舟山多端柔性直流输电系统换流阀技术

刘 黎，沈佩琦，杨 勇，詹志雄

（国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

柔性直流输电技术是基于全控型电力电子器件的新一代直流输电技术，输出电压电流谐波含量低，不存在换相失败风险，有功无功可实现快速解耦控制。柔性直流输电技术在提高电力系统稳定性，增加系统无功储备，改善电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷对系统的影响等方面都具有技术优势。由于其本身的技术特点，柔性直流输电系统适用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、海上平台供电和大型城市电网供电等方面[1-4]。

1 概述

换流阀是柔性直流的核心部件，是实现交流-直流变换的的枢纽，在柔性直流输电系统中可以采用的电压源换流阀结构有多种。两电平、三电平和模块化多电平是目前最为主要的3种。

2010年之前，两电平、三电平为主要的柔性直流输电换流阀形式，阀采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）串联技术，压装式IGBT因其短路失效特性而被应用于两/三电平换流阀中[6]，两电平换流阀、三电平换流阀运行时开关频率较高，换流阀的损耗较大。

自SIEMENS在Trans Bay Cable工程首次应用MMC（模块化多电平换流器）技术后，ABB公司和ALSTOM公司也开始建设应用模块化多电平换流阀，不需要开关器件直接串联，焊接式IGBT可满足需求，并且通过多电平技术可以获得优异的谐波性能和损耗性能，通过模块化的技术可以灵活改变换流器的输出电压及功率等级，易于扩展到任意电平输出，满足不同电压等级和容量的柔性直流输电工程应用。MMC因其良好的性能得到了快速的工程应用，国内柔性直流工程均采用MMC，技术上也都采用支撑式结构的换流阀。

舟山多端柔性直流输电示范工程在舟山本岛、岱山岛、衢山岛、泗礁岛及洋山岛各建设1座换流站，直流电压等级为±200 kV，容量分别为舟定换流站400 MW、舟岱换流站300 MW、舟衢换流站100 MW、舟洋换流站100 MW、舟泗换流站100 MW。本文以舟山工程为例，介绍多端柔性直流输电换流阀技术。

2 换流器工作原理

2.1 技术特点

柔性直流换流器为电压源型换流器，由换流阀、桥臂电抗器等构成。其中，换流阀采用全控型（可关断）器件，开通和关断时间可控，与电流方向无关，可四象限运行，潮流反转时直流电压极性不变，便于构建多端直流系统及直流电网；可工作在无源逆变方式下，没有换相失败问题，可以向孤岛负荷供电，或者连接分布式发电系统；可同时且独立地控制有功功率、无功功率，使控制更加灵活方便，自动进行无功调节，无需额外补偿装置；开关频率较高，低次谐波含量低，不需要或只需配置容量很小的高次滤波器[5-6]。

2.2 换流阀拓扑原理

舟山多端柔性直流工程换流阀采用基于半桥式子模块的模块化多电平拓扑结构，换流阀包含6个桥臂，每个桥臂由多个功率子模块串联而成。换流阀拓扑原理示意如图1所示。

每个桥臂由n个SM（子模块）与桥臂电抗器L串联组成，同相的上下2个桥臂构成1个相单元，各桥臂子模块按正弦规律依次投入，上下桥臂电抗器的连接点为换流器交流电压输出口，分别输出三相交流相电压ua，ub，uc。为保持直流电压稳定，在不考虑冗余的情况下，上下桥臂的子模块对称互补投入，任意时刻上下桥臂投入子模块数之和为定值n。

为了满足高直流电压等级、大容量输送的需求，模块化多电平换流器单个桥臂需要串联的子模块个数会达到数十甚至上百个，在这种情况下，谐波问题已不再严重，因此使用阶梯波调制中的最近电平逼近调制作为调制策略，不仅实现简单，而且开关频率较低，开关损耗较小[7-8]，控制原理如图2所示。

图1 模块化多电平换流阀拓扑原理示意

图2 最近电平控制原理

图2中，uarm_ref为桥臂参考电压，与子模块正常运行时的平均电压Usm相除后，经取整运算后得到当前桥臂投入的子模块数，桥臂控制器根据当前时刻的桥臂电流方向对桥臂内所有子模块电压进行排序，最终生成桥臂子模块的触发脉冲，完成最近电平控制。

