侯 婷，饒 宏，許樹楷，黎小林，李 巖，易 榮，楊曉平

(1．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州市510080;2．榮信電力電子股份有限公司，遼寧省鞍山市114051;3．西安西電電力系統(tǒng)有限公司，西安市710016)

0 引 言

柔性直流輸電技術(shù)是一種以電壓源換流器、可控器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)，是解決風(fēng)力、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行等問題的有效途徑之一［1-7］。柔性直流輸電換流閥是柔性直流輸電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電能在交、直流之間轉(zhuǎn)換的核心裝備，其對(duì)溫度、電壓、電流及其變化率非常敏感［8］。為了保證柔性直流輸電工程的可靠運(yùn)行，在投入運(yùn)行之前必須通過一系列試驗(yàn)來考察換流閥的安全可靠性，這就需要制定一套科學(xué)全面的試驗(yàn)方案。目前對(duì)于可控電壓源型換流閥試驗(yàn)的相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)僅有IEC62501 －2009(Voltage sourced converter(VSC)valves for high-voltage direct current(HVDC)power transmission—Electrical testing)，但并不是專門針對(duì)模塊化多電平換流閥(modular multilevel converter，MMC)的標(biāo)準(zhǔn)，部分條款并不完全適用。我國(guó)對(duì)于可控電壓源型換流閥試驗(yàn)的相關(guān)國(guó)標(biāo)尚未頒布，國(guó)內(nèi)對(duì)柔性直流輸電基于MMC 拓?fù)涞膿Q流閥試驗(yàn)的研究還處于起步階段。本文以世界第1個(gè)多端柔性直流輸電工程——南澳多端柔性直流輸電工程為例，根據(jù)柔性直流換流閥和工程特點(diǎn)，研究并制定詳細(xì)全面的柔性直流輸電模塊化多電平換流閥的型式試驗(yàn)方案。

1 換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

模塊化多電平換流閥是一種較新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，換流閥由6個(gè)橋臂組成，如圖1 所示。每個(gè)橋臂由N個(gè)功率模塊順序級(jí)聯(lián)構(gòu)成，上、下橋臂間分別串聯(lián)1個(gè)電抗器(其電感為L(zhǎng)s)，同相上、下2個(gè)橋臂構(gòu)成1個(gè)相單元［9-11］。圖1 中Udc為直流電壓，Usa、Usb、Usc分別為交流系統(tǒng)的三相電壓，iap、ibp、icp分別為三相上橋臂電流，iaq、ibq、icq分別為三相下橋臂電流。

圖1 MMC 換流閥拓?fù)銯ig.1 Topological structure of MMC

MMC 換流閥單元采用的是半橋，如果直流電容電壓已經(jīng)被控制為Ud，MMC 的每個(gè)換流單元輸出將具有0 和Ud這2 種狀態(tài)。如果每個(gè)橋臂有N個(gè)換流單元，則橋臂輸出電壓的狀態(tài)將在0，Ud，2Ud，… ，NUd之間變化，即具有N +1個(gè)電平狀態(tài)。換流閥交直流輸出電壓如圖2 所示，Up、Uq分別為上、下橋臂交流輸出電壓，Uc為MMC 換流閥交流輸出電壓。

同樣地，橋臂電流也是由直流分量和交流分量疊加而成的復(fù)合變量，如圖3 所示，iq為下橋臂電流，其中直流分量iq_dc為直流極線電流的1/3，交流分量iq_ac為交流輸出電流的1/2。

2 南澳柔性直流輸電工程基本參數(shù)

南澳柔性直流輸電工程是世界上第1個(gè)多端柔性直流輸電工程，于2013年12月25 日正式投產(chǎn)。一期為三端直流輸電系統(tǒng)，遠(yuǎn)期為四端直流輸電系統(tǒng)。

圖2 MMC 交直流輸出電壓Fig.2 AC/DC output voltage of MMC

圖3 MMC 橋臂電流Fig.3 Bridge-arm current of MMC

目前一期在南澳島上建設(shè)2個(gè)送端換流站(金牛站和青澳站)，在澄海區(qū)塑城站近區(qū)建設(shè)1個(gè)受端換流站(塑城站)，工程具體參數(shù)如表1 所示。

表1 南澳柔性直流輸電工程基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

3 換流閥塔結(jié)構(gòu)

