0 引言

    东北——华北联网高岭背靠背换流站工程（高岭背靠背工程）是西电公司承担的国家重点工程，其中晶闸管换流阀是高岭背靠背工程换流站的核心设备，高岭背靠背工程实现东北——华北电网的联网，是西安西电电力整流器有限责任公司（西整公司）首次承担制造的国内最大商业运行背靠背工程，是国内第一次独立进行±125kV直流背靠背工程晶闸管换流阀的设计、制造、绝缘型式试验、运行型式试验和现场调试的工程。高岭背靠背工程额定直流电压为±125kV，额定直流电流为3000A，已于2008年投入运行。

1 换流阀工作原理

    换流阀是换流站中的主要设备，它的作用是把交流电力变换成直流电力，或实现逆变换。直流换流阀的基本单元采用三相桥式接线，高岭背靠背工程±125kV高压换流阀是由2个三相桥串联构成一个12脉动换流阀，其主要优点是在增加容量的同时还能减少谐波分量。直流输电系统示意图见图1。

    图1 直流输电系统示意图

    背靠背高压直流换流阀的主要用途就是使不同电压等级和频率的两大交流系统联网，而且故障不会扩大，其主要优点是在增加容量的同时还能减少谐波分量，提高供电可靠性，对远距离输电主要是减少电能的损耗。换流阀工作原理框图见图2，其工作原理如下：

    图2 换流阀工作原理框图

    1)当换流阀晶闸管两端电压超过约32V时，晶闸管控制单元(TCU)将指示光脉冲(IP)经过高压光缆送到阀监控柜(VCU/THM)，说明晶闸管已承受正向电压，满足触发条件。

    2)从极控制和保护(PCP)来的120°控制脉冲(CP)进入VCU/THM后，经逻辑电路处理转变成触发脉冲传送到光接口，经过高压光缆发送到TCU触发晶闸管；同时经过逻辑电路产生一个20μs宽的脉冲送回PCP，作为PCP监测用。

    3)极控制和PCP、VCU/THM都是按照并行冗余系统设计的，运行信号是指示该系统为运行系统，否则为备用系统。

    4)VCU/THM收集所有换流阀晶闸管的信息。对阀报警和跳闸的水平进行检测和执行，并把报警和跳闸以及晶闸管状态经CAN总线传送到极控制和PCP。

2 换流阀设计

    2.1 换流阀技术参数

    电压额定值、电流额定值、绝缘水平、避雷器参数参考表1-4的数据。

    表1 电压额定值

    表2 电流额定值

    表3 绝缘水平（跨阀）

    表4 避雷器参数

 2.2 电气计算

    换流阀电气设计基于相关标准规定及技术规范的要求进行设计计算，电气设计必须考虑换流阀在各种系统工况下，在稳态和暂态时可能引起的不同应力。

    2.2.1 计算参数的确定

    1)晶闸管参数。晶闸管主要参数见表5。

    表5 晶闸管主要参数

    2)主电路参数确定。高岭背靠背工程对晶闸管换流阀提出的主要技术要求是主电路计算使用的参数，见表6。

    表6 主电路计算使用的参数

    2.2.2 单阀晶闸管串联数

    按技术规范规定的冗余数及最极端的电压条件进行计算，每单阀有48只晶闸管级和8台非线性电抗器串联组成，即由8个晶闸管组件和8个电抗器组件构成。晶闸管级的工作原理见图3。

    图3 晶闸管级原理图

    在任何运行条件下，每个晶闸管上的电压应力应小于其本身的电压能力，由于高岭背靠背直流工程选用5英寸U_DSM=7200V，U_RSM=8000V晶闸管元件，单阀串联晶闸管元件数由下式确定

    式(1)中：S_IPL为跨阀的操作波保护水平；k_d为操作冲击电压下单阀的电压分布系数；k_im为操作冲击电压下的安全系数；U_DSM为晶闸管断态非重复峰值电压；取n_min=46只，2只冗余共48只，冗余按不小于单阀数3%选取。

 2.2.3 阻尼均压回路

    换流阀均压回路包括并联在晶闸管上的RC阻尼回路和DC均压电阻以及与晶闸管组件串联的饱和电抗器。均压回路的作用一方面是保护晶闸管免受暂态过电压的损坏，另一方面使阀承受的各种电压在阀内均匀分布。另外水路的直流电阻也具有直流均压的功能。系统工频和操作冲击过电压时的电压分布不均匀主要由两方面原因引起，即阻尼回路元件（电阻、电容）的公差和晶闸管反向恢复电荷的差异。因此，阻尼回路设计的误差范围要低于允许的极限值。稳态运行时，晶闸管的重复电压包括换相过冲要低于允许的重复电压。快速暂态电压如雷电和陡前波，部分电压将被串联的饱和电抗器吸收了。均压电路能使频率从DC到MHz的不同频率的电压均匀分布。

    1)RC阻尼回路。RC阻尼回路的设计功能为：①使每个晶闸管两端的电压均匀分配；②为TCU耦合提供工作电压；③减少阀关断、电流熄灭、换相过冲；④阻止阀端出现的异常过电压。

