HVDC换流器结构与功能综述

摘  要  高压直流输电（HVDC）是一种新型输电形式，它通过交流电与直流电之间的变换为电网输送电能。这种新型输电方式可实现大功率、远距离输电，同时还能够使额定频率不相同的交流系统之间实现非同步的互联。高压直流输电（HVDC）作为我国电网重要的组成部分，对其可靠性和稳定性有很高的要求，其重要的核心设备就是换流器，换流器的结构相对复杂，它由各种元器件组成，本文从换流器的设计要求、组成元件出发，详细介绍了换流器的结构和工作原理，对于保证宁东直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

关键词  高压直流输电;换流器;结构;功能

中图分类号：TM72      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）22-0024-02

高压直流输电（HVDC）作为我国一种新型输电形式，正在电力系统中扮演着日益重要的角色。它能够实现大功率、远距离输电，同时还具有使额定频率不相同的交流系统之间实现非同步的互联等交流输电所不具备的独特优势。换流器作为高压直流输电系统的核心元器件之一，它的稳定性和可靠性关系着直流系统的安全运行。本文从换流器的设计要求、组成元件出发，详细介绍了换流器的结构和工作原理，对于保证宁东直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

1  换流器介绍

换流器是用以实现交、直流电能相互转换的设备。换流阀是能实现换流桥臂功能的可控或不可控开关设备，是换流器的最基本的组成单元。换流器采用一个或者多个三相桥式换流电路（也称6脉动换流器）串联构成。改变换流阀的触发相位，它既可运行于整流状态，也可运行于逆变状态。实现交流电向直流电转换的换流器称之为整流器，实现直流电向交流电转换的则称为逆变器。整流器与逆变器设备基本相同，统称为换流器。

按照触发原理的不同可分为LTT（Light Trigger Thyristor）换流器和ETT（Electric Trigger Thyristor）换流器。由光触发晶闸管LTT组成的换流单元称为LTT换流器。由电触发晶闸管ETT组成的换流单元称为ETT换流器。

2  换流器的设计要求

晶闸管换流阀应能在预定的外部环境及系统条件下，按规定的要求安全可靠地运行，并满足损耗小，安装及维护方便、投资少的要求。

1）基本性能。为了满足阀换流和可靠运行的要求，阀应具有如下基本性能：

①具有单向导通的性能，在一个周波中阀导通时间为三分之一周波。

②在阀不导通时，能够承受正向和反向的阻断电压。

③最大阻断电压一般设计为3倍的六脉动阀桥额定直流电压，最大阻断电压应由并联避雷器的电压保护水平决定。

④当阀承受正向电压，同时有触发电流（大约8A）给门极时，则阀应导通。只有流过阀的电流降为零时才关断。

⑤阀具有承受过电流的能力，通过健全阀的最大过电流发生在阀两端间的直接短路，而过电流的幅值主要由系统短路容量和换流变压器短路阻抗所决定。

2）其他要求。除了满足以上的性能要求外，阀在设计中还应满足以下要求：很高的可靠性、足够的机械强度、较低的损耗、最少的安装和维护费用、整体最优的价格、完善的自动监视系统、可靠的防火系统等。

3  换流器的结构及元件功能

晶闸管换流阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻尼回路以及组装成阀组件（或阀层）所需的阳极电抗器、均压元件等通过某种形式的电气连接组装而成的换流桥臂。下面就各个部分的结构及组成、工作原理进行介绍分析。

1）阀层结构。以宁东直流输电系统为例，其二重阀塔由20个阀模块组成，阀塔双列布置，每列阀塔包括10个阀模块以及顶屏蔽罩、底屏蔽罩，屏蔽罩组件能提供静电屏蔽作用，如图1所示。

图1  双重阀塔布置

单阀包括10个阀模块，大多数阀模块由11个晶闸管级组成，布置成2个阀组件。其中1个阀组件包括6个晶闸管级（采用5英寸、7.2 kV晶闸管）和1台饱和电抗器，另1个阀组件包括5个晶闸管级和1台饱和电抗器。1个晶闸管级中有阻尼电路元件和门极单元。阀组件结构图如图2所示。

2）可控硅级的原理。晶闸管的触发导通及运行监控主要由晶闸管控制单元TCU、阀监控VCU/THM、极控保系统来完成。当晶闸管两端所承受的电压超过特定值时，TCU会收到一个光脉冲并将此光脉冲送至阀监控柜VCU/THM，说明晶闸管此时已具备触发的条件。

