高压直流换流器解锁启动原理及工程验证

李志平，洪潮，靳巩磊，刘涛,关红兵

(1. 南方电网科学研究院，广州510663；2. 中国南方电网电力调度控制中心 广州510663；3. 许继电气股份有限公司，河南 许昌461000)

0 前言

高压直流输电系统换流器工作状态可以分为电流连续和不连续2种。当高压直流输电系统传输功率时，换流器处于连续电流的工作状态。目前大量有关直流输电的专业技术研究工作基本上都是针对这种状态[1-4]。电流不连续也是一种常见和基本的运行工况，却不为技术人员关注和熟悉。换流器电流不连续工况包含单阀和多阀间歇性触发导通的暂态过程，目前相关文献较少。在直流输电系统的解锁启动初期，整流侧触发角较大时，单阀触发对RC回路电容充电结束后截止，这是电流不连续工况比较常见的典型例子。其过程短暂但却是实现直流输电功能所必须的过程，直流线路电压泄放[5]和开路电压试验[6-7]等都会出现这种过程。为了完整分析单阀触发的暂态过程，本文将在文献[8]的基础上考虑回路电感，对单阀触发的暂态过程进行分析。

高压直流输电系统的解锁启动是一种典型的电流不连续工况，过程复杂，涉及控制方式、换流阀的通断状态和整个电路的电气量的变化。目前未见公开文献解释这个问题。随着高压直流输电技术的发展，晶闸管换流器有了多样化的应用方式，除了标准的长距离输电之外，出现了背靠背、三端直流以及混合直流输电，相应地出现各种独特的解锁启动方式，所以有必要对解锁启动原理进行研究。

本文结合实际工程的设备参数，运用电路理论和电力电子技术[9-10]，并考虑阀控的补脉冲功能，采用二阶电路[11]对换流器形成全桥导通的暂态过程进行研究。最后以实际工程调试时解锁换流器得到的电气量录波数据来验证理论推导的正确性。

1 概述

高压直流输电系统解锁启动的控制过程如下：逆变侧先以150 °的大触发角发出脉冲后，触发角相对固定不变，接着整流侧以小于150 °的大触发角发脉冲，然后逐步移相减小触发角。经过约700 ms即35个工频周波的时间由闭锁状态进入传输功率状态。该控制过程复杂，简述如下。

高压直流输电系统的晶闸管采用的触发控制方式为窄脉冲等间隔触发。解锁期间控制的一个重要特点是配置有补脉冲功能：控制系统发送给阀控装置的触发命令的有效时间相当于工频120 °对应的时间即6.66 ms，称为阀的触发窗口时间，阀控命令的有效时间内称阀处于时间窗口内。如果阀导通后出现截止，之后再检测到阀有正向偏置电压，则给阀补发触发脉冲。解锁启动后的任何时刻，12脉动换流器有4个阀处于时间窗口内。

阀的偏置电压即其并联的RC回路的电容电压[14-15]，是高压直流输电系统解锁启动的研究对象。阀的偏置电压由2部分组成：交流电源提供的电压，以及单阀触发导通后系统电源对不导通阀组件的RC回路电容充电电压。换流器处于电流不连续状态时呈现出交直流混合电路的特征，可用电路理论的叠加原理分析。

在高压直流输电系统解锁启动的初期，整流侧触发角逐步减小，单阀触发导通对截止阀的RC回路电容充电，处于时间窗口内的截止阀的RC回路电容获得充电电压，增加了正向偏置电压。当触发角较大时，触发时刻阀连接的交流相电压瞬时值较小，无法使时间窗口内的其他阀产生正向偏置电压，不产生补脉冲，单阀触发对RC回路电容充电结束后截止，换流器处于单阀间歇导通的工作状态。RC回路电容获得的充电电压不经截止的阀放电，此阶段直流电压上升缓慢，逆变侧处于截止高阻状态。

