高压直流晶闸管阀的研究

高压直流晶闸管阀的研究

1高压直流输电系统设备的发展第一代高压直接输电系统始于1954年，采用瑞典当地高压线和果特兰岛之间的高压直接输电线。1965年,利用汞弧阀换流的第1代高压直流输电系统首次在新西兰南北岛之间实现电力在直流方式下的大规模传输,其直流传输功率达600MW。第2代高压直流输电系统以1970年对新西兰南北岛直流工程的更新换代为代表,晶闸管阀取代汞弧阀实现换流功能。以晶闸管阀为基础的第2代高压直流输电系统在1986年建成投运的巴西伊泰普(Itaipu)工程上创造了直流功率传输的新记录。在±600kV直流电压下,其输送功率达2×3150MW。高压直流系统电力传输容量的快速增长是换流阀技术和系统技术不断改进提高的结果。尽管今天的高压直流输电与早期的直流输电原理相同,过去几十年间对高压直流系统主要设备的革命性改进已使得当今的高压直流输电系统具有显著的不同。在直流换流阀方面的发展有:大容量晶闸管阀取代了汞弧阀,阀的水冷却取代了阀的强制风冷却,阀的组件式设计和吊装式阀安装技术的使用,晶闸管和晶闸管阀的数字式控制及对阀组件的合成试验。在直流系统方面的主要发展有:阀及换流站的计算机数字控制和保护,容性换流技术的应用,连续可调式交流滤波器及有源式直流滤波器和数字式光纤互感器的使用。近些年来,在高压直流输电领域一个新的突破是电压控制型直流阀的开发应用。这种新型的直流输电方法尤其适用于中、小功率下对边远地区的电力输送。近30年来,电力半导体技术一直持续不断地向大直径高厚度单晶片晶闸管方向发展以获得更高的单管传输功率。目前市场上大电流换流用晶闸管单片电压已达8.8kV,见图1,而中、小电流换流用晶闸管的单片电压可达9kV。直流换流用晶闸管不仅仅向大容量的方向发展,而且在晶闸管的触发方式上也进行了探索。早在20世纪80年代初期,基于简化处于高电位晶闸管触发单元的考虑,对光触发晶闸管(LTT)在高压直流换流阀上的应用进行了大量研究。光触发晶闸管阀的第1次工业应用实现于1988年的Konti-Skan直流工程(联接丹麦-瑞典的直流工程)。运行经验显示,由光触发晶闸管使用所带来的优点不足于取代目前所使用的高可靠性电触发晶闸管(ETT)。用于电触发晶闸管的触发单元在过去的20年间在集成化和可靠性上都有了极大的提高。除去发出正常的工作触发脉冲外,触发单元亦可向晶闸管提供正向过电压和恢复电压保护触发命令,并通过中央控制计算机显示保护触发晶闸管的位置及故障晶闸管的位置。新一代触发单元更增加了对阻尼回路元件和冷却器温度的在线监测。3晶闸管和采用吊装式阀结构组件式阀结构为阀组装、现场安装及维修提供了便利。1个阀组件一般由多个晶闸管及其辅助回路串联组成。为便于安装及维修,ABB公司每阀组件的串联晶闸管数量一般为6～7只。机械结构上这些串联联接的各晶闸管之间串入用于冷却的散热器。这些晶闸管和散热器由组件两端的碟簧箝紧定位,见图2。晶闸管阻尼回路电阻被直接置入在散热器内,从而最大限度地降低换流阀上水冷却管道联接的复杂性和泄漏的可能性。在阻尼回路中,用充气式电容器取代油浸式电容器从而降低了阀厅火灾的危险。直流分压器的高压电阻和晶闸管触发控制单元直接安装在散热器上。使用去离子水对换流阀进行冷却已成为现代高压直流输电的基本措施之一。在地震频发地区对换流阀的安装要求更为苛刻。计算和经验表明,吊装式阀结构可有效地抵御地震对换流阀的危害。因此,现代高压直流换流阀大多采用吊装式阀结构,见图3。4户外式换流阀传统直流换流阀被安装于换流阀厅内。换流阀厅的设计往往受制于电站当地的建筑设计规范和电站其它电器产品的设计。换流阀厅的标准设计几乎是不可能的。近些年来开发成功的户外式换流阀使高压直流输电更为灵活和经济。户外式换流阀设计是将一个或多个换流阀装入集装箱式阀柜。阀柜内部使用空气绝缘。在结构上,户外式换流阀使用与室内式换流阀相同的阀组件和饱和电抗器,见图4。户外式换流阀柜内部相对较小的空间尺寸使阀柜内的空气环境可以灵活迅速地调节。由于户外式换流阀的大部分安装工作可在生产厂家直接完成,可以显著缩短直流输电工程的工期。户外式换流阀给电站设计提供了更多的灵活性,并使老站的更新换代更为方便。5新的电流引入式试验回路直流换流阀设计上每项新技术的应用都需要严格的试验验证。传统上6脉冲背靠背桥式回路被用来对换流阀进行运行试验。随着现代直流换流阀容量的不断提高,6脉冲背靠背桥式试验回路需要不地扩大试验装机容量,扩容的巨额投资及不断的扩容需求使得6脉冲背靠背桥式试验回路不仅在技术上而且在经济上难以满足对现代换流阀的试验需求。