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厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介
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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(
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