目前常用的閥塔結(jié)構(gòu)主要有2 類，如圖4 所示。A 類閥塔每個(gè)橋臂由多個(gè)閥塔串連組成，B 類是每個(gè)橋臂由一個(gè)連體大閥塔組成，接線方式也有所不同，具體如圖5 所示。

圖4 橋臂單元布置示意圖Fig.4 Layout of bridge-arm unit

圖5 單橋臂單元的電氣連接圖Fig.5 Electrical connection of bridge-arm unit

對(duì)于A 類閥塔，閥段之間的電壓分配是正常工作的一個(gè)完整橋臂的電壓分配的典型值。在開展絕緣耐壓試驗(yàn)時(shí)，可選擇部分相連的閥塔作為試驗(yàn)對(duì)象，但應(yīng)考慮電壓分布的不均勻性，可通過計(jì)算或試驗(yàn)得出不均勻系數(shù)。但對(duì)于B 類閥塔，試驗(yàn)對(duì)象必須為一個(gè)完整的大閥塔。

4 型式試驗(yàn)方案

考核換流閥應(yīng)從運(yùn)行和絕緣2 方面考核閥的設(shè)計(jì)，因此型式試驗(yàn)可以分為運(yùn)行試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)兩大類［12］。

4.1 運(yùn)行試驗(yàn)

運(yùn)行試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)閥及相關(guān)電路，在運(yùn)行狀態(tài)中最嚴(yán)重的重復(fù)作用條件下通態(tài)、開通和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，對(duì)于電流、電壓和溫度的作用是否合適，同時(shí)證明閥電子電路和閥主回路之間相互作用的正確性［13］。具體試驗(yàn)項(xiàng)目及要求如下。

4.1.1 最小直流電壓試驗(yàn)

由于換流閥的電子電路從功率模塊直流電容取能，因此該試驗(yàn)用于驗(yàn)證從直流電容取能的板卡電子設(shè)備性能，試驗(yàn)電壓是能保證換流閥電子電路正常工作的最小直流電壓。

換流閥解鎖前會(huì)先經(jīng)歷一個(gè)充電過程，要求解鎖前電子電路應(yīng)能正常工作，因此，最小直流電壓試驗(yàn)必須考慮閉鎖狀態(tài)下的充電。南澳柔性直流輸電工程換流閥解鎖前，當(dāng)從交流側(cè)充電時(shí)，直流電壓可充到額定直流電壓的70%，當(dāng)從直流側(cè)充電時(shí)，直流電壓可充到額定直流電壓的35%。因此，每個(gè)功率模塊解鎖前的最小充電電壓為額定直流電壓的35%。同時(shí)，由于解鎖前充電不可控，具有一定的不均勻性，在確定最小直流電壓時(shí)除了考慮一定的安全系數(shù)外，還應(yīng)考慮一定的不均勻系數(shù)。根據(jù)IEC62501 的規(guī)定［14］，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不少于10 min。南澳柔性直流輸電工程的具體試驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 南澳柔性直流輸電工程最小直流電壓試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Minimum DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.2 功率器件過電流關(guān)斷試驗(yàn)

試驗(yàn)的主要目的是在發(fā)生特定的短路故障或誤觸發(fā)下關(guān)斷時(shí)電流和電壓應(yīng)力作用下，檢查功率器件及其相關(guān)電路的設(shè)計(jì)是否合適。

試驗(yàn)要求:

(1)功率器件相關(guān)元件達(dá)到最高穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的條件下，使試驗(yàn)對(duì)象運(yùn)行到熱平衡;

(2)每個(gè)功率模塊的直流電壓為額定電壓的1.1倍;在以上條件下模擬直通短路電流。控制保護(hù)電路開始檢測(cè)過電流，在電流值小于最大安全關(guān)斷電流極限值時(shí)關(guān)斷功率器件來限制過電流。南澳柔性直流輸電工程試驗(yàn)按上述要求開展。

4.1.3 最大電流連續(xù)運(yùn)行能力試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證換流閥的最大連續(xù)運(yùn)行能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)要求:

(1)試驗(yàn)電壓為最大連續(xù)直流電壓(考慮1.05的安全系數(shù));

(2)測(cè)試開關(guān)頻率應(yīng)基于最大連續(xù)開關(guān)頻率;

(3)調(diào)制模式按照工程實(shí)際模式;