2000年成功开发了新的电流引入式合成试验回路,并对三峡-常州直流换流阀、Garabi二期直流换流阀和RapidCityDCTie直流换流阀进行了运行试验。该合成试验回路的试验等价性更接近于系统的实际运行或传统的6脉冲背靠背桥式试验回路。同时,由于使用两套不同的电源分别向试品提供试验电流和试验电压,可根据需要灵活地调节试验电流和试验电压,这为新产品的开发提供了有利的试验支持。6abi背靠背直流输电工程虽然直流输电换流阀的容性换流方法在许多年前就被提出,但只是在最近几年解决了对串联电容器的有效保护之后才得以在实际系统中应用。2000年投运的Garabi背靠背直流输电工程(用于联接使用不同交流电压频率的阿根廷电网和巴西电网)是使用容性换流技术的第1条工业实际应用工程,该容性换流方法的原理接线见图5。容性换流技术拓宽了高压直流输电的应用范围。该技术在联接弱系统和长电缆线路上的优势尤为显著,同时,该技术使得换流阀稳态工作下换流失败的可能性进一步降低,并能有效抑制线路暂态谐波。此外,串联电容器的无功补偿正比于系统的输送功率,从而可显著地减少滤波支路和并联电容无功补偿支路开关的操作次数。7交流滤波器-效率测试系统连续可调式交流滤波器能够在不同直流输送功率下产生相同的滤波效果。连续可调式交流滤波器(图6)可自动跟踪调谐到由于交流系统频率变化及产品误差引起的调谐频率变化,从而获得最好的滤波效果。连续可调式交流滤波器的主要设备之一是电抗值可调式电抗器。该电抗器由一绕有控制线圈的铁心置入一电感线圈中组成,见图7。通过调节控制线圈的直流电流改变电抗器的磁通,从而调节电抗器的电抗值。测量控制系统通过测量交流系统上的母线谐波电压与滤波支路电流的相角差来调节控制线圈的直流电流,使滤波支路电流和母线谐波电压的相角差为零。连续可调式交流滤波器比普通滤波器具有更优越的滤波效果。这主要表现在系统任何传输功率下滤波器的滤波效果都可达到最高。连续可调式交流滤波器的损耗较低,且不存在任何机械运动部件。同时,直流滤波器在近年来也有了极大的提高。有源直流滤波器(图8)的成功开发使用使得高压直流传输线的谐波干扰满足日益增高的环保要求。1991年,有源直流滤波器第1次在Konti-Skan2高压直流输电工程中得以实际应用,直流传输线上的谐波被显著地降低,见图9。8表现为复合光纤测量系统直流系统直流电流的准确测量是直流系统控制和保护的关键。新型数字式光纤测量系统已完全取代传统的磁饱和式电流互感器和电阻式分压器对直流侧电流和电压进行测量。组合式直流电流数字光纤测量系统(图10),由分流器和磁位计组成传感器部分,测量信号经由电路板转换处理后以光信号的形式通过光纤送至处于地电位的光电转换板,并最终送至中央处理计算机。该类直流电流数字光纤测量系统的测量准确度在DC至7kHz频率范围下可达0.5%。数字式光纤测量系统极大地减小了测量系统的体积、重量,这使得安装和检修更为方便。同时由于使用光纤进行信号传输,数字式光纤测量系统的抗电磁干扰能力和一次侧与二次侧的绝缘隔离使得测量系统更为安全和可靠。9电压控制型直流阀近些年来,在高压直流输电技术领域的另一最新发展是使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电压控制型直流阀进行高压直流输电。图11示出两级式结构的电压控制型直流阀。与传统的晶闸管换流阀不同,基于绝缘栅双极型晶体管的电压控制型直流阀的电流切换无需系统换相电压,这使得利用高压直流向受端无源的系统输电成为可能。电压控制型直流阀使用脉宽调制技术进行交流和直流的转换。该技术的使用能够对交流侧的电压幅值和相位角同时进行调节。该特性赋于交流侧电压控制的双自由度,从而使得电压控制型直流阀能够运行在P-Q平面的任一象限。自第1条50MW电压控制型直流阀1999年在瑞典的果特兰岛成功投运之后,其它几条使用电压控制型直流阀实现高压直流输电的项目也已相继建设投运。新一代电压控制型直流阀使用三级式结构,其传输容量330MW。10高压直流系统的阀设近20年来,高压直流输电技术和以晶闸管为基础的高压直流阀技术有了极大的发展,使直流输电系统的造价降低,性能和可靠性提高。以高压直流方式进行电力传输变得更为经济和可靠。在高压直流晶闸管阀设计上的革命性进步包括:大功率晶闸管的使用、水冷却晶闸管阀、阀的组件式设计和电触发晶闸管的集成智能化触发控制单元。在高压直流系统上有代表性的发展有:高速计算机在阀及换流站监控上的直接应用、户