高压直流输电系统解锁启动的中后期，触发角逐步减小，触发时刻阀连接的交流相电压瞬时值增加，被触发导通后对截止阀的RC回路充电电压增加了，从而时间窗口内的阀有正向偏置电压，能够产生补脉冲触发导通。如果12脉动换流器在时间窗口内的4个阀全部补脉冲触发导通，则称为4个阀全桥导通，这时系统电源电压经导通的换流器加到直流出口端。此阶段直流电压上升较快。如果四阀导通能够延续到下一次触发的阀换相，则产生连续电流，否则为四阀间歇性导通。解锁启动过程中整流侧换流器起建立直流电压的主导作用，整个过程大部分时间触发角较大，这点是换流器电流不连续和连续的差异，也是本文重点探讨的状态。

可见高压直流输电系统的解锁启动过程由换流器单阀间歇性导通、全桥间歇性导通和形成连续电流3个阶段组成。全桥间歇性导通阶段又由全桥导通形成、延续和截止3个分阶段组成。在控制作用下换流器出现全桥导通是关键。全桥导通形成的过程中，当前新进入时间窗口内的阀触发导通，对截止阀的RC回路充电，在一定条件下使时间窗口内的其他阀出现正向偏置电压，会产生补脉冲触发导通。本文在文献[8]结论的基础上，将此暂态过程近似为二阶RLC电路的响应，寻找时间窗口内的阀偏置电压变化的规律，并求取换流器出现全桥导通的条件。

高压直流输电系统的解锁启动是整流侧换流器和逆变侧换流器相互作用的过程，解锁启动的中后期，整流侧换流器形成全桥导通。解锁启动过程中整流侧换流器起建立直流电压的主导作用。直流电压大于逆变侧换流器的平均电压时逆变侧形成连续电流，起到钳制直流电压的作用，这样又有利于整流侧换流器出现全桥导通及脉动电流的延续，起到维持直流电压的作用。整流侧换流器全桥导通产生的脉动电流延续到逆变侧的下一次阀触发循环，逆变侧换流器可能会出现全导通，则两侧会出现导通重叠，这样相互作用使解锁启动获得成功。

本文分析时只考虑基本的因数，忽略换流变压器阀侧对地杂散电容、直流均压电阻、截止晶闸管的漏电流等。假定三相交流电源平衡，各阀的缓冲RC回路的参数完全相同。此阶段流过阀的电流值较小，可以认为晶闸管是理想的开关。

2 换流器形成全桥导通过程分析

全桥导通形成之前换流器所有阀均为截止状态，全桥导通形成过程中，控制系统仅给当前进入时间窗口的阀发触发脉冲，引发单阀导通对截止阀的RC回路充电，使时间窗口内的其他阀出现正向偏置电压而产生补脉冲触发导通。以下用二阶RLC电路的暂态响应的算法对换流器单阀导通过程进行分析。

2.1 时间窗口内阀的偏置电压

高压直流输电系统在传输功率运行时整流侧以最小触发角方式保证阀的正向偏置电压，逆变侧的阀比整流侧有更大正向偏置电压。换流器电流不连续工况下处于时间窗口内的阀的偏置电压由两部分组成，1)交流电源提供的电压，对共阴极的阀即为所连接的交流电源的相电压，而共阳极的阀为交流电源的相电压负值；2)单阀触发导通后系统电源连接外部电路对不导通阀组件的相关RC回路电容充电电压。前者为交流分量电压随交流电源而变化，称为阀关联的窗口电压。后者为直流分量电压，因其他阀的触发导通而产生，可将相关电路近似为二阶RLC电路暂态过程进行分析计算。所以时间窗口内阀的偏置电压为交、直流分量电压叠加，当有正向偏置电压时则给阀补发触发脉冲。当前被触发阀的电流延续时间内有后阀补脉冲导通即出现两阀触发导通，类似出现3阀触发导通，对12脉动换流器出现4阀触发导通即为全桥导通。

这里提出“半桥”直流分量电压的概念，每“半桥”三阀的其中一端直接相连，另一端所连接的交流电源回路的直流电阻很小，将阀的偏置电分解为直流分量电压和交流分量电压后，认为每“半桥”三阀偏置电压的直流分量相等。

2.2 二阶RLC电路响应的一种简明解法[11]

