流试验电压Utas的均方根值，按照公式(2)计算:

式中:Ums为稳态运行期间，加在阀支架的最大重复运行电压的峰值;k4为试验安全系数，1min 试验，k4=1.3，30 min 试验，k4=1.15;kt为大气修正系数，本工程取1.0;kr为瞬时过电压系数，1min 试验，kr由系统分析确定;30 min 试验，kr=1.0。

南澳柔性直流输电工程是国内第1个多端柔性直流输电工程，考虑到国内厂商对换流阀的生产和设计经验不足，应提高换流阀工艺要求，Ums取值考虑了1.2 的安全系数，即

根据上述公式及过电压与绝缘配合研究结论，南澳3个换流站的阀支架交流耐压试验电压均不应低于如下限值:Utas，1min=275 kV，Utas，30min=152 kV。

(3)阀支架操作冲击试验。试验目的是验证在不同阀支架操作脉冲下阀支架绝缘的耐压能力。该试验在阀主端子(短接)对地之间加3个正向和3个负向的操作冲击波。测试的脉冲电压波形参照IEC60060 标准。试验电压由换流站绝缘配合来决定。根据南澳柔性直流输电工程3个换流站的绝缘配合，操作冲击试验电压峰值均不应小于450 kV。

(4)阀支架雷电冲击试验。试验目的是验证在不同阀支架雷电脉冲下阀支架绝缘的耐压能力。该试验在阀主端子(短接)对地之间加3个正向和3个负向的雷电冲击波。测试的雷电脉冲电压波形参照IEC60060 标准。试验电压由换流站绝缘配合来决定。根据南澳柔性直流输电工程3个换流站的绝缘配合，雷电冲击试验电压峰值均不应小于550 kV。

4.2.2 阀端间绝缘耐压试验

该试验目的是验证换流阀设计的过电压耐受特性。

(1)阀端间交、直流耐压试验。这个试验由10 s短时和30 min 长时试验组成。短时试验应再现由换流阀或系统故障导致的复合交流－直流电压。

10 s 短时试验电压:

式中:Uac1为阀端间最大暂态交流电压峰值，应考虑避雷器的限压作用;Udc1为阀端间最大暂态直流电压分量，应考虑避雷器的限压作用;k0为比例系数;k9为安全系数，取1.10;f 为试验频率，取50 Hz。

30 min 长期试验电压:

式中:Umax-cont为交流侧最大稳态电压;Udmax为稳态运行直流分量最大值。

南澳柔性直流输电工程中，对于10 s 短时试验，最严苛的工况为金牛站至塑城站直流线路开路故障。故障后直流电压上升达到过压保护值时闭锁阀，闭锁100 ms 后跳开交流断路器。图6 为该故障下桥臂端间电压仿真波形，图中的尖峰电压可看做操作冲击电压，在阀端间操作冲击试验中考核。

图6 直流线路开路故障桥臂端间电压仿真波形Fig.6 Simulation waveform of voltage between bridge-arm terminals under DC line open fault

根据仿真数据，Uac1取155 kV，Udc1取220 kV，计算得出10 s 短时耐压试验电压:

根据30 min 长期试验电压计算公式，Utac2取190 kV，Udmax取168 kV，计算得出30 min 长期试验电压:

(2)阀端间冲击试验。阀端间冲击试验包括操作冲击和雷电冲击试验，该试验的目的是考核换流阀的冲击电压耐受能力，冲击试验电压峰值由换流站绝缘配合来决定。在直流侧没有架空线、阀电抗器及阀间的母线被完备保护不遭受直接雷击冲击情况下，该试验可省去。

南澳柔性直流输电工程中，送端金牛站和青澳站线路有架空线，因此需要开展该试验。在阀端间施加冲击电压时，由于MMC 换流阀每个功率模块都并联有直流电容器，阀端间电压瞬间也不会有较大上升。但若实际试验回路中没有连接阀电抗器，直流电容器承受的电压变化值将有可能超过其限值，从而导致直流电容器损坏。因此柔性直流输电工程换流阀应带阀电抗器来完成该项试验。

5 结 语

模块化多电平换流器(MMC)作为一种较新的拓扑结构，应用在柔性直流输电领域是一种较新的技术，换流阀是柔性直流输电系统中负责实现电能在交直流之间转换的设备，是柔性直流输电工程的核心设备，其对于温度、电压、电流及其变化率非常敏感。本文提出的模块化多电平换流阀的型式试验方案考虑了换流阀的各种运行和故障工况，通过对换流阀运行和绝缘耐压2 方面的试验考核，能够较全面地验证基于MMC 拓扑结构的换流阀及其相关电路设计的正确性。

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