    电容器的选取原则是：必须能连续耐受包括换相过冲在内低于避雷器动作值的电压蜂值。阀的换相过冲同时应该考虑6脉动阀组其他阀关断时的影响。而电容值则应充免满足对换相过冲的吸收阻尼作用。

    通过给定阻尼电容C₁的值，即C₁=1.5μF，则按式(2)计算阻尼电阻R₁为

    式(2)、(3)中：n₁为单阀的晶闸管数，48只；L_dx为计算的每相换相的电感；d_IN为电感压降，0.082；I_dN为额定直流电流，3000A；U_dxN为额定直流电压，1428kV；R₁=37.64Ω，实际R₁选择为40Ω。

    高岭背靠背直流工程设计的阻尼回路参数如下：R_DC(R₁)为40Ω；C_RC(C₁)为1.5μF。

    2)DC均压电阻。DC均压电阻的设计功能为：①为TCU提供取样和保护的门槛电压值；②使晶闸管两端的低额电压分量均匀分配。

    该电阻的选择原则很简单，电压耐受能力和晶闸管一致，而电流必须限定在TCU探测电路能承受的范围内，R_DC为

    式(4)中：U_DSM为晶闸管承受电压的能力；R_DC为直流分压电阻。高岭背靠背直流工程设计采用72kΩ的直流均压电阻。

    2.2.4 晶闸管控制单元

    TCU的主要功能是触发和检测晶闸管以及正向保护性触发和反向恢复期的保护性触发。TCU的工作电源从晶闸管两端的电压耦合取得，该能量能充分保证在各种工况和冲击电压下安全可靠地触发晶闸管。

    TCU的所有控制和保护功能均由电子线路来实现，在TCU板中无高压器件。

    每个晶闸管的触发脉冲和回报脉冲用2根光缆从TCU和处于低电位的控制保护装置传递。其中，1根为触发光缆，1根为回报光缆。

    阀的触发系统在120°的触发区域内调制为专用的短脉冲系统。短脉冲的宽度能够确保阀的触发和补脉冲触发。短脉冲触发系统可降低发光系统的功率损耗，延长发光管的寿命。在中控室的晶闸管检测系统THM，根据TCU送来的回报信号检测每个晶闸管的状态。当晶闸管级故障时，THM可立即查出故障的性质、位置。TCU同时完成晶闸管的正向保护动作，当晶闸管两端的电压超过预先在TCU中的设置值时，TCU发出紧急触发信号，紧急触发晶闸管，从而保护了晶闸管。整阀的保护触发电压值远远高于跨阀避雷器的保护水平。正向保护触发设置原则是：逆变运行时，交流侧故障恢复，阀不至于由于保护触发动作而引起提前触发，从而引起换相失败。

    换流阀正向保护触发值的设置：对于每一级晶闸管正向保护触发电压设置为6800V，由TCU板实现；对于极端故障情况下（例如接地故障）引起换流阀承受过高的电压变化(dU/dt)，晶闸管控制单元(TCU)将触发晶闸管，以保护晶闸管。晶闸管保护触发电压曲线图见图4。

    图4 晶闸管保护触发电压曲线

 2.2.5 换流阀电压的分布

    阻尼回路、直流均压电路、阀电抗器保证了换流阀内电压的均匀分布。在常规运行时，每个元件承受的重复电压应低于容许的重复值。分布在晶闸管上的电压U_thry为

    式(4)中：V_ral为单阀电压；U_thry为分布在晶闸管上的电压；k_d为单阀上总的电压分布系数；k_dm为设计余量系数。

    换流阀电压计算结果见表7。

    表7 换流阀电压计算结果

    加在每一个晶闸管上的电压必须比晶闸管规格书中规定的电压低。分布在晶闸管上的各种电压计算，基本采用相同公式完成。

3 结语

    以上仅对换流阀电气设计计算做了简单介绍，高压直流输电换流阀的实际设计计算要通过各种仿真软件进行模拟设计计算。在设计工作中根据换流阀各种运行工况，西整公司设计人员自主完成了计算方法的研究，建立了仿真软件的模型；自主完成±125kV直流背靠背工程晶闸管换流阀电气设计计算和参数的确定。同时自主完成±125kV直流背靠背工程晶闸管换流阀四重阀阀塔结构设计；完成了晶闸管阀组件和关键件的设计、检测、试验；自制工装，完成换流阀阀塔的组装，提高了国产化率。

    根据设计规范要求，西整公司完成了换流阀型式试验规范及试验参数的确定，独立设计换流阀绝缘型式试验电路，首次在国内完成±125kV直流背靠背工程晶闸管换流阀绝缘型式试验和运行型式试验。

    高岭背靠背换流站工程换流阀设计、制造的完成以及绝缘试验和运行试验的通过，标志着西整公司已具备了±125kV背靠背换流阀设计、制造和试验能力，标志着西整公司已迈进了商业化制造高压直流背靠背工程晶闸管换流阀的先进行列，在中国直流背靠背联网发展的历史上，具有里程碑的意义。