(4)冷卻液溫度應(yīng)至少使功率器件或二極管結(jié)溫達(dá)到運(yùn)行中的最高穩(wěn)態(tài)值;

(5)持續(xù)測(cè)試時(shí)間應(yīng)在冷卻劑出口溫度穩(wěn)定后不少于30 min。

南澳柔性直流輸電工程試驗(yàn)參數(shù)見表3，由于本工程要求換流閥具有1.1 倍過負(fù)荷能力，試驗(yàn)電流為1.1 倍額定電流。

表3 南澳柔性直流輸電工程最大電流連續(xù)運(yùn)行能力試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Maximum current continuous operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.4 最大暫時(shí)過負(fù)荷運(yùn)行能力試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是證明換流閥的暫態(tài)過負(fù)荷運(yùn)行能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)要求:

(1)試驗(yàn)對(duì)象首先要在1.1 倍電流連續(xù)運(yùn)行條件下達(dá)到熱穩(wěn)定;

(2)在暫態(tài)過負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)后，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行1.1倍電流連續(xù)運(yùn)行能力試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間10 min，以檢查試驗(yàn)是否帶來?yè)p傷。

南澳柔性直流輸電工程試驗(yàn)參數(shù)見表4。

表4 南澳柔性直流輸電工程最大暫時(shí)過負(fù)荷運(yùn)行能力試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Maximum temporary over-load operating duty test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project

4.1.5 短路電流試驗(yàn)

該試驗(yàn)?zāi)康氖菣z查短路情況下功率器件和相關(guān)電路是否合適，在短路試驗(yàn)中的電壓、電流，dU/dt 及di/dt 最大值是否滿足設(shè)計(jì)要求，在安全裕度內(nèi)。

試驗(yàn)要求:

(1)試驗(yàn)對(duì)象在達(dá)到最高穩(wěn)態(tài)結(jié)溫并進(jìn)入熱平衡后啟動(dòng)故障電流事件;

(2)故障電流的幅值、持續(xù)時(shí)間和波次應(yīng)是實(shí)際運(yùn)行中預(yù)期達(dá)到的最大值。

南澳柔性直流輸電工程試驗(yàn)電流按照最嚴(yán)苛的故障(直流極線間短路故障)電流仿真計(jì)算結(jié)果來考核。要求試驗(yàn)電流的電流峰值、熱等效性和電流變化率(di/dt)應(yīng)不小于直流極間短路故障仿真計(jì)算值［15］。

4.1.6 故障旁路試驗(yàn)

該試驗(yàn)?zāi)康氖强己嗽诠β誓K故障發(fā)生到功率模塊被旁路期間，功率模塊的旁路開關(guān)(IGBT 類功率模塊)或旁路晶閘管(IEGT 類功率模塊)能否及時(shí)有效觸發(fā)，且該過程中各功率器件上電壓電流最大值滿足設(shè)計(jì)要求。該試驗(yàn)應(yīng)真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力條件，驗(yàn)證旁路開關(guān)或旁路晶閘管設(shè)計(jì)的正確性。

南澳柔性直流輸電工程換流閥結(jié)合功率器件過電流關(guān)斷試驗(yàn)開展該項(xiàng)試驗(yàn)。對(duì)于塑城站采用IEGT類功率模塊，其設(shè)計(jì)原理是利用了壓裝晶閘管的短路失效模式。旁路晶閘管被連接在直流電容器正負(fù)極兩側(cè)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，旁路晶閘管被觸發(fā)，即便是較低的電容電壓，在這種短路模式下也能夠形成足夠大的電流變化率，從而使得晶閘管的門極附近的小區(qū)域短路融化。該試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)。故障旁路時(shí)旁路晶閘管將會(huì)損壞，因此試品數(shù)量要求不少于5個(gè)。

4.1.7 功率模塊抗干擾測(cè)試

該試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)功率模塊及相關(guān)電路的抗電磁干擾性能。

該試驗(yàn)在換流閥1.1 倍電流連續(xù)運(yùn)行能力試驗(yàn)、最大暫時(shí)過負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)、閥沖擊試驗(yàn)和功率器件過電流關(guān)斷等型式試驗(yàn)中驗(yàn)證以下內(nèi)容:

(1)不會(huì)發(fā)生IGBT 誤觸發(fā)或?qū)樞蚧靵y;

