一种基于ANSYS Mechanical的柔性直流输电换流阀机械应力及抗震仿真分析方法
骆妮，苟锐锋，杨晓平，马志荣
（西安西电电力系统有限公司，西安市西三环西辅道2号，710075）
摘要：基于ANSYS Mechanical有限元软件，通过对柔性直流输电换流阀实体模型合理的简化和模拟，建立柔性直流输电换流阀阀塔的有限元模型；通过加重力载荷、地震响应谱及约束等边界条件，分别对柔性直流输电换流阀整机有限元模型进行机械应力计算和抗震性能分析。在分析计算中考虑结构的大变形效应，并考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，对换流阀模型进行机械应力及抗震仿真计算，为换流阀的结构进一步优化设计和建造施工提供有力的技术手段支持。
关键词：柔性直流输电；梁单元；机械应力；抗震
1引言
随着人类对能源需求的不断增长和全球一次能源的逐渐枯竭，风能和太阳能等可再生能源发电已成为电力系统的发展方向。柔性直流输电系统具有经济、灵活和高可控性的特点，可以将这些分散以及远离主电网的清洁能源通过经济、环保的方式接入交流电网。与传统直流输电技术相比，柔性直流输电系统运行时交流系统无需提供电源，换流站有功无功独立控制，能够抑制电压波动、潮流波动、电压闪变等问题，极大地增强了输电的灵活性，可以降低可再生能源间歇性和波动性对系统的影响，提高并网效率和可靠性，满足大规模可再生资源并网需求，应用前景非常广阔[1][2]。
柔性直流输电是我国输电方式的发展趋势，换流阀机械应力计算及结构抗震性能分析直接影响整个换流阀系统结构的稳定性和地震安全性[2]。国内直流输电工程的建设，吸引了诸多专家学者在换流站抗震方面的研究。文献[3]、文献[4]等通过建立完整的换流站有限元模型仿真计算换流站的地震响应，文献[5]通过数值计算和实验检测的方法分析了阀厅的动态特性，并且他们都讨论了阀厅和阀塔的相互影响作用。但以上换流站抗震方面的研究仅限于传统直流输电换流阀，对柔性直流输电换流阀的机械应力及抗震性能分析目前未见报道。本文以±350kV柔性直流输电换流阀为例，基于ANSYS Mechanical有限元分析软件，建立精确的换流阀塔的有限元模型,通过模态分析计算结构的动态特性，分别对换流阀整机有限元模型进行机械应力计算和抗震性能分析，在分析计算中考虑结构的大变形效应,并考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，从机械应力和抗震特性
两个方面对阀结构设计的合理性进行了准确、有效的论证。
2柔性直流输电换流阀结构特点
换流阀是柔性直流输电系统的核心设备，本文所举换流阀采用支撑式结构，阀塔以一定的布置方式支撑于阀厅内。每个阀塔4层，顶部和层间均装有防护屏蔽罩，每层由48个功率模块组成，层间由高强度复合材料螺栓连接。阀塔与地面由12串支柱绝缘子连接。层间各由12串绝缘子连接。阀塔总重350kN。阀塔结构如图2.1所示。
图2.1±350kV柔性直流输电换流阀结构
阀塔的屏蔽罩结构采用硬质铝材料，安装部件承重绝缘横梁和层间框架均采用结构钢材料，支柱绝缘子及层间绝缘子采用有机材料。换流阀各关键部件材料属性如表2.1所示：
表2.1换流阀各关键部件材料属性
部件名称密度（kg/m3）弹性模量（GPa）泊松比
绝缘子2000140.3
绝缘横梁1950210.3
屏蔽罩27707.10.33
其余部件78502000.3
3有限元模型建立与边界条件设定
3.1有限元模型建立
如图2.1所示，柔性直流输电换流阀机械结构庞大而复杂，有限元模型建立
时，如果采用实体单元，因为模型尺寸较大会导致有限元模型的节点数太多而占用大量的计算机资源，给仿真计算带来不便。由于柔性直流输电换流阀各关键结构件均由均质材料制成，其抗拉和抗压弹性模量相等，且绝缘横梁、绝缘子、层间框架等结构件的长度远大于厚度[6][7]，本文针对柔性直流输电换流阀的该结构特点，在不影响计算精度的前提下，采用梁单元建模方法可以大大减少有限元模型的节点数，从而节省资源，简化计算。
针对图2.1三维实体模型，在ANSYS15.0中建立阀塔的梁单元有限元模型,遵循以适度简化并尽可能模拟实际结构的原则,将电容、控制箱等功率模块全部用质量点代替。建模中坐标系为右手笛卡尔坐标系,水平横向为X轴,水平纵向为Y轴,竖直向为Z轴。对建立的梁单元模型进行网格剖分，建成后的有限元模型共8035个节点，9012个单元。柔性直流输电换流阀有限元模型如图3.1所示。
图3.1换流阀整机有限元模型
3.2机械应力边界条件设定
阀塔静力分析中比较关注整机的变形量与应力，所有部件均采用固结（bond）进行连接，形成一个整体。在静力作用下，换流阀仅在重力作用下发生变形，因此本文从安全的角度出发，载荷方式为考虑重力作用下，计算整机的强度和变形量。加载公式如式（3-1）所示：
G=mg（3-1）
式中G表示换流阀所受到的重力，m表示换流阀整机质量，g为重力加速度，本文取9.8N/kg。
阀塔支撑于阀厅中，因此其约束为固定约束，约束面为对地绝缘子12个底面。
3.3抗震分析边界条件设定
3.3.1反应谱
抗震分析计算方法包括静力法、反应谱法和时间历程法。在我国建筑抗震规范中推荐采用反应谱法和时间历程法。静力法不考虑结构的动态特性,现在已很少应用。时间历程法动态模拟较为准确,但其计算量大,且地震响应依赖于地震波的选取。反应谱法理论较为成熟,操作简单,并在工程抗震分析中应用较为广泛。文中采用反应谱法作为抗震分析的计算方法。
