高压直流输电换流阀晶闸管控制单元原理分析

陈兴旺梁帅奇胡宗亚

（1、河南省汝州市电业公司，河南 汝州 467500 2、深圳迈瑞医疗电子股份有限公司 3、国网电科院继电保护研究所，江苏 南京 210003）

为了耐受更高的电压，高压直流输电的换流阀都是由晶闸管级串联组成的；例如贵广直流输电工程中，采用西门子的光控阀，每个换流阀体包含了78个晶闸管级；葛南直流工程中采用的是原BBC的电控阀，每个换流阀体则包含了120个晶闸管级。SVC(Static Var Compensator)中TCR(Thyristor Controlled Reactor)或 TSC(Thyristor Switched Capacitor)阀体，也根据补偿的电压等级和选用晶闸管的耐压等级，由不同数量的晶闸管级串联组成。如下所示为三广直流工程换流阀中晶闸管级电气连接的示意图 (不同的阀体可能稍有区别)。每个晶闸管级一般都包括以下几个部分：直流均压电路 (图示的R6和R7)、交流均压电路 (图示的R1/R3/C1/C2)、晶闸管控制单元TCU(Thyristor Controlled Unit)和晶闸管Th(Thyristor)。其中VCU(Valve Controlled Unit)为阀控单元，它负责向TCU发送光触发信号FP(Fire Pulse)，接收TCU的光回报信号IP(Indication Pulse)。

一个晶闸管级中晶闸管控制单元是核心，它具有以下几项基本功能：接收触发命令触发晶闸管，晶闸管过压保护，反向恢复期间的dv/dt保护，监视晶闸管状态(正常、损坏或过压保护)并回送相应的光脉冲信号IP。下面就以我们在SVC和直流融冰等项目中大量使用的TCU为例，分析它的工作原理。

1、取能。TCU的取能部分会通过上图的Snubber Circuit和C3、R5得到约22V和11V两种电源。通过调节阻容回路的参数，可确保C3、R5中流过电流的相位提前晶闸管两端的电压90度，电路的取能在晶闸管两端的电压还处在负半周的上升阶段时就已经开始；因此，当晶闸管两端电压为正时TCU就储备了足够的能量，确保内部电路正常工作。

2、回报光脉冲IP信号。共有两种情况可产生IP，第一种情况是当晶闸管两端电压达到约24V时，TCU向VCU发送IP脉冲，表明晶闸管级已满足触发条件，告诉VCU，可以发触发脉冲FP了；相应的，VCU只有在接收到IP脉冲后，才允许向TCU发送FP触发信号；另一种情况是当TCU监测到晶闸管两端的电压达到了预先设定的过压保护门槛值时 (如6800V)，便自动发出触发脉冲触发晶闸管，使晶闸管免于击穿而损坏，同时在此刻也向VCU发出IP光脉冲，表明晶闸管处于保护性触发的异常状态；VCU内部的可编程逻辑期间FPGA通过这两种IP信号发生时刻的不同来区别某IP信号是电压建立IP还是过压保护触发IP。另外，当某一个晶闸管损坏时，则TCU无法发出IP信号，VCU会据此判断该晶闸管已经损坏；VCU程序会设置一个报警级别：如损坏2个时报警，大于2个时跳闸。

3、正常触发。一般情况下，当阀体解锁后，TCU会在每个周波都收到来自VCU的光触发信号，通过光电转换、信号放大等产生晶闸管触发所需要的电脉冲信号，触发晶闸管。需要说明的时，当晶闸管被触发时如果由于某种原因没有导通，则这个触发信号会持续加在晶闸管的门极直到它导通或其两端电压变负为止，TCU的这一特性也有效地保护了晶闸管。

4、保护性触发。阀体在正常的运行过程中，会经常发生的陡坡冲击、局部不均压或开通分散性等，这些都会引起个别晶闸管的正向过电压；另外，在电信号通路或光信号通路由于损坏或性能下降的情况下，TCU无法产生触发脉冲，而此时当阀体中其它晶闸管级导通时，便也会在该晶闸管两端瞬间产生一个高电压；这时，如果不能在该电压达到击穿门槛电压前迅速触发晶闸管，该晶闸管就会被击穿而损坏。TCU中的保护性触发电路正是实现了这样的功能。

如下图2所示为TCU过压保护电路示意图。它的基本原理是：随着晶闸管两端电压的升高，电阻R8上的电压越大；另外，在TCU内部通过模拟电路搭建一个基准电压，当R8上的电压大于该基准电压时，就产生触发脉冲触发晶闸管，同时回报过压保护IP脉冲。通过调节R8的阻值，可以调节TCU的过压保护门槛值，以适应不同耐压等级的晶闸管。

5、反向恢复保护。晶闸管在由导通到关断的发向恢复期间，由于阻断特性尚未完全恢复，此时如果在其两端出现过高的dv/dt扰动，就会损坏晶闸管。TCU的反向恢复保护功能就是在反向恢复期间探测dv/dt的变化率，当dv/dt扰动超过门槛值时便产生触发脉冲触发晶闸管导通，从而保护晶闸管。如图3所示为TCU反向恢复保护电路示意图，它基本原理是：阀体解锁后，当TCU监测到晶闸管两端的电压由导通到熄弧，即其两端的电压由零变为负时，便启动时间窗口发生回路，这个时间窗口的宽度可根据晶闸管本身的特性要求进行调整，一般为1ms以内。如果dv/dt监测回路在这个时间窗口内监测到晶闸管两端的电压变化率大于门槛值 (这个门槛值也可根据晶闸管的特性进行调整)，就会产生一个触发脉冲触发晶闸管。

6、总结与展望。上述以我们实际研制的TCU为例，分析了它的基本工作机理。该TCU装置已经大量应用于SVC项目、直流融冰项目和高压直流输电换流阀运行试验合成回路中。多年来的运行情况表明，该TCU装置性能可靠稳定。

需要指出的是，TCU属于高电位装置，工作环境恶劣。因此，研制过程中，在满足功能的前提下，抗干扰实验的验证是十分重要的，它直接决定了整个高压阀体能否正常工作。我们除了对该装置单独进行严格的EMC实验外；还实际搭建了高压阀体，按照相应的规范对整个阀体也进行严格的型式试验；这个过程发现并解决了大量的问题。这也是装置大量使用且运行稳定的保证。

当前，随着更大容量的可关断型功率器件如IGBT的不断开发，轻型高压直流输电和SVG(Static Var Generator)也在快速发展，其中SVG有逐渐取代SVC的趋势。它们的高压阀体是由可关断器件串联而成的，造价更为昂贵；对应于每个可关断型器件也有一个控制单元，被称为门级驱动单元GDU(Gate Driven Unit)。在我们正在研制的GDU装置中，它要监视更多的状态量，须以一定格式的光脉冲报文向上反馈更多的状态信息；通过搭建模拟电路已经很难实现这些复杂的逻辑。为此，我们采用了FPGA (Field Programmable Gate Array)来完成相应的保护和监视功能。FPGA的采用将成为未来功率器件控制单元的一个趋势；但同时，FPGA运行在强电环境中也对装置本身的抗干扰性提出了更高的要求。

[1]宁凤辉 ，赵中原 ，邱毓昌.三峡至常州±500 kV高压直流输电用晶闸管阀技术特点.《高压电器》， 2003年4期 .

[2]赵中原.方志.邱毓昌 高压直流换流站技术现状与发展 [期刊论文]-中国电力2002(03)

[3]Steffen Bernet Recent Development of High Power Converters for Industry and Traction Applications 2000(06).