阀监控VCU/THM此时会收到从极控保系统发来的控制脉冲，此脉冲转换为触发脉冲后发送到TCU用以触发晶闸管，与此同时会产生一个监测脉冲送回至极控制及保护PCP。

图2  阀组件结构图

所有晶闸管的相关信息都会传送至阀监控VCU/THM，并经PROFIBUS总线传送到极控保系统。

①阻尼回路。

阀阻尼回路为电容、电阻组合回路，其主要作用：当阀在熄灭过程中，阻尼电压的震荡;给可控硅控制单元提供暂态充电，充电时间常数为100μS，这样保证在阀触发前TCU能获得可靠的工作电源。

②分压回路。

分压回路为纯电阻回路，电阻值较大且精确度很高，一般一个电阻电阻值的误差允许范围±5%，在两个电阻串联后，按正负偏差相抵，其误差不超过±2%[3]。分压测量回路的主要作用：

测量可控硅两端电压，用于形成IP（可控硅回报脉冲）、PF（可控硅保护性触发）和RP（恢复性保护）逻辑的输入电压;

给可控硅控制单元TCU提供稳态时的工作电源。

③可控硅控制单元。endprint

晶闸管控制单元TCU的主要功能是触发和监测晶闸管。为了防止晶闸管由于过电压损坏，TCU包括保护触发和恢复期保护两种功能。TCU与阀控制单元VCU通讯通过高压光缆完成。两路光缆用于通讯，一路传送由VCU到TCU的光触发脉冲、一路传送由TCU到VCU的晶闸管状态信息光脉冲信号。

3）阳极电抗器。在一个可控硅模块中要串联一个电抗器模块，此电抗器的作用是：在阀刚触发导通或出现电流突变时，为了限制电流的变化速率，使阀免受于不均匀导通产生局部过热而引起的破坏，当阀导通稳定，流过阀的电流很大时，电抗器饱和，呈现出低阻抗。电抗器主要由线圈（绕4圈）、带空隙的铁芯（11个）、有固定及散热作用的填充物（环氧树脂）和外壳组成。

4）冷却器。冷却器主要用于吸收可控硅及阻尼电阻损耗产生的热量，保证可控硅结温在允许范围内，使可控硅承受正向和反向阻断电压的能力不下降。在一个可控硅模块中冷却器的连接采用交叉串联的方式，其特点为：

与并联方式相比减少了接头;

使一个阀组件中每个可控硅的平均温度相同，T平均=1/2（T阴极+T阳极）;

第一个可控硅V1两侧的温差最大，但最大温差不能超过设计值8-9度。一个可控硅模块中冷却器的连接图如图3所示。

图3  冷却器连接图

4  结束语

换流阀是直流输电系统的核心设备之一，它的运行工况直接影响整个输电系统的优劣和可靠性。作为世界上第1个采用±660 kV电压等级的直流输电工程，宁东-山东直流工程单阀的跨接电压高达330 kV[4]，本文从设计要求、结构以及元件功能出发，对宁东直流输电系统换流器进行了全面阐述，对保证西电东送的大动脉宁东-山东直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

参考文献

[1]郭焕，温家良，汤广福，等.直流输电换流阀主电路的可靠性分析与优化设计[J].中国电机工程学报，2009，29（12）：39-43.

[2]李侠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高压直流输电用6英寸大功率晶闸管换流阀[J].高压电器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高压直流输电系统晶闸管换流阀和换流变压器设计审核及验证[J].南方电网技术，2010，4（3）：1-6.

[4]杨晓楠，汤广福，彭玲，等.±660 kV直流输电工程换流阀电器设计综述[J].电网建设，2011，32（7）：11-15.

作者简介

潘亮亮（1982-），女，宁夏固原人，硕士研究生学历，国网宁夏电力公司检修公司工作工程师，研究方向：电气设备在线监测及故障诊断。endprint

晶闸管控制单元TCU的主要功能是触发和监测晶闸管。为了防止晶闸管由于过电压损坏，TCU包括保护触发和恢复期保护两种功能。TCU与阀控制单元VCU通讯通过高压光缆完成。两路光缆用于通讯，一路传送由VCU到TCU的光触发脉冲、一路传送由TCU到VCU的晶闸管状态信息光脉冲信号。

3）阳极电抗器。在一个可控硅模块中要串联一个电抗器模块，此电抗器的作用是：在阀刚触发导通或出现电流突变时，为了限制电流的变化速率，使阀免受于不均匀导通产生局部过热而引起的破坏，当阀导通稳定，流过阀的电流很大时，电抗器饱和，呈现出低阻抗。电抗器主要由线圈（绕4圈）、带空隙的铁芯（11个）、有固定及散热作用的填充物（环氧树脂）和外壳组成。