根据换流站设计技术规定换流阀厅建筑抗震设防类别为乙类[8]。地震影响系数曲线应根据烈度、场地类别、特征周期分区和结构自振周期按图3.2采用[10]。
图3.2地震影响系数曲线
图中，α—地震影响系数；
α—地震影响系数最大值；
max
T—结构自振周期；
T g—场地相关反应谱特征周期，按《建筑抗震设计规范》GB50011确定；
γ—曲线下降段的衰减指数
η—直线下降段的斜率；
1
η—阻尼调整系数。
2
按基本地震加速度0.1ｇ的地区设计地震反应谱，设防烈度7度，多遇地震，根据建筑抗震规范水平地震影响系数最大值0.23，特征周期0.40ｓ，考虑竖向地震的作用，竖向地震影响系数最大值0.12。结构阻尼比偏于安全考虑取0.02[9]。
地震反应计算方法采用反应谱法，计算中考虑两个水平向和一个竖直向的地震激励作用,考虑重力作用,并考虑结构的大变形效应和初始的预应力效应。在求解计算中采用工况组合的计算方法,分别将3个方向的地震作用和重力作用作为4个计算工况,并依据最不利组合原则，先将3个方向的地震作用计算结果以平方和开方的方法进行组合,再与重力作用计算结果的绝对值相叠加。
3.3.2模态分析
通过模态分析,计算分析换流阀塔的动态特性,主要包括自振频率和模态振型。在计算地震作用的过程中提取结构的模态解,也可作单独的模态分析求解。在模态求解中考虑预应力和结构的大变形,模态提取方法采用Ansys mechanical 平台中的模态分析模块，提取前20阶模态分析结果。换流阀塔模态求解结果见表3.1。
表3.1换流阀塔模态分析结果
阶数自振频率（HZ）振型描述
1 3.5985X向摆动
2 6.0932Y向摆动
3 6.5314Z向扭转
4 6.5966X向摆动
5 6.6034Y向摆动
6 6.6039Z向扭转
7 6.6039X向摆动
8 6.6091X向振动
159.3647Y向振动
2010.598Z向振动
换流阀塔的X向和Y向的水平摆动振型，自振频率较低,振幅较大,且由下向上振幅依次增大。Z轴的扭转和X向、Y向振动振型,自振频率低,振幅稍大。Z 向振动振型,模态阶次较高,自振频率稍高,振幅稍小。
4仿真结果分析
4.1机械应力仿真结果
在上述载荷和网格划分基础上，对换流阀模型进行机械应力计算。阀塔整机及关键部件静力学分析结果的变形量、应力分别如图4.1及图4.2所示：
图4.1阀塔静力学分析等效位移图4.2阀塔静力分析等效应力
换流阀在静力作用下的最大响应位移和最大响应应力分别如下表所示：
表4.1
最大响应应力和极限强度项目
最大响应位移（mm ）最大响应应力（MPa ）极限强度（MPa ）阀塔框架
1.4 1.67235绝缘横梁
0.343.8317支柱绝缘子
1.18 5.5235复合材料0.160.24
1.3在重力作用下，对换流阀进行机械应力分析的结果表明，阀塔整机在重力自重作用下发生了整体的形变，最大变形发生在上层层间拉杆部分,最大等效变形量约为1.4mm 。阀塔整机的等效应力主要集中在承重的绝缘横梁和中间框架上，阀塔整机最大弯曲应力出现在底层中间框架与支柱绝缘子接触的位置，最大弯曲应力约为43.8MPa 。校核结果表明，阀塔的主要受力结构件满足强度要求，并有一定的安全冗余。
4.2抗震性能结果分析
对阀塔整机与大地接触部分加载地震图谱，计算阀塔整机及关键连接件的强度和变形量。阀塔整机的约束为固定约束，即约束阀塔整机与地面接触端面上的所有自由度。换流阀塔在7级地震烈度下的水平X 方向、水平Y 方向及竖直Z 方向的仿真结果分别如图4.2（a ）、（b ）、（c ）所示。
图4.2（a）阀塔水平X方向抗震分析位移及应力结果
图4.2（b）阀塔水平Y方向抗震分析位移及应力结果
图4.2（c）阀塔竖直Z方向抗震分析位移及应力结果
计算换流阀塔地震作用和重力作用的各步计算工况,计算组合工况,提取求解结果,分析换流阀塔的地震响应。换流阀塔的最大响应位移和最大响应应力见表4.2。
表4.2换流阀抗震分析最大响应应力
项目最大响应位移（mm）最大响应应力（MPa）
水平X向12.88.88
水平Y向128.25
竖直Z向 1.48.8e-3
重力作用 1.44 1.67
经以上分析计算表明，阀塔整机在7级地震烈度作用下发生了变形，换流阀塔的位移响应主要是水平的摆动,越往顶端摆幅越大。阀塔整机的应力主要集中在绝缘横梁与阀塔中间框架接触位置，该位置相对其他位置承受位移变化更加剧烈，最大弯曲应力值约为8.8MPa，而换流阀主要结构件的许用应力约为235MPa。校核结果表明，阀塔的主要受力结构件满足强度要求，并有一定的安全冗余。
5结论
本文采用梁单元对柔性直流输电换流阀塔进行概念建模，通过对换流阀实体模型合理的简化和模拟，真实再现了柔性直流输电换流阀的完整结构。在保证计算精度的同时，节省了大量计算机资源，大量简化了有限元节点数，提高了计算速度。通过对±350kV柔性直流输电换流阀有限元模型设定重力载荷、地震反应谱、约束等边界条件，在分析计算中考虑结构的大变形效应，并考虑地震载荷和重力载荷的组合作用，真实呈现了柔直换流阀塔的机械应力及抗震性能。经实际测量，本文对柔直换流阀的机械应力仿真结果与实际换流阀塔在重力作用下的最大变形量测量结果基本吻合，验证了该方法对柔性直流输电换流阀机械应力及抗震性能仿真的正确性。
参考文献
[1]刘隽，何维国，包海龙.柔性直流输电技术及其应用前景研究[J].供用电，2008,25（1）：6-7.