2.3 换流阀子模块

子模块为换流阀基本单元，采用半桥式拓扑，由IGBT1、IGBT2、直流储能电容、晶闸管和旁路开关组成。子模块是由1个两端部件连同其自身的直流储能电容器单元组成，如图3所示。每个子模块具有2个主端子用于子模块的串联。通过恰当控制阀组模块中的IGBT，使得子模块主端子电压为电容器电压或零。这些子模块是独立控制的，2个电流方向下都可以在全模块电压（对应的储能电容器电压）和零电压之间切换。

图3 子模块结构

3 换流阀组成结构

3.1 舟山柔性直流阀塔结构

舟定、舟岱、舟衢换流站采用南瑞公司生产的换流阀（包括阻尼模块），舟洋、舟泗换流站采用许继公司生产的换流阀。基于模块化多电平技术，换流阀主要由子模块、阀组件和阀塔构成。换流阀由6个桥臂组成，其中3个上桥臂与3个下桥臂，由3个集成阀塔单元组成。每个集成阀塔的一侧为水管冷却管路，另一侧为光缆槽。水管支路设4层，将冷却水分配至各个模块，水管分进水管与出水管。桥臂电气元件运行信号由光纤输出，光缆槽分设4条支路，布置于阀塔4层，光纤敷设于主光缆槽后，通过各层光缆槽连接至各个模块内。桥臂各层阀段通过支柱绝缘子连接，同层阀段连接处设置均压罩，均压罩的边缘和棱角按圆弧设计，确保在高压下对地没有火花放电。整个桥臂还配置了交流进线、直流出线管母等部件。

桥臂整体通过支柱绝缘子固定于地面，每个桥臂包含3个集成阀塔单元。例如定海换流站、岱山换流站的集成阀塔共分4层，每层4个阀段，共计有16个阀段，每个阀段配置6个模块，在16个阀段中有6个阀段配置了5个模块，留有1个冗余位置，即每个集成阀塔共90个模块，每桥臂共计由270个模块组成。衢山换流站的集成阀塔共分4层，每层3个阀段，共计有12个阀段，每个阀段配置8个模块，在12个阀段中有3个阀段配置了6个模块，留有2个冗余位置，即每个集成阀塔共90个模块，每桥臂共计由270个模块组成。图4所示为舟定换流站换流阀阀塔。

图4 舟定换流站换流阀塔

换流阀采用空气绝缘、去离子水冷却、户内安装，双列式支撑式阀塔结构，阀组件由5～6个子模块串联组成，并配置有绝缘支撑梁，既能保证绝缘性能又能充分保证机械性能；为便于子模块的检修，相应的绝缘支撑导轨采用等电位滚轮式结构，子模块可灵活插拔。该阀塔结构大大缩减了换流阀占地面积，增强了阀塔抗震性能，同时提高了换流阀维护效率，有效降低了阀塔寄生电气参数对换流阀运行影响。

3.2 换流阀阻尼模块

为实现舟山柔性直流工程系统直流侧故障快速隔离以及重启动功能，解决运行灵活性不足、桥臂故障交流电流存在较大直流偏置等问题[9-12]，并实现直流故障快速恢复技术的工程化应用和验证，2016年舟山多端柔性直流输电工程实施了直流断路器及阻尼快恢复装置的加装改造，在五站的换流阀桥臂空槽位中加入阻尼模块。其中，舟定、舟岱、舟衢每个桥臂具有18个空槽位，每个站共加装108个阻尼模块。舟洋换流站换流阀桥臂安装1套阻尼模块，大约90个。舟泗换流站换流阀桥臂安装1套阻尼模块，大约120个。

当直流侧发生故障时，阻尼模块IGBT闭锁，阻尼电阻串联进入故障电流回路，实现故障电流的快速衰减。当故障电流衰减至一定值时，谐振开关分断故障电流，实现故障线路的隔离。阻尼模块主要由阻尼电阻R，IGBT，旁路开关DL以及模块的控制和取能电路等部分组成，阻尼模块中IGBT和电阻的安装形式如图5所示。

4 换流阀的控制与保护

柔性直流输电工程的控制可以分为系统级控制、换流站级控制、换流阀级控制、子模块级控制。图6所示为换流站控制层级结构。系统级控制包含确定柔性直流工程各个换流站的控制目标与相互配合关系；换流站级控制包含确定站内的控制策略；换流阀级控制包含产生换流阀基本模块的触发脉冲。换流阀子模块级控制包含接收换流阀阀级控制产生的触发脉冲信号，根据触发脉冲信号，对子模块IGBT进行开通和关断控制。