(2)閥上所裝的電子保護(hù)電路按照預(yù)定動(dòng)作。

要求上述試驗(yàn)中不會(huì)發(fā)生閥級(jí)故障的錯(cuò)誤指示，閥基電子單元也不會(huì)因?yàn)殚y監(jiān)測(cè)電路收到錯(cuò)誤信息而將錯(cuò)誤的信號(hào)送到換流閥級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)。

4.2 絕緣試驗(yàn)

對(duì)換流閥的絕緣考核主要分為閥支架和閥端間的絕緣耐受能力。因此，絕緣型式試驗(yàn)包括閥支架絕緣試驗(yàn)和閥端間絕緣試驗(yàn)。

4.2.1 閥支架絕緣耐壓試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證換流閥支架、冷卻管道、光纖及其他絕緣部件的絕緣耐受能力。該試驗(yàn)的對(duì)象應(yīng)根據(jù)不同閥塔布置方式選擇合適的試驗(yàn)對(duì)象，要求試驗(yàn)?zāi)軌蚋采w閥支架的所有最嚴(yán)重應(yīng)力。具體試驗(yàn)項(xiàng)目和要求如下:

(1)閥支架直流耐壓試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)是驗(yàn)證閥支架絕緣在最大穩(wěn)態(tài)直流電壓和短時(shí)過電壓的耐壓能力。試驗(yàn)必須以正負(fù)極性重復(fù)進(jìn)行。試驗(yàn)期間進(jìn)行局部放電測(cè)量。在試驗(yàn)之前，閥支架應(yīng)當(dāng)短路并接地最少2 h。

閥支架直流試驗(yàn)電壓Utds按照公式(1)計(jì)算:

式中:Udms為跨接在閥支架上的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓直流分量的最大值，對(duì)于MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流閥，Udms為直流極線最高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓;k3為試驗(yàn)安全系數(shù)，1 min試驗(yàn)，k3=1.6，3 h 試驗(yàn)，k3=1.1;kt為大氣修正系數(shù)。

南澳柔性直流輸電工程試驗(yàn)參數(shù)見表5。

表5 南澳柔性直流輸電工程閥支架直流耐壓試驗(yàn)參數(shù)Table 5 Valve support DC voltage test parameters of Nan'ao flexible DC transmission project kV

(2)閥支架交流耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證閥支架絕緣在穩(wěn)態(tài)交流電壓應(yīng)力和短時(shí)過電壓應(yīng)力(包括閥支架操作過電壓)下的耐壓能力。試驗(yàn)期間進(jìn)行局部放電測(cè)量。

閥支架交流試驗(yàn)電壓Utas的均方根值，按照公式(2)計(jì)算:

式中:Ums為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，加在閥支架的最大重復(fù)運(yùn)行電壓的峰值;k4為試驗(yàn)安全系數(shù)，1min 試驗(yàn)，k4=1.3，30 min 試驗(yàn)，k4=1.15;kt為大氣修正系數(shù)，本工程取1.0;kr為瞬時(shí)過電壓系數(shù)，1min 試驗(yàn)，kr由系統(tǒng)分析確定;30 min 試驗(yàn)，kr=1.0。

南澳柔性直流輸電工程是國(guó)內(nèi)第1個(gè)多端柔性直流輸電工程，考慮到國(guó)內(nèi)廠商對(duì)換流閥的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，應(yīng)提高換流閥工藝要求，Ums取值考慮了1.2 的安全系數(shù)，即

根據(jù)上述公式及過電壓與絕緣配合研究結(jié)論，南澳3個(gè)換流站的閥支架交流耐壓試驗(yàn)電壓均不應(yīng)低于如下限值:Utas，1min=275 kV，Utas，30min=152 kV。

(3)閥支架操作沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在不同閥支架操作脈沖下閥支架絕緣的耐壓能力。該試驗(yàn)在閥主端子(短接)對(duì)地之間加3個(gè)正向和3個(gè)負(fù)向的操作沖擊波。測(cè)試的脈沖電壓波形參照IEC60060 標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)電壓由換流站絕緣配合來決定。根據(jù)南澳柔性直流輸電工程3個(gè)換流站的絕緣配合，操作沖擊試驗(yàn)電壓峰值均不應(yīng)小于450 kV。

