作为国家电网公司高端装备研发企业, 南瑞集团中电普瑞电力工程有限公司一直把特高压直流换流阀装备研发作为重要工作方向, 经过多年技术攻关, 完成了M2000型柔性直流输电换流阀及FLEXCON-VBC-1000型阀基控制设备的开发设计工作, 并在KEMA见证下通过了IEC62501规定的所有型式试验, 成功通过国家能源局技术成果鉴定。
1.换流阀介绍
柔性直流输电技术广泛应用于风力发电等间歇式能源并网、重要负荷供电、孤岛供电、黑电网启动, 多端直流联网、弱系统联网等领域, 是构建智能电网最具特色的技术之一, 将给输电方式和电网架构带来重大变革。换流阀是柔性直流输电技术的核心设备, 担负着实现交直流电转换的任务, 具有技术难度高、集成度大、跨学科领域多、可靠性要求高等技术特点, 涉及大功率电力电子学、高电压绝缘、微电子控制、机械结构力学、电磁场以及高压试验技术等多个学科, 其研发技术一直是输电领域的制高点。
作为国家电网公司高端装备研发企业, 南瑞集团中电普瑞电力工程有限公司一直把特高压直流换流阀装备研发作为重要工作方向, 经过多年技术攻关, 完成了M2000型柔性直流输电换流阀及FLEXCON-VBC-1000型阀基控制设备的开发设计工作, 并在KEMA见证下通过了IEC62501规定的所有型式试验, 成功通过国家能源局技术成果鉴定。
1.1主要一次设备
M2000型换流阀应用了电力电子、计算机控制、高电压绝缘、高效冷却系统等技术的最新研究成果。换流阀拓扑结构如图1所示。
图1 M2000型换流阀拓扑结构
M2000型柔性直流输电换流阀采用模块化多电平拓扑, 由标准化设计的功率子模块级联构成, 共分为子模块、阀模块和阀塔三级结构, 整体布置更为简洁紧凑。
1) 换流阀子模块
换流阀子模块是换流阀的最小电气单元。换流阀子模块采用3300V/1500A高压大功率全控器件IGBT, 高速旁路开关最快合闸时间达到3ms, 直流取能电源动态响应快、可抗强电磁干扰。子模块实施全数字化状态监测, 可实现纳秒级驱动软保护, 同时晶闸管可在大电流极低电压下强制触发。
图2 换流阀子模块剖视图
2)换流阀阀模块
阀模块设计基于标准化的设计理念, 将其设计为一个标准化的单元, 根据不同的工程电压等级来选择阀模块的串联个数, 以适应工程需要, 增强工程通用性。阀模块由主体支撑框架、子模块、光纤、水管、导线连接及其他固定结构件组成。
图3 换流阀阀模块前视图
3) 换流阀阀塔
换流阀阀塔采用模块化、积木式设计, 设计过程中综合考虑了电磁场分布、空气净距、爬电距离、质量分布、冷却散热和控制光纤布线需要, 同时还考虑到了机械强度、安装及检修更换等各方面的因素, 并在组装和出厂试验过程中实行了全过程工艺控制, 最大程度保证换流阀的可靠性和稳定性。
图4 M2000型换流阀阀塔
1.2主要二次设备
FLEXCON-VBC-1000型阀基控制设备主要实现M2000型柔性直流输电换流阀调制、电流电压平衡控制、阀保护、监视及外界的通信功能, 是联系上层控制系统与底层开关器件控制的枢纽。
FLEXCON-VBC-1000型阀基控制设备综合运用现代电力电子技术、信号分析处理技术、计算机控制技术、计算机网络技术, 采用多通道处理技术、冗余切换技术、高速数据处理技术、采用DSP及FPGA 的集中控制技术、光电信号转换传输与屏蔽隔离技术等, 是基于中电普瑞电力工程有限公司多年来在直流输电及电压源换流器技术研究和应用方面的技术研发的技术设备。其主要特点如下:
控制规模: 2600及以上子模块的实时有效控制。
等效控制周期: 10μs。
分层分级协调控制架构。
子模块电容电压不平衡度控制在±5%以内。
支持在线烧写。
模块化设计, 便于安装、易扩展。
2.方案特点
M2000型柔性直流输电换流阀:
高抗扰的ns级高速IGBT驱动与短路保护技术, 有效保证关键器件的运行可靠性。
采用多物理场下设备失效机理分析与冗余设计, 提高换流阀的运行能力。
快速旁路开关闭合时间达到3ms, 可在极端工况下保护子模块不受电气应力冲击。
直流取能电源具有宽输入电压范围, 动态响应速度快, 抗强电磁干扰。
应用换流阀杂散参数抽取、电磁场建模与EMC设计, 增强换流阀抗干扰能力。
具备换流阀电气及高效冷却系统综合优化设计, 保证换流阀运行稳定性。
FLEXCON-VBC-1000型阀基控制设备:
采用分层架构、模块化设计思路, 方便系统容量的扩展。
控制规模: 2600及以上子模块的实时有效控制。
应用完全双重化设计, 提高设备运行可靠性。
采用高性能、嵌入式控制器, 运行频率高达300M, 等效控制周期为10μs。
子模块电容电压不平衡度控制在±5%以内。
桥臂环流不平衡度控制在±5%以内。
具备程序集中烧写能力, 大大提高阀控程序升级效率。
支持在线复归, 方便一套阀控设备控制换流阀正常运行、另一套阀控设备进行检修。
换流阀与阀控的故障检测分辨率为125μs, 方便进行故障分析。