二阶串联RLC电路如图1所示。图中US为直流激励电压源；uC为电容电压，设UC0为电容的初始电压。

图1 二阶串联RLC电路图Fig.1 Diagram of second order series RLC circuit

二阶串联RLC电路的零输入响应的微分方程为：

(1)

(2)

(3)

-UN=-UC0e-δtN

(4)

(5)

由于直流激励全响应的性质类似，响应结果为：

(6)

上述反向峰值电压即为过冲峰值电压。响应电流的求解类似。

2.3 500 kV高压直流工程单阀触发的计算

用上述二阶RLC电路响应的简明算法，对±500 kV高压直流输电工程单阀触发的暂态过程实例进行计算，以了解由此引起的时间窗口内阀的偏置电压变化。12脉动换流器的结构如图2所示。以阀1触发导通来分析其电流通路系统电源A相经过阀1接平波电抗器LV又接直流滤波器到直流中性点侧，经过不导通的3个“半桥”的缓冲RC回路和阀电抗器LE返回系统电源，阀1触发导通图如图2(b)所示。因为电路含有单向导通的晶闸管元件，其过程仅延续半个振荡周期，电流过0后阀截止即结束。该暂态过程可近似为二阶RLC电路的响应。对于单阀触发工况可将直流滤波器视为恒定的电容电压。因为1个“半桥”由3个单阀并联，3个“半桥”串联的RLC回路等效为1个换流阀截止时的RLC电路。

图2 12脉动换流器结构及单阀触发等效图Fig.2 Structure of a 12-pulse converer and its equivalent circuit of single valve triggered

结合设备参数推算出二阶RLC电路的参数，计算分析直流激励下的零状态响应。换流变压器设备参数如下，容量3Sφ=3×317.6 MVA；阀侧电压E=210.5 kV,短路电抗UK=16.5%。每个阀由6个阀段组成，每个阀段有13个晶闸管和组件，所以每个阀有78个晶闸管，参数如下：a)阀电抗器综合电感LV=9.6 mH；b)晶闸管级(每个阀段13个)：阻尼电阻RB=(36±3%) Ω，阻尼电容CB=(1.4±5%)μF，晶闸管电压监测板(thristor voltage monitor，TVM)的均压电阻RDC=(500±2%) kΩ。在上述设备参数的基础之上，忽略均压电阻和均压电容等一些次要的因素，得出晶闸管截止时换流阀电路为一个串联的RLC电路。

其参数为：RV=78×RB=2 808 Ω，CV=CB/78=18.0 nF，LV=9.6 mH。直流场的平波电抗器的电感为300 mH，关于直流滤波器，其电抗只考虑L1，电感为14.5 mH。

2.4 换流器全桥导通过程讨论

以上为单阀触发过程发展到指定状态的推导。实际上，当检测到时间窗口内阀出现正向偏置电压20 μs后，控制系统发出补脉冲，进一步对未开通的窗口阀的偏置电压产生影响，加速形成全桥导通。本例是假定整流侧换流器以初始触发角85 °开始移相，即此刻换流器出口直流电压为0，做直流激励下的零状态响应分析计算，表明会形成全桥导通。

3 实际工程的解锁启动过程

直流输电系统的解锁启动过程中，整流侧换流器经历单阀间歇导通、间歇性全桥导通和形成连续电流3个阶段，承担建立直流电压任务。此过程的大部分时间内逆变侧处于单阀触发导通状态，末期出现间歇性全桥导通和形成连续电流阶段。以某±500 kV高压直流输电项目为例，其整流侧换流器解锁启动过程录波如图3所示。录波的位置在整流站。由于极2单极运行，因此解锁极1时其感应电压为负。

图3 整流侧换流器解锁启动过程录波图 Fig.3 Recorded waves of deblocking and starting process of converter at rectifier side

图4为整流侧换流器处于间歇性导通阶段的录波图，可见较大的正向脉动电流是换流器向线路充电的电流，较小的反向电流是阀截止之后直流线路电容向阀RC回路反向充电的电流。表面上看只是两个过程，实际上还包含着整流侧换流器形成间歇性全桥导通的关键过程，本节针对此进行分析。

图4 整流侧换流器间歇性导通的录波图Fig.4 Recorded waves of intermittent conduction of converter at rectifier side