[2]刘爱国，陆道纲，温家良，闻福岳.直流换流阀抗震分析技术的研究[J].振动与冲击,2011,30（2）：226-230.
[3]马勇杰.换流阀站阀厅结构选型与抗震分析[J].电力建设,2009,30(2):37-40.
[4]刘宗辉,朱海华,叶盛.特高压换流阀站阀厅悬吊阀地震作用研究[J].南方电网技术, 2009,3(1):24-26.
[5]黄利军.阀厅结构的振动测试与非线性动力分析研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.
[6]李兵,何正嘉,陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化.北京；清华大学出版社，2008.
[7]李兵，陈雪峰，卓颉.ANSY工程应用.北京；清华大学出版社，2010.
[8]DL/T5223-2005T echn icalRu le for Design ing HVDC Converter Station[S].
[9]GB/J50011-2001C ode for Seism ic Des ign of Bu ild ings[S].
[10]Larder R A,Gallagher R P,Nilsson B.Innovative seismic design aspects of the Intermountain Power Project Converter Stations[J J.IEEE Transactions on Power Delivery,1989,4(3):1708
-1714.
作者简介：骆妮（1987—），女，工程师，工学硕士，华北电力大学，西安西电电力系统有限公司，主要从事电力电子技术在柔性交流和柔性直流输电系统中的应用开发研究工作，luon@https://www.doczj.com/doc/da17873481.html,。
苟锐锋（1959—），男，教授级高级工程师，西安交通大学，西安西电电力系统有限公司，长期从事高压直流输电技术、柔性直流输电技术等领域的工作。
杨晓平（1978—），男，工程师，博士研究生，西安交通大学，西安西电电力系统有限公司，主要从事柔性直流输电技术领域的研究工作。
特高压直流输电中换流阀施工技术研究李昊 发表时间：2019-11-21T11:17:19.017Z 来源：《电力设备》2019年第14期作者：李昊1 樊功帅2 李为成3 [导读] 摘要：特高压直流输电技能是指利用直流电压进行输电的技能。 （许继集团许继柔性输电分公司河南省许昌市 461000） 摘要：特高压直流输电技能是指利用直流电压进行输电的技能。直流输电作为特高压输电的一种方法，是处理高压、大容量、远距离输电和网络互联等问题的重要手段。遵循需求扩张电力系统和电力电子技能的开展，特高压直流输电技能越来越成熟，变频器站作为特高压直流输电的龙头，特别是高可靠性要求，特别是在阀中心元素，不能算人民币部分组装，复杂的结构和装置难度高。 关键词：特高压直流输电；换流阀；施工技术；研究 1特高压直流输电 1.1特高压直流输电性能特点 特高压直流输电原理如下：发电体系宣布通讯电力后，提高了电压后，在发送端矫正通讯电力转换器为高压直流电，然后将高压直流发送到接纳端经过直流输电线路，然后接纳端回转直流到交流电力转换器，最后发送的权利在发送端电网。与通讯传输比较，直流传输技术具有线路成本低、传输容量大、传输距离长、控制灵敏、节省传输走廊占地面积等特色。因此，特高压直流输电技术是我国电力长距离大规模输电的必然选择。 1.2主接线方式 中国±800kV特高压直流输电变流阀采用双12脉冲阀串联结构，如图1所示。其电压组合包括±400kV+±400kV、±500kV+±300kV、 +600kV+±200kV3三种方式。一般选用±400kV+±400kV组合（如上海庙至山东临沂换流站）。双12脉冲阀的主接线应按操作要求配置旁路开关，根据操作条件切换操作方式。双12脉冲阀可在全电压、单极全电压、单极半电压运行。 图1 双12脉冲阀组串联结构 2换流阀施工技术研究 2.1换流阀的工作原理 换流阀是特高压直流输电中完成整流和逆变功用的重要设备。它是特高压直流输电体系的要害部件。它的运转与整个特高压直流体系的平稳运转密切相关。换流阀安装在室内，具有空气绝缘和水冷却功用。阀门类型包括水银阀、晶闸管阀和IGBT阀。为了满意电力运送的需求，变电站多采用可控硅阀。换向器阀由可控硅、可控硅操控单元、阻尼电容、饱和电抗器、阻尼电阻、电压均衡电容、电压均衡电阻等部件组成。晶闸管是换流阀的核心元件，换流阀的流量取决于晶闸管的质量。经过串联多个晶闸管元件，可以获得所需的体系电压。有单阀、双阀、四阀，两个单阀可构成一个双阀，两个双阀可构成一个四阀。单桥整流是换向阀的核心原理，换向效果是经过晶闸管、电抗器、阻尼电阻等元件的组合来完成的。原理如图2所示。 换流阀单导通时，传导有两种情况，一种是正向电压，一种是触发电流。换向阀封闭要求电流降为零，即便电压降为零，只要电流，
柔性直流换流阀在线监测技术研究 发表时间：2018-08-17T10:05:46.513Z 来源：《电力设备》2018年第14期作者：卓智伟[导读] 摘要：柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术。换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。换流阀设备一旦出现故障，不仅会导致直流输电的停运，甚至引发重大的安全事故。本文针对厦门柔性直流换流站的换流阀讨论了针对子模块的在线监测技术。 （福建省电力有限公司检修分公司福建厦门 361000）摘要：柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术。换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。