特高压直流输电换流阀控制系统应用

丁 厦，陈 飞，高 炜，杨韦国

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

上海庙—山东±800 kV特高压直流输电工程起于内蒙古鄂尔多斯上海庙换流站，止于山东省临沂市沂南县沂南换流站，线路长度为1230.4 km，与锡盟—泰州合为国内第一批特高压±800 kV，6 250 A，10 000 MW受端分层接入直流输电工程。与交流输电系统相比，高压直流输电系统具有长距离、大容量、损耗小等优点［1］。该工程是国家关于大气污染防治行动计划12条重点输电通道之一，对推动清洁发展、加快结构调整、拉动经济增长具有重大作用。

换流阀作为直流输电工程的关键设备，能实现交流电向直流电的转换或由直流电向交流电的转换，是直流输电工程的“心脏”［2-3］。 ±800 kV 特高压沂南换流站极Ⅱ采用的是PCS-8600换流阀，该换流阀在国内外直流工程中尚属首次进行成套应用。

1 阀控系统

PCS-8600换流阀控制系统主要由3部分构成：1）控制主机，即CCP，负责换流器触发控制，为每一个单阀生成CP脉冲；2）阀控单元，即VCU，产生FP脉冲并分配到每个晶闸管，同时监视每一个晶闸管工作状态，1个阀控单元主机负责2个单阀；3）晶闸管控制单元，即TCU，为每一片晶闸管生成门极脉冲GP，监视晶闸管状态并通过回报脉冲IP发送给VCU。

阀控系统总体结构如图1所示。VCU接收CCP发出的并行控制脉冲，实时地向CCP提供阀的运行状态。VCU实时接收CCP下发的触发命令，编码后发送给TCU；TCU根据接收到的触发命令完成对本级晶闸管触发；VCU接收TCU返回的监视信息。若换流阀出现异常，VCU将采取相应的报警、请求跳闸等措施；若VCU出现异常，VCU发送报警、VCU not ok等信息。

图1 阀控系统总体结构

2 阀控单元与晶闸管控制单元

2.1 阀控单元（VCU）

阀控单元屏柜布置如图2所示，阀控单元由3面阀控柜和1面阀控接口柜组成。其中每面阀控柜包含2台PCS-9586阀控制单元（每台装置包含A，B系统），分别对应同一相的2个桥臂（如YYA与YDA）。阀控接口柜包含1台PCS-9587阀漏水及避雷器监视装置、2台PCS-9519 VCU接口单元（A，B系统各配置1台）以及2台PCS-9882交换机（A，B系统各配置1台）。

图2 阀控单元屏柜布置

6台PCS-9586和1台PCS-9587的A系统与1台PCS-9882相连，B系统与另1台交换机相连，每个系统分别于监控系统A，B网相连，采用IEC-61850协议传输。A，B系统冗余配置，完全独立运行，在值班系统故障时，备用系统可升为值班系统继续运行，提高系统运行的可靠性，当单个处理器板或电源板出现故障时，支持更换且不影响系统正常运行。

PCS-9586阀控制单元。每12脉动阀组由3面阀控柜和1面阀控接口柜来控制和监视。3面阀控柜分别对应 12脉动的 A，B，C 相。以 VCA（VCU1）为例，其包含2台PCS-9586阀控制单元，其中上面的PCS-9586主机控制的是YYA的2个单阀，下面的主机控制的是YDA的2个单阀，即每面阀控柜控制4个单阀。

PCS-9519VCU接口单元。每面阀控接口柜内包括2个PCS-9519VCU接口单元，1台机箱为1个系统，共A和B 2个系统，冗余配置，用于实现接口信号的转发功能。

PCS-9587阀监测单元。PCS-9587装置是监控后台与漏水检测单元、避雷器计数器之间的中间桥梁，汇总各漏水检测单元、避雷器计数器动作情况后上送后台。每12脉动阀组配1台PCS-9587装置，装置中分A，B系统冗余配置。

2.2 晶闸管控制单元（TCU）

晶闸管控制单元（TCU）作为晶闸管的触发、监测及保护的关键部件，从晶闸管级取得工作所需要的能量，主要实现正常触发和监测晶闸管、过电压保护触发、恢复期保护等功能。

TCU正常触发和监视。TCU正常触发逻辑如图3所示。在TCU检查到晶闸管两端的正电压大于30 V时，向VCU发出IP指示。VCU将同一阀的晶闸管发出的IP信号相或，生成“OR”信号。CP与OR信号相与，生成FP通过发光二极管发给TCU。TCU收到FP光信号后，触发晶闸管。

补脉冲触发如图4所示，在CP仍然存在的情况下，若TCU在触发后仍有IP回报，则VCU需要补发脉冲给 TCU。 0～10 μs内 IP 再次满足时，在 10 μs时刻补发 FP （对应 1 号 IP／FP）；10～100 μs内 IP 再次满足时，立刻补发 FP（对应 2 号 IP／FP）；100 μs后收到IP再次满足时，延时 20 μs补发FP（对应3号IP／FP）。

图3 正常触发逻辑

图4 补脉冲逻辑

TCU过电压保护（VBO）。某些原因下，如果某晶闸管未收到来自VCU的FP，而其他晶闸管收到FP并触发后，此晶闸管就要承受高电压。为了防止晶闸管损坏，当电压升到设定门槛值6.8 kV时，TCU板卡内部发出触发脉冲，触发晶闸管。

TCU恢复期保护。在晶闸管反向恢复期间，不能承受过高的dV／dt，因此在TCU上要通过电路实现反向恢复期间保护，当在反向恢复期的900 μs内检测到电压超过1 300 V时，TCU发送脉冲触发晶闸管导通［4］。恢复期保护如图5所示。

图5 恢复期保护

TCU可变脉冲宽度检测。采用可变脉冲宽度区分保护性触发与正常触发，提高晶闸管检测可靠性。如图6所示，紧急保护触发该晶闸管时，TCU发送一定宽度的回报信号（15～50 μs）给光口板，表明该晶闸管发生保护性触发。而正常触发时，回报信号IP宽度为 2～15 μs。

图6 TCU可变脉冲宽度检测

3 VCU与换流阀控制系统信号接口

VCU采用双冗余配置的方案，VCU与CCP系统之间采用“一对一”连接，正常运行中采用“一主一从”的方式。处于主用（ACTIVE）状态的CCP和VCU系统实际负责换流阀的控制并出口闭锁指令，处于备用（SDANDBY）状态的CCP和VCU系统除非不可用，否则必须处于热备用状态，即除不发送触发脉冲至阀塔外，其他触发脉冲产生、回报脉冲产生、保护、报警、闭锁、监视、事件等功能同主用系统相同［5］。处于备用状态的VCU检测到闭锁信号 （VCU_Trip）要输出至CCP，但相应的CCP不得输出。主系统故障，自动切换至备用系统。VCU产生的事件、报警信息等通过现场总线直接发送运行人员工作站（OWS）。VCU与CCP系统之间的所有开关量信号均采用光调制信号，VCU通过Profibus总线向事件服务器（SCADA系统）提供阀控系统相关事件信息。VCU与CCP之间传递的接口信息如表1所示。

表1 VCU接口信息

4 结语

昭沂直流输电工程于2018年10月14日开始系统联调，调试结束后投入运行。沂南换流站换流阀系统已经通过带负荷验证，本文通过对沂南站极II换流阀控制系统的介绍，分析了阀控系统的典型组成、结构以及保护配置。对阀控单元与换流器控制系统之间交换的信号进行了介绍，为今后换流阀系统的运行维护提供参考。