柔性直流输电工程的保护系统采用双重化保护配置，每套保护均采用“启动+保护”的出口逻辑，启动和保护装置从采样、保护逻辑到出口的硬件设备完全独立。保护系统按被保护的一次设备分为数个保护区：站内交流连接母线区主要对联接变压器与换流器之间的交流母线进行保护；换流器区主要对换流阀、桥臂电抗器以及交流连接线进行保护；直流场保护区主要对直流输电线路以及直流线路上串联的平波电抗器等设备进行保护。以换流器保护为例，换流器区主要配置了交流过流保护、桥臂过流保护、桥臂电抗器差动保护、阀侧零序分量保护、阀差动保护和桥臂环流保护等[13]。

图5 阻尼模块

图6 换流站控制层级结构

4.1 控制特性

舟山多端柔性直流换流站换流阀控制系统配置的控制功能有：

（1）换流阀充电模式辨识与自主充电控制，可在线自动辨识充电模式（有源充电或无源充电），并根据充电模式执行相应的充电控制策略，保证换流阀子模块电压升至预定值以及各桥臂子模块电压不均衡度小于±5%。

（2）大规模节点子模块电压均衡控制，保证换流阀解锁运行后各桥臂子模块电压不均衡度小于±5%。

（3）阀控层桥臂环流控制，使得桥臂电流中的2次环流含量小于3%，桥臂电流正弦化，有效降低了换流阀损耗。

（4）换流阀开关频率优化控制，将换流阀开关频率控制在200 Hz以内，有效降低了换流阀损耗。

（5）换流阀故障子模块高速冗余切换控制，切换时间小于3.5 ms，实现故障子模块高速无缝切换，保障了换流阀可靠运行。

（6）阀控设备主备无缝切换控制，切换时间小于1 ms，保障换流阀稳定可靠运行。

4.2 保护特性

舟山多端柔性直流换流站换流阀控制系统与子模块控制器配置的保护功能有：

（1）跳闸请求。换流阀及阀控出现如下故障时阀控请求跳闸：如桥臂过电流；子模块旁路开关拒动故障；单桥臂子模块故障个数超过子模块冗余数量；主备信号重叠时间过长等。

（2）请求主备系统切换。阀控值班系统出现以下故障时阀控请求系统切换：阀控内部通信故障；阀控与控制保护系统通信故障；阀控与测量系统通信故障等。

（3）阀控报警。当换流阀及阀控系统出现以下故障时阀控发出报警信息：桥臂内存在故障子模块，但故障个数未超过子模块冗余数量；任意桥臂阀塔检测到阀塔漏水；阀控与测量系统通信故障；阀控内部任一路电源故障等。

（4）子模块级故障保护功能。

换流阀子模块配置有以下故障保护功能：子模块IGBT驱动故障保护；子模块过欠压保护。

子模块电源故障保护；子模块旁路开关拒动故障保护；子模块通信故障保护。

5 换流阀的运行监视与故障处理

5.1 换流阀的运行规定

换流阀的运行必须具备以下条件：

（1）阀厅接地开关已全部拉开。

（2）阀厅大门已关闭并上锁。

（3）阀厅空调系统运行正常。

（4）阀水冷系统运行正常。

（5）各控制保护均正常投入运行。

（6）阀厅火灾报警装置运行正常。

5.2 换流阀的故障处理

若换流阀子模块报故障，需汇报并申请进行复归操作；若报警信号复归，说明报警是瞬时故障引起，故障已消除；若报警信号未复归，或短时复归后继续重发，说明报警信号是永久故障引起，则记录该阀故障数量和位置，密切监视直流系统的运行情况。当单阀故障次数达到规定时，应及时申请将直流系统停运进行检修处理。

对换流阀进行故障处理更换损坏元件时，必须停运有关电气回路和水回路，换流阀各侧的接地开关必须在合上位置。进入阀塔更换故障子模块时，需要做防静电措施。对换流阀进行故障处理前，必须对换流阀子模块电容进行充分放电。

