作為國家電網(wǎng)公司高端裝備研發(fā)企業(yè), 南瑞集團中電普瑞電力工程有限公司一直把特高壓直流換流閥裝備研發(fā)作為重要工作方向, 經(jīng)過多年技術攻關, 完成了M2000型柔性直流輸電換流閥及FLEXCON-VBC-1000型閥基控制設備的開發(fā)設計工作, 并在KEMA見證下通過了IEC62501規(guī)定的所有型式試驗, 成功通過國家能源局技術成果鑒定。

1.換流閥介紹

柔性直流輸電技術廣泛應用于風力發(fā)電等間歇式能源并網(wǎng)、重要負荷供電、孤島供電、黑電網(wǎng)啟動, 多端直流聯(lián)網(wǎng)、弱系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等領域, 是構建智能電網(wǎng)最具特色的技術之一, 將給輸電方式和電網(wǎng)架構帶來重大變革。換流閥是柔性直流輸電技術的核心設備, 擔負著實現(xiàn)交直流電轉(zhuǎn)換的任務, 具有技術難度高、集成度大、跨學科領域多、可靠性要求高等技術特點, 涉及大功率電力電子學、高電壓絕緣、微電子控制、機械結(jié)構力學、電磁場以及高壓試驗技術等多個學科, 其研發(fā)技術一直是輸電領域的制高點。

作為國家電網(wǎng)公司高端裝備研發(fā)企業(yè), 南瑞集團中電普瑞電力工程有限公司一直把特高壓直流換流閥裝備研發(fā)作為重要工作方向, 經(jīng)過多年技術攻關, 完成了M2000型柔性直流輸電換流閥及FLEXCON-VBC-1000型閥基控制設備的開發(fā)設計工作, 并在KEMA見證下通過了IEC62501規(guī)定的所有型式試驗, 成功通過國家能源局技術成果鑒定。

1.1主要一次設備

M2000型換流閥應用了電力電子、計算機控制、高電壓絕緣、高效冷卻系統(tǒng)等技術的最新研究成果。換流閥拓撲結(jié)構如圖1所示。

圖1 M2000型換流閥拓撲結(jié)構

M2000型柔性直流輸電換流閥采用模塊化多電平拓撲, 由標準化設計的功率子模塊級聯(lián)構成, 共分為子模塊、閥模塊和閥塔三級結(jié)構, 整體布置更為簡潔緊湊。

1) 換流閥子模塊

換流閥子模塊是換流閥的最小電氣單元。換流閥子模塊采用3300V/1500A高壓大功率全控器件IGBT, 高速旁路開關最快合閘時間達到3ms, 直流取能電源動態(tài)響應快、可抗強電磁干擾。子模塊實施全數(shù)字化狀態(tài)監(jiān)測, 可實現(xiàn)納秒級驅(qū)動軟保護, 同時晶閘管可在大電流極低電壓下強制觸發(fā)。

圖2 換流閥子模塊剖視圖

2)換流閥閥模塊

閥模塊設計基于標準化的設計理念, 將其設計為一個標準化的單元, 根據(jù)不同的工程電壓等級來選擇閥模塊的串聯(lián)個數(shù), 以適應工程需要, 增強工程通用性。閥模塊由主體支撐框架、子模塊、光纖、水管、導線連接及其他固定結(jié)構件組成。

圖3 換流閥閥模塊前視圖

3) 換流閥閥塔

換流閥閥塔采用模塊化、積木式設計, 設計過程中綜合考慮了電磁場分布、空氣凈距、爬電距離、質(zhì)量分布、冷卻散熱和控制光纖布線需要, 同時還考慮到了機械強度、安裝及檢修更換等各方面的因素, 并在組裝和出廠試驗過程中實行了全過程工藝控制, 最大程度保證換流閥的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 M2000型換流閥閥塔

1.2主要二次設備

FLEXCON-VBC-1000型閥基控制設備主要實現(xiàn)M2000型柔性直流輸電換流閥調(diào)制、電流電壓平衡控制、閥保護、監(jiān)視及外界的通信功能, 是聯(lián)系上層控制系統(tǒng)與底層開關器件控制的樞紐。

FLEXCON-VBC-1000型閥基控制設備綜合運用現(xiàn)代電力電子技術、信號分析處理技術、計算機控制技術、計算機網(wǎng)絡技術, 采用多通道處理技術、冗余切換技術、高速數(shù)據(jù)處理技術、采用DSP及FPGA 的集中控制技術、光電信號轉(zhuǎn)換傳輸與屏蔽隔離技術等, 是基于中電普瑞電力工程有限公司多年來在直流輸電及電壓源換流器技術研究和應用方面的技術研發(fā)的技術設備。其主要特點如下:

控制規(guī)模: 2600及以上子模塊的實時有效控制。

等效控制周期: 10μs。

分層分級協(xié)調(diào)控制架構。

子模塊電容電壓不平衡度控制在±5%以內(nèi)。

支持在線燒寫。

模塊化設計, 便于安裝、易擴展。

2.方案特點

M2000型柔性直流輸電換流閥:

高抗擾的ns級高速IGBT驅(qū)動與短路保護技術, 有效保證關鍵器件的運行可靠性。

采用多物理場下設備失效機理分析與冗余設計, 提高換流閥的運行能力。

快速旁路開關閉合時間達到3ms, 可在極端工況下保護子模塊不受電氣應力沖擊。

直流取能電源具有寬輸入電壓范圍, 動態(tài)響應速度快, 抗強電磁干擾。

應用換流閥雜散參數(shù)抽取、電磁場建模與EMC設計, 增強換流閥抗干擾能力。

具備換流閥電氣及高效冷卻系統(tǒng)綜合優(yōu)化設計, 保證換流閥運行穩(wěn)定性。

FLEXCON-VBC-1000型閥基控制設備:

采用分層架構、模塊化設計思路, 方便系統(tǒng)容量的擴展。

控制規(guī)模: 2600及以上子模塊的實時有效控制。

應用完全雙重化設計, 提高設備運行可靠性。

采用高性能、嵌入式控制器, 運行頻率高達300M, 等效控制周期為10μs。

子模塊電容電壓不平衡度控制在±5%以內(nèi)。

橋臂環(huán)流不平衡度控制在±5%以內(nèi)。

具備程序集中燒寫能力, 大大提高閥控程序升級效率。

支持在線復歸, 方便一套閥控設備控制換流閥正常運行、另一套閥控設備進行檢修。

換流閥與閥控的故障檢測分辨率為125μs, 方便進行故障分析。