厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介

卓智伟

（福建省电力有限公司检修分公司福建厦门361000）

摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。目前常用的拓扑结构为模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。其中构成换流阀的基本原件即子模块。本文针对厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能做一个简要介绍。

引言

厦门柔直是世界首个采用对称双极接线方案的柔性直流工程，电压等级为±320kV，直流电流1600A，输送容量达1000MW。换流阀是其核心设备，常用的电压源换流器主要有两电平、三电平和模块化多电平三种。厦门柔直采用的是模块化多电平换流器，其制造难度和损耗较低，波形质量高。什么是模块化多电平换流器呢？就是将IGBT换流阀子模块一个一个串联起来，每一个子模块可以等效为一个电容，其额定运行电压为1.6kV，厦门柔直每个桥臂有200个子模块处于工作状态，通过控制投入和退出子模块的数量来实现阶梯正弦波。下面简单介绍构成厦门柔直工程换流阀的基本元件子模块的结构。

1、换流阀

换流阀是柔性直流输电工程中的核心设备，输电过程中的整流和逆变过程均通过换流阀完成。厦门工程换流阀采用模块化、积木式设计。每极换流阀A、B、C三相分上下桥臂共6桥臂18个阀塔构成，每个阀塔由12个阀模块构成，每个阀模块包含6个子模块。

2、子模块组成及结构

IGBT子模块是换流阀的最小电气单元，采用半桥结构，见下图2-1。由以下8个部分组成：旁路开关K、晶闸管T、直流电容器C、均压电阻R、直流取能电源、子模块控制器（CLC+GDU）、散热器和IGBT模块（IGBT-二极管反并联对：S1、S2）。

图2-1子模块电器结构示意图

3、旁路开关

3.1旁路开关结构：旁路开关主要由本体、操动机构、控制板三个部分组成。

3.2主要作用：由图2-1可以看到旁路开关与下管IGBT（S2）并联运行，其主要作用为隔离故障子模块，使其从主电路中完全隔离出来，而使故障子模块不影响整个系统的正常运行。

3.3技术参数：旁路开关额定电压设计为3.6kV，额定电流为1250A，合闸时间为≤3ms；顶部绝缘件为环氧树脂材料，其阻燃性为UL94-V0（UL94标准V-0：对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在30秒内熄灭，不能有燃烧物掉下）。

4、晶闸管

4.1晶闸管安装位置：由图2-1可以看到晶闸管T与旁路开关及下管IGBT（S2）并联安装。具

4.2主要作用：直流系统短路故障时，分流通过续流二极管的短路电流，有效避免续流二极管的热击穿。

4.3技术参数：全压接型普通晶闸管，断态重复峰值电压为3400V，通态平均电流为3200A；短路故障时晶闸管最大分流比达到91.5%，保证IGBT换流阀可耐受峰值不小于35kA。

4.4晶闸管功能测试：a、通态压降：25℃，通态压降≤1.8V。b、耐压：DC2.1kV外观：无变形。

5、直流电容器：

5.1直流电容器安装位置：由图2-1可以看到直流电容器并联在上下管IGBT两侧安装。

5.2主要作用：（1）与IGBT器件共同控制换流器交流侧和直流侧交换的功率；（2）抑制功率传输在换流器内部引起的电压波动。

5.3技术参数：无油干式电容器（阻燃、防爆），额定直流电压为2100V，设计电容值为10000uF。

6、直流均压电阻（直流放电电阻）：

6.1直流电阻安装位置：由图2-1可以看到直流电阻并联在直流电容器两侧安装。

6.2主要作用：（1）在IGBT换流阀闭锁时，实现各子模块的静态均压；（2）在IGBT换流阀停运时，对各子模块直流电容器进行放电

6.3技术参数：电阻值为25kΩ，额定电压为3500V，额定功耗600W，换流阀闭锁后的自然放电时间常数为250s。

7、直流取能电源：

7．1直流取能电源安装位置及外形：直流取能电源安装在子模块正面底部，其后端通过探针从直流电容处取得工作电压。

7.2主要作用：（1）为子模块的中控板（CLC）和IGBT驱动板（GDU）提供15Vdc电源；（2）为旁路开关的储能电容提供400Vdc的电源

7.3技术参数：

（1）输入电压由0上升至400Vdc时，取能电源板导通输出，在此之前闭锁输出

（2）取能电源板导通之后，在输入电压350Vdc~3000Vdc之间均能正常工作，否则闭锁输出（过压恢复电压2700Vdc）

7.4故障信号

取能电源故障类型主要有以下几种：1）输入过压、欠压保护；2）15Vdc输出过压、欠压保护；3）400Vdc输出过压、欠压保护；4）输出过流、短路保护；5）电源内部故障等。其通过一根光纤（FAULT）将故障信号反馈至子模块控制板，FAULT正常状态有光，故障状态无光。

8、子模块控制器（SMC）

8.1子模块控制器结构：包括一个中央逻辑控制器（CLC）和两个门极驱动单元（GDU）。

8.2主要功能：

1）过流保护（GDU）防止过流故障引起IGBT等器件损坏。

2）IGBT驱动故障保护（GDU）防止由于IGBT驱动故障引起的IGBT无法正常触发和关断。

3）取能电源故障保护（CLC）防止由于取能电源故障而引起SMC失电造成模块的误动作。

4）过压保护（CLC）防止子模块电容电压过高损坏IGBT等器件。

5）光通讯保护（CLC）将与VBC光通讯故障引起的不受控子模块旁路。

6）电压采集通路故障保护（CLC）将出现电压采集通路断路故障的子模块旁路。

9、水冷散热器

9.1水冷散热器选材：散热器材料选用采用6系列合金，具有中等强度、良好的塑性、优良的耐蚀性及冷加工性好。

9.2水冷散热器结构：IGBT散热器通过较小口径的PVDF管连接起来。PVDF管的接头上配有采用三元乙丙橡胶材料的〇型密封圈，管接头与散热器间采用螺纹连接。

9.3工作要求：支路水流量应均匀，且不小于6L/min。

10、IGBT模块

10.1IGBT模块组成：内部包含IGBT芯片和反并联二极管，是柔性直流的核心功率器件。

10.2IGBT模块技术参数：额定电压VCE=3300V，额定电流Ic=1500A，驱动电压UGE≤±20V

结语：随着柔性直流换流阀IGBT子模块等核心元器件制造工艺、技术的不断进步，柔性直流输电输送容量、电压等级不断提高，系统损耗和成本的不断下降，各国能源战略和能源结构的不断优化调整，柔性直流输电必将在全世界得到更快的发展。

参考文献：

[1]厦门柔性直流换流站运维规程．[2017].172