换流阀设备一旦出现故障，不仅会导致直流输电的停运，甚至引发重大的安全事故。本文针对厦门柔性直流换流站的换流阀讨论了针对子模块的在线监测技术。 引言 柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电之后的新一代输电技术，在控制传输电能的同时可独立调节无功功率。柔性直流输电不存在换相失败问题，无需配置滤波及无功补偿设备，易于构建多端直流网络，具备黑启动能力。可以解决目前交直流输电面临的诸多技术瓶颈，可以改善风电接入性能，大大提高低电压穿越能力和系统稳定性，是远距离海上风电并网的唯一技术手段。该技术的出现，为新能源发电并网、大型城市中心负荷供电、孤岛供电、多端直流联网提供了一个崭新的解决方案，是构建智能电网的重要技术手段。换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。换流阀设备一旦出现故障，不仅会导致直流输电的停运，甚至引发重大的安全事故。引发换流阀设备出现故障有很多原因，在线监测技术能够及时发现并排除设备的安全隐患。因此，开展柔性直流输电换流阀在线监测技术研究，能够大大提高换流阀运行的安全可靠性，降低各种安全事故的风险。电力电子器件的结温严重影响着其工作可靠性，结温过高与结温波动过大都会对电力电子器件的性能造成影响，因此，获取电力电子器件的结温对其优化设计、可靠性分析、寿命预测等具有重要作用。对于金属化薄膜电容器，随着电容器的老化，容值会逐渐的衰减，造成子模块电压波动变大，甚至影响系统稳定运行。因此必须对电容进行容值的监测。 1、IGBT结温监测技术 1.1光纤测温原理 光纤光栅是利用掺有锗离子的光纤纤芯材料的光敏性，通过紫外激光将入射光的相干光场曝光到光纤的纤芯之中，使原本沿光纤纤芯轴向均匀分布的折射率发生永久性的周期性变化，此形成的一种光学结构被称为光纤光栅。光纤光栅具有高的反射特性、选频特性和色散特性，波长移动响应快，线性输出动态范围宽，能够实现被测参量的绝对测量，不受发光强度影响，对于背景光干扰不敏感、小巧紧凑、易于埋入材料内部，并能直接与光纤系统耦合。光纤光栅的反射波长与光栅周期及纤芯有效折射率有关，由于光纤Bragg 光栅（FBG）对外界环境敏感，当光纤光栅外部环境温度发生变化时，会产生热光效应和热膨胀效应，分别影响光纤光栅纤芯的有效折射率和栅格常数，导致FBG 的反射波长发生偏移，通过对反射波长偏移量的测定，可以间接测量外界物理量的变化。因此，基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对光纤光栅反射波长的调制来获得传感信息。下图是光纤光栅的工作原理图。 因此IGBT结温可使用光纤测温法测出。 1.2 IGBT 参数法测温原理 IGBT本质上是一个由MOSFET驱动的BJT管，因此结构与MOSFET十分相似，差别仅在于它是P+衬底，而MOSFET是N+衬底。 IGBT的饱和压降为在门极电压驱动下IGBT工作于饱和区时，IGBT集电极（C）与发射极（E）之间的电压。由IGBT的内部结构可知，IGBT的正向饱和压降由两部分组成，即二极管压降和MOS沟道压降。二极管的压降呈现负温度系数的电阻特性，而MOS沟道电阻随温度的升高而增大，因此沟道压降随温度的升高而升高。这使得IGBT的正向压降在不同的正向电流下呈现不同的温度特性。当电流较小时，沟道压降影响较小，IGBT的正向伏安特性与二极管相似，具有负温度系数，而当电流较大时，沟道压降起主要作用，IGBT的正向压降具有正温度系数。 实验测量结果证实在热稳态和热瞬态过程中，IGBT的正向饱和压降与温度的关系只与芯片内部结构和集电极电流有关，与封装结构等无关。故IGBT结温也可由测量IGBT运行过程中的电压及电流参数推算得出。 2、电容监测原理 由于子模块电容容值C 满足式2.1：
ICS 中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG XXXXX—2015 柔性直流输电换流器技术规范 Technical specification of converters for high-voltage direct current (HVDC) transmission using voltage sourced converters (VSC) （征求意见稿） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施 中国南方电网有限责任公司发布
目次 前言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 3.1 额定直流电流 rated direct current (1) 3.2最大直流电流maximum direct current (2) 3.3 短时过载（过负荷）直流电流short time overload direct current (2) 3.4 额定直流电压rated direct voltage (2) 3.5 额定直流功率rated direct power (2) 4 文字符号和缩略语 (2) 4.1 文字符号 (2) 4.2 缩略语 (2) 5 使用条件 (2) 5.1 一般使用条件的规定 (3) 5.2 特殊使用条件的规定 (3) 6 技术参数和性能要求 (3) 6.1 总则 (3) 6.2 换流器电气结构 (4) 6.3 阀设计 (5) 6.4 机械性能 (6) 6.5 电气性能 (7) 6.6 冗余度 (7) 6.7 阀损耗的确定 (8) 6.8 阀冷却系统 (8) 6.9 防火防爆设计 (8) 6.10 阀控制保护设计 (8) 7 试验 (9) 7.1 试验总则 (9) 7.2 型式试验 (9) 7.3 例行试验 (11) 7.4 长期老化试验 (11) 7.5 现场试验 (12) 8 其它要求 (12) 8.1 质量及使用寿命 (12) 8.2 尺寸和重量 (12) 8.3 铭牌 (12) 8.4 包装和运输 (12)
