高壓直流輸電換流閥晶閘管控制單元原理分析

陳興旺梁帥奇胡宗亞

（1、河南省汝州市電業(yè)公司，河南 汝州 467500 2、深圳邁瑞醫(yī)療電子股份有限公司 3、國(guó)網(wǎng)電科院繼電保護(hù)研究所，江蘇 南京 210003）

為了耐受更高的電壓，高壓直流輸電的換流閥都是由晶閘管級(jí)串聯(lián)組成的；例如貴廣直流輸電工程中，采用西門子的光控閥，每個(gè)換流閥體包含了78個(gè)晶閘管級(jí)；葛南直流工程中采用的是原BBC的電控閥，每個(gè)換流閥體則包含了120個(gè)晶閘管級(jí)。SVC(Static Var Compensator)中TCR(Thyristor Controlled Reactor)或 TSC(Thyristor Switched Capacitor)閥體，也根據(jù)補(bǔ)償?shù)碾妷旱燃?jí)和選用晶閘管的耐壓等級(jí)，由不同數(shù)量的晶閘管級(jí)串聯(lián)組成。如下所示為三廣直流工程換流閥中晶閘管級(jí)電氣連接的示意圖 (不同的閥體可能稍有區(qū)別)。每個(gè)晶閘管級(jí)一般都包括以下幾個(gè)部分：直流均壓電路 (圖示的R6和R7)、交流均壓電路 (圖示的R1/R3/C1/C2)、晶閘管控制單元TCU(Thyristor Controlled Unit)和晶閘管Th(Thyristor)。其中VCU(Valve Controlled Unit)為閥控單元，它負(fù)責(zé)向TCU發(fā)送光觸發(fā)信號(hào)FP(Fire Pulse)，接收TCU的光回報(bào)信號(hào)IP(Indication Pulse)。

一個(gè)晶閘管級(jí)中晶閘管控制單元是核心，它具有以下幾項(xiàng)基本功能：接收觸發(fā)命令觸發(fā)晶閘管，晶閘管過(guò)壓保護(hù)，反向恢復(fù)期間的dv/dt保護(hù)，監(jiān)視晶閘管狀態(tài)(正常、損壞或過(guò)壓保護(hù))并回送相應(yīng)的光脈沖信號(hào)IP。下面就以我們?cè)赟VC和直流融冰等項(xiàng)目中大量使用的TCU為例，分析它的工作原理。

1、取能。TCU的取能部分會(huì)通過(guò)上圖的Snubber Circuit和C3、R5得到約22V和11V兩種電源。通過(guò)調(diào)節(jié)阻容回路的參數(shù)，可確保C3、R5中流過(guò)電流的相位提前晶閘管兩端的電壓90度，電路的取能在晶閘管兩端的電壓還處在負(fù)半周的上升階段時(shí)就已經(jīng)開始；因此，當(dāng)晶閘管兩端電壓為正時(shí)TCU就儲(chǔ)備了足夠的能量，確保內(nèi)部電路正常工作。

2、回報(bào)光脈沖IP信號(hào)。共有兩種情況可產(chǎn)生IP，第一種情況是當(dāng)晶閘管兩端電壓達(dá)到約24V時(shí)，TCU向VCU發(fā)送IP脈沖，表明晶閘管級(jí)已滿足觸發(fā)條件，告訴VCU，可以發(fā)觸發(fā)脈沖FP了；相應(yīng)的，VCU只有在接收到IP脈沖后，才允許向TCU發(fā)送FP觸發(fā)信號(hào)；另一種情況是當(dāng)TCU監(jiān)測(cè)到晶閘管兩端的電壓達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)門檻值時(shí) (如6800V)，便自動(dòng)發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管，使晶閘管免于擊穿而損壞，同時(shí)在此刻也向VCU發(fā)出IP光脈沖，表明晶閘管處于保護(hù)性觸發(fā)的異常狀態(tài)；VCU內(nèi)部的可編程邏輯期間FPGA通過(guò)這兩種IP信號(hào)發(fā)生時(shí)刻的不同來(lái)區(qū)別某IP信號(hào)是電壓建立IP還是過(guò)壓保護(hù)觸發(fā)IP。另外，當(dāng)某一個(gè)晶閘管損壞時(shí)，則TCU無(wú)法發(fā)出IP信號(hào)，VCU會(huì)據(jù)此判斷該晶閘管已經(jīng)損壞；VCU程序會(huì)設(shè)置一個(gè)報(bào)警級(jí)別：如損壞2個(gè)時(shí)報(bào)警，大于2個(gè)時(shí)跳閘。

3、正常觸發(fā)。一般情況下，當(dāng)閥體解鎖后，TCU會(huì)在每個(gè)周波都收到來(lái)自VCU的光觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大等產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)所需要的電脈沖信號(hào)，觸發(fā)晶閘管。需要說(shuō)明的時(shí)，當(dāng)晶閘管被觸發(fā)時(shí)如果由于某種原因沒有導(dǎo)通，則這個(gè)觸發(fā)信號(hào)會(huì)持續(xù)加在晶閘管的門極直到它導(dǎo)通或其兩端電壓變負(fù)為止，TCU的這一特性也有效地保護(hù)了晶閘管。