4）冷却器。冷却器主要用于吸收可控硅及阻尼电阻损耗产生的热量，保证可控硅结温在允许范围内，使可控硅承受正向和反向阻断电压的能力不下降。在一个可控硅模块中冷却器的连接采用交叉串联的方式，其特点为：

与并联方式相比减少了接头;

使一个阀组件中每个可控硅的平均温度相同，T平均=1/2（T阴极+T阳极）;

第一个可控硅V1两侧的温差最大，但最大温差不能超过设计值8-9度。一个可控硅模块中冷却器的连接图如图3所示。

图3  冷却器连接图

4  结束语

换流阀是直流输电系统的核心设备之一，它的运行工况直接影响整个输电系统的优劣和可靠性。作为世界上第1个采用±660 kV电压等级的直流输电工程，宁东-山东直流工程单阀的跨接电压高达330 kV[4]，本文从设计要求、结构以及元件功能出发，对宁东直流输电系统换流器进行了全面阐述，对保证西电东送的大动脉宁东-山东直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

参考文献

[1]郭焕，温家良，汤广福，等.直流输电换流阀主电路的可靠性分析与优化设计[J].中国电机工程学报，2009，29（12）：39-43.

[2]李侠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高压直流输电用6英寸大功率晶闸管换流阀[J].高压电器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高压直流输电系统晶闸管换流阀和换流变压器设计审核及验证[J].南方电网技术，2010，4（3）：1-6.

[4]杨晓楠，汤广福，彭玲，等.±660 kV直流输电工程换流阀电器设计综述[J].电网建设，2011，32（7）：11-15.

作者简介

潘亮亮（1982-），女，宁夏固原人，硕士研究生学历，国网宁夏电力公司检修公司工作工程师，研究方向：电气设备在线监测及故障诊断。endprint

晶闸管控制单元TCU的主要功能是触发和监测晶闸管。为了防止晶闸管由于过电压损坏，TCU包括保护触发和恢复期保护两种功能。TCU与阀控制单元VCU通讯通过高压光缆完成。两路光缆用于通讯，一路传送由VCU到TCU的光触发脉冲、一路传送由TCU到VCU的晶闸管状态信息光脉冲信号。

3）阳极电抗器。在一个可控硅模块中要串联一个电抗器模块，此电抗器的作用是：在阀刚触发导通或出现电流突变时，为了限制电流的变化速率，使阀免受于不均匀导通产生局部过热而引起的破坏，当阀导通稳定，流过阀的电流很大时，电抗器饱和，呈现出低阻抗。电抗器主要由线圈（绕4圈）、带空隙的铁芯（11个）、有固定及散热作用的填充物（环氧树脂）和外壳组成。

4）冷却器。冷却器主要用于吸收可控硅及阻尼电阻损耗产生的热量，保证可控硅结温在允许范围内，使可控硅承受正向和反向阻断电压的能力不下降。在一个可控硅模块中冷却器的连接采用交叉串联的方式，其特点为：

与并联方式相比减少了接头;

使一个阀组件中每个可控硅的平均温度相同，T平均=1/2（T阴极+T阳极）;

第一个可控硅V1两侧的温差最大，但最大温差不能超过设计值8-9度。一个可控硅模块中冷却器的连接图如图3所示。

图3  冷却器连接图

4  结束语

换流阀是直流输电系统的核心设备之一，它的运行工况直接影响整个输电系统的优劣和可靠性。作为世界上第1个采用±660 kV电压等级的直流输电工程，宁东-山东直流工程单阀的跨接电压高达330 kV[4]，本文从设计要求、结构以及元件功能出发，对宁东直流输电系统换流器进行了全面阐述，对保证西电东送的大动脉宁东-山东直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

参考文献

[1]郭焕，温家良，汤广福，等.直流输电换流阀主电路的可靠性分析与优化设计[J].中国电机工程学报，2009，29（12）：39-43.

[2]李侠，SACHS G，UDER M.±800 kV特高压直流输电用6英寸大功率晶闸管换流阀[J].高压电器，2010，46（06）：1-5.

[3]FU Y，VAESSEN P.特高压直流输电系统晶闸管换流阀和换流变压器设计审核及验证[J].南方电网技术，2010，4（3）：1-6.

[4]杨晓楠，汤广福，彭玲，等.±660 kV直流输电工程换流阀电器设计综述[J].电网建设，2011，32（7）：11-15.

作者简介

潘亮亮（1982-），女，宁夏固原人，硕士研究生学历，国网宁夏电力公司检修公司工作工程师，研究方向：电气设备在线监测及故障诊断。endprint