特高压直流输电换流阀短路保护原理及特性研究 摘要：随着特高压直流输电(UHVDC)技术的发展，直流输电已经成为了远距离大 容量输电的主要模式，直流输电已得到了越来越广泛的应用。在大电网时代，直 流输电不仅成为交流输电的一种有力补充，而且成为了电力系统中最具有重要经 济和技术意义的环节之一，成为了国内电力科研工作者研究的重要方向。换流器 是高压直流输电系统中最为关键、复杂且昂贵的元件，其故障形式和机理、保护 配置和原理与交流系统有着很大的不同。 关键词：特高压；直流输电；换流阀；短路保护；原理；分析 1导言 特高压直流输电系统以其更远的输送距离，更大的输送功率，更大区域的非 同步互联，更低的功率损耗，灵活的功率调节，更低的线路造价等优势而被越来 越多的应用在电力传输领域。特高压直流输电换流阀的本体，作为关键设备，其 运行稳定性、安全性、可靠性是通过设计、制造、安装、调试的全过程质量控制 才能得以实现的。特高压直流输电换流阀的安装过程，是换流阀从图纸和零部件 完成到实体阀的最后关键阶段，需要对整个安装过程中影响特高压换流阀性能的 关键节点进行合理控制，才能彻底保证特高压换流阀的优良品质，实现更好的长 期稳定运行。 2阀短路保护(VSCP)检测原理 为了保护换流阀免受由于换流变压器压器直流侧短路造成的过应力破坏，特 高压直流输电系统中均设置了阀短路保护;该保护主要通过测量换流变压器压器阀侧电流(IVY，IVD)和直流极母线电流(IDC1/2P)和中性线电流(IDC1/2N)，并计算出最大的换流变压器压器电流和最大的直流电流，正常运行时这2个值是平衡的。当 换流变压器压器阀侧电流幅值高于直流电流则可作为阀短路或其他相间短路的判据，在交流侧电流过大时，换流器被立即跳闸。 3特高压直流输电换流阀 特高压直流输电工程通常采用双极十二脉动换流器单元系统，电压等级在 ±800kV及以上，电流可以从4000A到最高6250A。该特高压双极直流输电系统包括2个完整的可独立输电的单极直流系统，即极1直流系统和极2直流系统。每 个完整的单极系统包含2个单极换流器单元，分别安装在整流换流站和逆变换流站。每个换流站内的单极换流器单元由2个12脉动阀组串联组成。一个阀厅仅 包含一个12脉动阀组。因此每个换流站共分四个独立阀厅，即极1高压阀厅、 极1低压阀厅、极2高压阀厅、极2低压阀厅。锡盟站换流阀设备由西安西电电 力系统有限公司自主制造，换流阀采用空气绝缘、水冷却的户内悬吊式双重阀结构。每个阀厅换流阀阀组由6个双重阀阀塔组成。根据电流流向不同，双重阀阀 塔分为2种结构，即电流上结构和电流下结构。阀侧星形接法的3相双重阀阀塔 是其中一种结构，阀侧三角形接法的3相双重阀阀塔是另一种结构。每个阀厅换 流阀阀组通过冷却水管、管母金具、光纤分别与换流阀冷却系统、换流变压器、 换流阀控制单元对应连接。在换流阀整体设计中，综合考虑了各种相关的复杂因素，如过电压与绝缘配合、阀电子电路单元抗电磁干扰、主回路电气件合理布局 和散热、换流阀的防火和抗震等要求、机械性能和电气性能要求、安装维护便捷 要求等，按特定装配工艺，将换流阀的各个组成部件通过标准化作业组装在一起，具有安装快捷，维护方便的特点，有效保证了换流阀和整个直流输电系统的稳定性、可靠性及安全性。
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
±800kV/5000A自主化换流阀性能分析 马元社，李侠，刘宁，娄彦涛，张雷 （西安西电电力系统有限公司，陕西省西安市 710075） 摘要：文中介绍了西电电力系统公司(XDPS)自主研制的±800kV/5000A换流阀主要参数。从换流阀的电压耐受能力、电流耐受能力和大角度运行能力详细分析了自主设计换流阀的主要性能。在国家高压电器检测检验中心通过的型式试验验证了所设计换流阀性能可靠，满足实际工程应用。 关键词：特高压直流；换流阀；电压应力；电流应力 1引言 特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低的优势,是实现我国能源资源优化配置的重要途径之一[1]。目前我国已经建成的特高压±800kV直流工程有云南-广东和向家坝-上海直流工程，在建的有锦屏-苏南直流工程，已经开始招标的有哈密-郑州直流工程，十二五期间我国还将有数条特高压直流工程开始建设，其社会经济效益显著。随着我国特高压直流工程技术的不断发展以及我国社会经济发展的需要，自主研制±800kV特高压直流输电工程换流阀对于我国打破国外技术垄断，提升我国特高压直流工程国产化水平具有重要意义。 2011年11月西安西电电力系统有限公司设计具有自主知识产权的特高压±800kV/5000A换流阀研制成功，在国家高压电器检测检验中心通过了全部型式试验，并于2012年1月通过了国家能源局组织的国家级鉴定，技术指标达到国际先进水平。文中对西安西电电力系统有限公司研制的±800kV/5000A换流阀进行了介绍，重点对换流阀的性能进行了分析。 2±800kV/5000A换流阀设计参数 (1)环境条件 表1 阀厅内使用条件 名称参数 全封闭户内，微正压，带通风和空调 长期运行温度范围＋10～＋50℃ 最高温度＋60 ℃ 最低温度＋5 ℃ 长期运行湿度50%RH 最大湿度60%RH 地面水平加速度0.2 g 海拔高度不超过1000m (2)电气参数 为了满足不同工程的不同技术要求，换流阀采用标准化设计，模块化设计是实现标准化的最好途径。工程运行表明，模块化设计具有良好的可用率、高的可靠性及最经济的工程造价[2]。自主设计±800kV/5000A换流阀采用模块化设计，模块示意图见图1。
厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介 发表时间：2018-10-17T10:32:57.787Z 来源：《电力设备》2018年第19期作者：卓智伟 [导读] 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。（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）
云广±800 kV直流输电系统串联双阀组换流 变分接开关125℃闭锁调整分析及处理 陈灿旭 （中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州 510663） 摘要：总结分析了云广±800 kV直流输电工程中换流变分接开关125℃闭锁调整的原因，对其存在的风险进行深入剖析，最后提出有效的处理措施，降低云广特高压直流输电系统闭锁的风险。 关键词：特高压直流工程；换流变分接开关；闭锁调整； 1引言 云广特高压直流系统是世界范围内第一个±800kV特高压直流输电系统，每极采用双12脉动阀组串联运行的结构形式[1][2]，每个阀组都由阀组控制系统独立控制，双阀组由极控系统协调控制，当双阀组均处于解锁状态时，双阀组的运行工况基本相同，阀组两端的直流电压也基本相同。但当其中一个阀组的换流变分接开关控制故障时，原有的平衡运行工况就会被打破，若故障一直持续，就会加剧双阀组间的不平衡，严重时引起阀组跳闸。自2009年底投运以来，多次出现分接开关异常情况，较常见且风险较大的是分接开关125℃闭锁调整，本文首先介绍云广特高压直流输电系统换流变分接开关的工作过程，接着对换流变分接开关125℃闭锁调整功能回路进行详细分析，然后对其存在的风险进行深入剖析，最后提出有效处理措施，以降低云广特高压直流输电系统闭锁风险。 2真空分接开关结构及工作过程 云广直流输电系统换流变电气上均为单相双绕组换流变，而高端HY换流变为三主柱两旁轭的铁芯绕组结构，其网侧有三个并联的分绕组，而其他换流变是两柱两旁轭的铁芯绕组结构，相应网侧有两个并联分绕组。相应的，穗东站使用MR公司两种参数相似的真空分接开关，其包含若干熄弧用的主触头真空泡，相比依靠油来灭弧的油浸式分接开关，真空分接开关的维护量更少，灭弧性能更优，而且不会引起油的碳化。 真空分接开关结构主要包括电动机构、分接选择器和切换开关三部分。电动机构主要是由传动机构、控制结构和电气控制设备、箱体等组成。分接选择器是能承载电流，但不接通和开断电流的装置，它由级进选择器、触头系统和转换选择器组成。真空分接开关与油浸式分接开关最大的不同就在切换开关的结构上，图1为从HY高端换流变分接开关油室内部取出来的切换开关实物图。
柔性直流输电 一、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，
南京工程学院 远距离输电技术概论 班级：输电112 学号： 206110618 姓名：钱中华 2014年12月10日
目录 0.引言 (3) 1.研究与应用现状 (3) 2.原理 (4) 3.特点 (5) 4.关键技术 (6) 5.发展趋势 (7) 6.小结 (9)
柔性直流输电技术 0.引言 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程， 详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。 1.研究与应用现状 自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的滤波和无功补偿装置；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。 其先研究主要发展有一下几项基本技术： 1.高压大容量电压源变流器技术 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 （1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 （2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 （3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 （4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大）， 不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
1. 换流器阀所用器件的对比。 （1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 （2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 （1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。 （2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。（3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。 3. 换流站控制方式的对比。 （1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。