换流阀阻尼模块和子模块在充电或运行时均存在子模块故障旁路拒动的概率，若出现模块拒旁，该站会闭锁退出运行。运行中发现，南瑞换流阀在充电阶段，仅上报故障信号而未上报旁路信号，目前根据厂家建议，由于此时故障模块旁路状态未知，出于安全考虑，若换流阀充电过程中（解锁前）出现阻尼模块或子模块故障未旁路，需进阀厅人工确认该故障模块的旁路状态。

5.3 问题和措施

5.3.1 发现的问题

2017-12-31 T 17：24，加装阻尼模块后的年检工作结束后，舟岱换流站运行人员进行交流充电操作，舟岱换流站交、直流侧带电，监控后台上报A相上桥臂功率子模块SMC21故障信息，SMC21已旁路。之后舟岱换流站交流主动充电，主动充电完成后，后台上报A相上桥臂的阻尼子模块SMC4上行通信故障。由于此时故障阻尼子模块旁路状态未知，申请停运舟岱换流站后，人工进入阀厅并确认，A相上桥臂的阻尼子模块SMC4未旁路，手动对其进行旁路。

对舟岱换流站监控后台历史事件进行排查，发现在12月17日舟岱换流站停运断电过程中，A相上桥臂功率子模块SMC21旁路，阻尼子模块SMC4在功率子模块SMC21左侧。此时，由于断电后，阻尼阀控充电标识消失，与故障功率子模块SMC21相邻的阻尼子模块SMC4无法旁路。12月31日，舟岱换流站启动充电过程中，由于A相上桥臂功率子模块SMC已旁路，与其相邻的阻尼子模块SMC4取能失败，失去旁路能力，之后上报故障信息。

5.3.2 原因分析

阻尼模块主要由阻尼电阻R，IGBT，旁路开关以及阻尼模块的控制、取能电源板卡等部分组成。阻尼模块的控制电路作为SM单元的控制核心，通过光纤接收VBC（阀基控制系统）发送下来的控制命令，完成IGBT的控制、旁路开关的控制。同时采集SM单元的相关状态，并编码后反馈给VBC，用于监视SM单元是否正常工作，如开关状态、IGBT状态等。阻尼模块采用高位取能模式。

阻尼模块包括两种工作状态，分别为旁路状态和阻尼状态。处于旁路状态时，T1导通，阻尼电阻被旁路；处于阻尼状态时，T1关断，阻尼电阻将串入桥臂中。阻尼模块的工作状态与换流阀的解闭锁状态保持一致，当换流阀解锁时，阻尼模块工作于旁路状态；当换流阀闭锁时，阻尼模块工作于阻尼状态。当发生故障，保护动作后闭锁换流阀使桥臂中的阻尼模块均工作在阻尼状态，此时桥臂中等效于串入了较大的电阻，能够对故障电流进行限制，同时在进线开关跳开后，能够快速使桥臂中的电流衰减，为故障隔离和快速恢复创造条件[14]。阻尼模块在阀解锁后退出运行，阀闭锁时投入运行（充电阶段，阻尼模块也为投入状态）。若模块发生故障，自动旁路。

由于阻尼模块自身无取能电容，采用外取能方式，即阻尼模块的辅助供电来自于相邻的换流阀功率子模块，所以当相邻被取能功率模块发生故障旁路时，该阻尼模块控制板卡将无法正常取能，会导致旁路失败[15]。阻尼模块取能原理如图7所示。

图7 阻尼模块取能原理

5.3.3 解决措施

通过跨接铜排改造，涉及阻尼模块及其右侧的被取能功率子模块。改造方案为：取消铜排1，铜排2保持不变，增加跨接铜排3（如图8所示）。

图8 阻尼模块改造方案示意

实施上述改造方案后，不论换流阀是充电还是解锁状态，均可以实现阻尼模块故障、子模块未故障情况下，阻尼模块旁路开关闭合，系统继续运行；该子模块故障，子模块旁路开关闭合，阻尼模块和子模块同时旁路退出，系统继续运行。

6 结语

介绍了MMC换流阀基本原理及阀塔组成结构，并对舟山柔性直流输电工程换流阀的控制与保护特性进行了分析，结合舟山工程实际运维经验，总结了换流阀的运行规定及故障处理流程。重点分析了阀塔加装阻尼模块后，系统运行中发现的问题，提出了合理解决措施，对其他工程建设具有指导意义。