4、保護(hù)性觸發(fā)。閥體在正常的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常發(fā)生的陡坡沖擊、局部不均壓或開通分散性等，這些都會(huì)引起個(gè)別晶閘管的正向過(guò)電壓；另外，在電信號(hào)通路或光信號(hào)通路由于損壞或性能下降的情況下，TCU無(wú)法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，而此時(shí)當(dāng)閥體中其它晶閘管級(jí)導(dǎo)通時(shí)，便也會(huì)在該晶閘管兩端瞬間產(chǎn)生一個(gè)高電壓；這時(shí)，如果不能在該電壓達(dá)到擊穿門檻電壓前迅速觸發(fā)晶閘管，該晶閘管就會(huì)被擊穿而損壞。TCU中的保護(hù)性觸發(fā)電路正是實(shí)現(xiàn)了這樣的功能。

如下圖2所示為TCU過(guò)壓保護(hù)電路示意圖。它的基本原理是：隨著晶閘管兩端電壓的升高，電阻R8上的電壓越大；另外，在TCU內(nèi)部通過(guò)模擬電路搭建一個(gè)基準(zhǔn)電壓，當(dāng)R8上的電壓大于該基準(zhǔn)電壓時(shí)，就產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管，同時(shí)回報(bào)過(guò)壓保護(hù)IP脈沖。通過(guò)調(diào)節(jié)R8的阻值，可以調(diào)節(jié)TCU的過(guò)壓保護(hù)門檻值，以適應(yīng)不同耐壓等級(jí)的晶閘管。

5、反向恢復(fù)保護(hù)。晶閘管在由導(dǎo)通到關(guān)斷的發(fā)向恢復(fù)期間，由于阻斷特性尚未完全恢復(fù)，此時(shí)如果在其兩端出現(xiàn)過(guò)高的dv/dt擾動(dòng)，就會(huì)損壞晶閘管。TCU的反向恢復(fù)保護(hù)功能就是在反向恢復(fù)期間探測(cè)dv/dt的變化率，當(dāng)dv/dt擾動(dòng)超過(guò)門檻值時(shí)便產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，從而保護(hù)晶閘管。如圖3所示為TCU反向恢復(fù)保護(hù)電路示意圖，它基本原理是：閥體解鎖后，當(dāng)TCU監(jiān)測(cè)到晶閘管兩端的電壓由導(dǎo)通到熄弧，即其兩端的電壓由零變?yōu)樨?fù)時(shí)，便啟動(dòng)時(shí)間窗口發(fā)生回路，這個(gè)時(shí)間窗口的寬度可根據(jù)晶閘管本身的特性要求進(jìn)行調(diào)整，一般為1ms以內(nèi)。如果dv/dt監(jiān)測(cè)回路在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)監(jiān)測(cè)到晶閘管兩端的電壓變化率大于門檻值 (這個(gè)門檻值也可根據(jù)晶閘管的特性進(jìn)行調(diào)整)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管。

6、總結(jié)與展望。上述以我們實(shí)際研制的TCU為例，分析了它的基本工作機(jī)理。該TCU裝置已經(jīng)大量應(yīng)用于SVC項(xiàng)目、直流融冰項(xiàng)目和高壓直流輸電換流閥運(yùn)行試驗(yàn)合成回路中。多年來(lái)的運(yùn)行情況表明，該TCU裝置性能可靠穩(wěn)定。

需要指出的是，TCU屬于高電位裝置，工作環(huán)境惡劣。因此，研制過(guò)程中，在滿足功能的前提下，抗干擾實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證是十分重要的，它直接決定了整個(gè)高壓閥體能否正常工作。我們除了對(duì)該裝置單獨(dú)進(jìn)行嚴(yán)格的EMC實(shí)驗(yàn)外；還實(shí)際搭建了高壓閥體，按照相應(yīng)的規(guī)范對(duì)整個(gè)閥體也進(jìn)行嚴(yán)格的型式試驗(yàn)；這個(gè)過(guò)程發(fā)現(xiàn)并解決了大量的問(wèn)題。這也是裝置大量使用且運(yùn)行穩(wěn)定的保證。

當(dāng)前，隨著更大容量的可關(guān)斷型功率器件如IGBT的不斷開發(fā)，輕型高壓直流輸電和SVG(Static Var Generator)也在快速發(fā)展，其中SVG有逐漸取代SVC的趨勢(shì)。它們的高壓閥體是由可關(guān)斷器件串聯(lián)而成的，造價(jià)更為昂貴；對(duì)應(yīng)于每個(gè)可關(guān)斷型器件也有一個(gè)控制單元，被稱為門級(jí)驅(qū)動(dòng)單元GDU(Gate Driven Unit)。在我們正在研制的GDU裝置中，它要監(jiān)視更多的狀態(tài)量，須以一定格式的光脈沖報(bào)文向上反饋更多的狀態(tài)信息；通過(guò)搭建模擬電路已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的邏輯。為此，我們采用了FPGA (Field Programmable Gate Array)來(lái)完成相應(yīng)的保護(hù)和監(jiān)視功能。FPGA的采用將成為未來(lái)功率器件控制單元的一個(gè)趨勢(shì)；但同時(shí)，F(xiàn)PGA運(yùn)行在強(qiáng)電環(huán)境中也對(duì)裝置本身的抗干擾性提出了更高的要求。

[1]寧鳳輝 ，趙中原 ，邱毓昌.三峽至常州±500 kV高壓直流輸電用晶閘管閥技術(shù)特點(diǎn).《高壓電器》， 2003年4期 .

[2]趙中原.方志.邱毓昌 高壓直流換流站技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 [期刊論文]-中國(guó)電力2002(03)

[3]Steffen Bernet Recent Development of High Power Converters for Industry and Traction Applications 2000(06).