高压直流输电换流阀水冷系统介绍及分析 【摘要】高压直流输电系统换流阀水冷系统是直流换流站特有的辅助系统，由于其机械回路和控制保护回路均比较复杂，极易因其故障危及高压直流输电系统的安全运行。本文通过对目前运用的两种换流阀水冷系统的分析比较，找出其回路和原理差异，提出预防手段及改进措施，可以提高运行维护手段，避免设备事故的发生，保障电网的安全可靠性。 【关键词】高压直流;水冷系统;分析 一、换流阀水冷系统组成 高压直流输电系统每极可控硅阀配置一套独立的水冷却系统。该系统由两个冷却循环系统组成： 一是内冷水循环系统，通过低含氧量的去离子水对阀进行冷却; 二是外冷水循环系统，通过冷却塔对内冷水进行冷却。 内冷水系统主要由主循环泵、补水泵、主通道过滤器、去离子交换器、脱氧罐、膨胀罐、补水箱、氮气罐、旁通阀等组成。 外冷水系统主要由喷淋泵、排水泵、外冷水循环过滤器、冷却塔及其风扇、化学药剂容器、平衡水池等组成。 二、换流阀水冷系统工作流程说明 1.主循环冷却回路 恒定压力和流速的冷却介质，经过主循环水泵的提升，源源不断地流经三通阀，经过室外换热设备（主要为空气冷却器和密闭式冷却塔），将被冷却器件发出的热量在室外与空气或水进行热交换，冷却后的介质再进入晶闸管阀散热器，带出热量，回流到住循环泵入口，形成密闭式循环冷却系统。 由外冷温控系统通过变频器控制冷却风扇的转速从而控制冷却风量等，实现精密控制冷却系统的循环冷却水温度的要求。在法冷却水系统内管路和室外管路之间设置电动三通阀，当室外环境温度较低和换流阀低负荷运行或零负荷时，由电动三通阀实现冷却水温的调节。阀冷却水系统设定的电加热器对冷却水温度进行强制补偿，防止进入换流阀的温度过低而导致的凝露现象。 2.水处理回路中 为适应大功率电力电子设备在高电压提条件下的使用要求，防止在高电压环
第二章宁东山东±660kV直流输电工程换流阀技术特点研究 1±660千伏直流换流阀关键零部件技术研究 1.1晶闸管及其压装组件 由于HVDC换流阀包含一定数量的串联晶闸管，为了方便，可以在电气和机械上都将一个阀看作是由若干个阀组件组成的。阀组件通常由5/6个晶闸管级和一个饱和电抗器串联，电抗器可以在阀开通时保护阀不承受过高的di/dt。阀组件内的晶闸管都固定在高效的液体冷却散热器之间，组成一个“压装结构”，通过GRP（玻璃增强塑料）绷带的紧固，使晶闸管和散热器之间产生很大的压紧力，保证了元件间良好的电气和热接触。绷带具有足够的绝缘强度，能承受阀关断期间的电压应力。压装结构允许在不断开任何电气和水路连接的情况下方便地更换晶闸管。图2-1所示为具有6个晶闸管级的压装结构。 图2-1晶闸管压装结构 1.2阻尼及均压电路 阀作为一个整体，它的电压耐受能力总是小于每个串联晶闸管的电压耐受能力之和。这是由串联晶闸管之间的断态漏电流和关断时存储电荷的差异引起的。因此，当一个阀中有两个或者更多晶闸管串联的时候，必须考虑阀内的电压分布问题。
每个晶闸管级有两个并联的RC电路用于正常运行工况下的均压。电路中元件的电感和布线需经过精心考虑，以保证在阀承受频率很高的陡波头冲击电压时阻尼电路都能连续提供有效的均压。主RC阻尼电路也用于控制晶闸管开通和关断期间的暂态电压电流应力，此外它们还为每个晶闸管级的门极单元提供电源。 阻尼均压电路中还包括一个直流均压电阻，可以在阀承受单一的直流电压时提供均压作用，也用于门极单元对晶闸管电压的测量。 1.2.1阻尼电阻 阻尼电阻是由几个无感厚膜电阻组成的，安装在每个晶闸管级中一个单独的散热器上（如图4-1所示）。均压电路两个支路的电阻都安装在散热器上。为了使电阻底座承受的绝缘应力最小，散热器与其中一条电阻支路的电气中点连接。 图4-1 阻尼电阻和散热器组件 1.2.2阻尼电容 阻尼电容采用自愈式金属化聚丙烯材料、干式无油结构，将故障引发火灾的风险降到最低。每个电容都安装在一个独立的金属圆筒中，此设计使体积最小。电容固定在一个独立的支架上，支架与阻尼电阻相邻。每个晶闸管级的支架安装两个阻尼电容。图5-1为一个完整阀组件的6个阻尼电容支架的紧凑布置。
·12· NO.14 2019 ( Cumulativety NO.50 ) 中国高新科技 China High-tech 2019年第14期（总第50期） 0 引言 随着电子技术的发展和绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）技术应运而生，为柔性直流输电奠定了技术基础。柔性直流输电不需要传统交流输电系统的换相容量，并且对无源载荷提供电力，并广泛适用于城市供电、偏远地区供电、新能源发电并网等供电新领域。此外，柔性直流输电系统还具有较高的可控性，较低的成本，较小的电力损耗，可实现动态无功补偿等，因此成为当前输电领域研究的热点之一。 柔性直流输电技术中，输电系统的拓扑结构是关键环节之一。合理的拓扑结构能够有效提高直流输电系统的输电效率和可靠性，因此是目前柔性直流输电系统研究的重点。本文将分析柔性直流输电系统的技术原理，并对柔性直流输电系统的拓扑结构进行研究，从而为我国柔性直流输电系统的设计与建设提供理论参考。 1 柔性直流输电系统的技术原理 目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用３种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。1.1 两电平电压源换流器的技术原理 两电平电压源换流器的每一相都有２个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和 IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的２个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出２个电平，最后通过PWM对输出电平进 行调制，最终得到柔性直流输电波形。 图1 两电平电压源换流器示意图 两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT 个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。1.2 多电平电压源换流器的技术原理 多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流 柔性直流输电系统拓扑结构 叶 林 （中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510000） 摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。 关键词：柔性直流；输电系统；拓扑结构；输电方案 文献标识码：A 中图分类号：TＭ131文章编号：2096-4137（2019）14-012-03 DOI：10.13535/https://www.doczj.com/doc/da17873481.html,ki.10-1507/n.2019.14.04 收稿日期：2019-04-30 作者简介：叶林（1987-），男，河南信阳人，供职于中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，研究方向：超（特）高压输电运维柔性直流输电系统拓扑结构。