脉动电流是12脉动换流器全桥导通后输出的下降沿工频脉动电压向直流端外电路充电的电流。外电路为直流线路，连接高阻状态的逆变侧换流器，其固有振荡周期为15～20 ms。外加直流电压激励时充电电流的脉冲宽度等于振荡半周期，但下降沿的工频正弦交流电压源激下电流脉冲宽度约为1.33 ms。脉动电流过0后各窗口阀截止。本节设整流阀RC回路直流电压分量参考方向是连接晶闸管的阴极端为正，阳极为负。根据文献[8]的结论，阀截止后各“半桥”的直流分量等于截止时刻的交流窗口相电压瞬时值，可由1.33 ms对应的工频24 °电角度代入2.1节的窗口阀的交流电压分量公式计算。阀截止后直流外电路向整流阀RC回路电容反充电，也可用上述2.2节二阶RLC电路响应的简明方法计算，有一定的过冲峰值电压。由于外接电容的容量为单阀RC回路电容的容量60倍以上，反向充电之后直流电压不会改变，各半桥获得直流电压增量，因此，当直流分量为正则起到减少阀偏置电压的作用。因为窗口阀的交流分量是下降沿的工频正弦波，所以阀截止后交/直流分量叠加后，阀不出现正向偏置电压的情况，到下个触发前换流器将一直处于截止状态。

表1 整流侧解锁时电气量变化表Tab.1 Variation table of electric quantities when rectifier side deblocking

4 特高压第二个阀组的解锁

该过程是在1个12脉动阀组处于运行状态下投入同一极的第2个阀组[12-13]。对第2个阀组在出口短路状态下进行解锁，运用上述结论分析直流电流的变化过程。

首先在12脉动阀组闭锁时发出跳开旁路开关的指令，随后高速旁路开关触点开始分离，此时同极另一阀组的直流电流仍然流经旁路开关形成回路。设定旁路开关分闸过程末期释放触发脉冲信号，并将触发角限制在70 °约5 ms，强迫直流电流从旁路开关全部转移到换流阀。

换流变压器容量3Sφ=3×248.6 MVA,阀侧电压E=170.5 kV，短路电抗UK=16.5%。1个阀由4个阀段组成，每个阀段有15个晶闸管和组件，所以每个阀有60个晶闸管。晶闸管级：阻尼电阻RB=(36±3%)Ω，阻尼电容CB=(1.6±5%)μF。换流阀组件为一个串联的RLC电路，其参数为：RV=60×RB=2 160 Ω，CV=CB/60=26.6 nF，LV=6.4 mH。

5 结论

12脉动换流器解锁过程由单阀间歇性导通、四阀间歇性全桥导通和连续电流出现3个阶段组成。本文采用二阶电路的暂态响应的方法，考察控制时间窗口内阀的偏置电压变化，对换流器的全桥导通形成的暂态过程进行研究。得到了换流器出现全桥导通的判断条件：时间窗口内4个阀的交流相电压之和大于换流器出口直流电压，依据这个判据出口短路时触发角为105 °是出现4阀全桥导通的临界条件。同时给出了12脉动换流器输出脉动电压的表达式。分析表明在实际工程的设备参数设置和控制方式下，解锁过程中全桥导通得以形成。

解锁过程中单阀触发情况下的电流通路是经过未触发阀的RC回路形成，响应电流为振荡形式。而全桥导通的暂态过程相当于工频激励合闸于直流出口端电路的过程。每次全桥导通产生脉动充电电流使直流电压上升。直流输电系统的解锁启动末期是形成连续电流的关键。此时整流侧触发角小于30 °，直流电压大于逆变侧换流器的平均电压形成连续电流导通，起到钳制直流电压的作用。解锁末期整流侧输出脉动电压变平缓更接近直流，充电电流延续时间更长，整流侧导通延续到下次触发实现换相，直流输电系统获得解锁成功。

运用推导的结论分析了一个高压直流输电工程解锁时的录波图，较好地解释了直流电压电流的变化过程，验证了理论推导的正确性。类似对特高压解锁第二个阀组时的电气量变化分析，指出触发角取80 °比70 °更优。