(4)閥支架雷電沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在不同閥支架雷電脈沖下閥支架絕緣的耐壓能力。該試驗(yàn)在閥主端子(短接)對(duì)地之間加3個(gè)正向和3個(gè)負(fù)向的雷電沖擊波。測(cè)試的雷電脈沖電壓波形參照IEC60060 標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)電壓由換流站絕緣配合來決定。根據(jù)南澳柔性直流輸電工程3個(gè)換流站的絕緣配合，雷電沖擊試驗(yàn)電壓峰值均不應(yīng)小于550 kV。

4.2.2 閥端間絕緣耐壓試驗(yàn)

該試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證換流閥設(shè)計(jì)的過電壓耐受特性。

(1)閥端間交、直流耐壓試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)由10 s短時(shí)和30 min 長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)組成。短時(shí)試驗(yàn)應(yīng)再現(xiàn)由換流閥或系統(tǒng)故障導(dǎo)致的復(fù)合交流－直流電壓。

10 s 短時(shí)試驗(yàn)電壓:

式中:Uac1為閥端間最大暫態(tài)交流電壓峰值，應(yīng)考慮避雷器的限壓作用;Udc1為閥端間最大暫態(tài)直流電壓分量，應(yīng)考慮避雷器的限壓作用;k0為比例系數(shù);k9為安全系數(shù)，取1.10;f 為試驗(yàn)頻率，取50 Hz。

30 min 長(zhǎng)期試驗(yàn)電壓:

式中:Umax-cont為交流側(cè)最大穩(wěn)態(tài)電壓;Udmax為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行直流分量最大值。

南澳柔性直流輸電工程中，對(duì)于10 s 短時(shí)試驗(yàn)，最嚴(yán)苛的工況為金牛站至塑城站直流線路開路故障。故障后直流電壓上升達(dá)到過壓保護(hù)值時(shí)閉鎖閥，閉鎖100 ms 后跳開交流斷路器。圖6 為該故障下橋臂端間電壓仿真波形，圖中的尖峰電壓可看做操作沖擊電壓，在閥端間操作沖擊試驗(yàn)中考核。

圖6 直流線路開路故障橋臂端間電壓仿真波形Fig.6 Simulation waveform of voltage between bridge-arm terminals under DC line open fault

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，Uac1取155 kV，Udc1取220 kV，計(jì)算得出10 s 短時(shí)耐壓試驗(yàn)電壓:

根據(jù)30 min 長(zhǎng)期試驗(yàn)電壓計(jì)算公式，Utac2取190 kV，Udmax取168 kV，計(jì)算得出30 min 長(zhǎng)期試驗(yàn)電壓:

(2)閥端間沖擊試驗(yàn)。閥端間沖擊試驗(yàn)包括操作沖擊和雷電沖擊試驗(yàn)，該試驗(yàn)的目的是考核換流閥的沖擊電壓耐受能力，沖擊試驗(yàn)電壓峰值由換流站絕緣配合來決定。在直流側(cè)沒有架空線、閥電抗器及閥間的母線被完備保護(hù)不遭受直接雷擊沖擊情況下，該試驗(yàn)可省去。

南澳柔性直流輸電工程中，送端金牛站和青澳站線路有架空線，因此需要開展該試驗(yàn)。在閥端間施加沖擊電壓時(shí)，由于MMC 換流閥每個(gè)功率模塊都并聯(lián)有直流電容器，閥端間電壓瞬間也不會(huì)有較大上升。但若實(shí)際試驗(yàn)回路中沒有連接閥電抗器，直流電容器承受的電壓變化值將有可能超過其限值，從而導(dǎo)致直流電容器損壞。因此柔性直流輸電工程換流閥應(yīng)帶閥電抗器來完成該項(xiàng)試驗(yàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

模塊化多電平換流器(MMC)作為一種較新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用在柔性直流輸電領(lǐng)域是一種較新的技術(shù)，換流閥是柔性直流輸電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電能在交直流之間轉(zhuǎn)換的設(shè)備，是柔性直流輸電工程的核心設(shè)備，其對(duì)于溫度、電壓、電流及其變化率非常敏感。本文提出的模塊化多電平換流閥的型式試驗(yàn)方案考慮了換流閥的各種運(yùn)行和故障工況，通過對(duì)換流閥運(yùn)行和絕緣耐壓2 方面的試驗(yàn)考核，能夠較全面地驗(yàn)證基于MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流閥及其相關(guān)電路設(shè)計(jì)的正確性。

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