高压直流输电工程中换流器的比较 高压直流输电，在我国的输电工程中有很重要的地位，由于直流输电的许多优点（1）输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2／3～l／2（2)在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗(3）直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行（4）直流输电发生故障的损失比交流输电小。而换流器作为高压直流输电中最关键的一个环节，换流器的种种性能直接影响到了直流输电的各项指标。由此我们可以看出换流器在高压直流输电工程中的重要地位，可以说换流器是直流输电技术中最重要的一环，所以换流器的各种性能以及特点也就决定了直流输电的性能。 1.换流器的功能原理及结构特点 以上是高压直流输电中最常用的十二脉动换流器的原理图，其中由十二个换流阀构成，其中每个换流阀由流阀一般由 60 ～ 120 只晶闸管串联组。由于当前晶闸管的容量远远高于其他电力电子器件，晶闸管换流阀可通过简单的串联以满足日益增高的直流电压需要，因此晶闸管换流器仍然是当前及今后相当长时期内大容量直流输电工程的首选换流器。 1.1换流器的功能作用
换流器是实现交直流电相互转换设备，当其工作在整流( 或逆变) 状态时，又称为整流器( 或逆变器) 。以实现功率变换的关键器件划分，换流器分为晶闸管换流器和全控器件换流器。前者指由半控器件晶闸管组成的换流器，后者指由全控器件（又称自关断器件）组成的换流器。以换流方式划分，换流器分为电网换相换流器和器件换相换流器(前者采用晶闸管器件由电网提供换相电压而完成换相，后者由全控器件组成，通过器件的自关断特性完成换相; 根据换流器直流侧特性划分，换流器又分为电流源换流器(和电由图表示换流器的作用 由图中我们看出换流器的主要功能就是把由发电厂发出的交流电经过换流器转换为直流电，然后经过直流输电的线路实现远距离的直流输电，所以可以说换流器是高压直流输电的首要条件，也是必须环节。 1.2换流器的工作原理 在每个电源周期，12 个换流阀以 V1、V2、…V12的顺序间隔30° 轮流触发导通，持续导通 120° +μ电角度( μ 为换相角) ，从而将电网的三相正弦电压转变为 12 脉动的整流电压 u d。与此同时，将直流极线 上近似恒定的直流电流 I d转变为换流器交流侧 的三相电流。其中，Y / Y及 Y /△型换流变压器网 侧相电流 i Y、i D及换流站从电网吸收的相电流 i S。 用傅里叶级数分解后可知，12 脉动换流器的整流 电压 u d中含有 12k = 12、24……次特征谐波( k 为自然数) ，同时相电流 i S中包含 12k ± 1 = 11、13、23、25……次特征谐波。这些谐波分别由 直流滤波器和交流滤波器进行抑制，从而达到 HVDC 工程对谐波的限制要求。典型直流输电工程 的谐波限值一般为: 直流极线中的等效干扰电流 不超过1 000 mA(单极) 、500 mA(双极);换流母线
柔性直流输电技术 目录 简介 (1) 原理 (2) 战略意义 (3) 应用前景展望 (4) 常规直流输电与柔性直流输电的对比 (5) 一、常规直流输电技术 (5) 二、柔性直流输电技术 (6) 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 (7) 四.运行方式 (8)
简介 柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi 等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。 李岩，罗雨，许树楷，周月宾等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望．《南方电网技术》，2015讲述了柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程——南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展
的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。 柔性直流输电系统中两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流器和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是 VSC ，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，VSC 的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节 原理 与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。 通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，