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摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，换流阀最大峰值持续运行电压(peakvalueofcontinuousoperatingvoltage,PCOV)是换流站绝缘配合工作的重要参考数据，明确PCOV对应的运行工况有助于缩小计算范围，降低计算时间。建立6脉动整流器的阀电压波形的分时间段表达式，根据换相过冲电压计算原理分析阀电压跃变与阀电压峰值之间的关系，论证了计算PCOV时所参照的跃变时刻和运行工况。同样对逆变器的电压跃变情况进行分析，发现逆变器内换相过冲对阀电压峰值的影响远小于整流器。进一步对实际工程中使用的12脉动换流器中邻桥换相过程对阀电压波形的影响进行推导，明确了12脉动换流器阀PCOV不受邻桥换相过程的影响。以3个不同电压等级的实际工程为例，计算出额定工况和长期过负荷工况下决定阀电压峰值的阀侧线电压值和跃变电压值。提出在计算阀PCOV时推荐以长期过载方式作为直流输电工程运行方式，以整流模式作为换流器运行模式。
关键词：换流器；换相过冲；最大峰值持续运行电压；电压跃变；运行方式
引言
换流阀是直流输电系统的核心设备，它由多个器件串联而构成，其三相桥式电路在运行中承受来自交、直流系统的操作过电压、雷电过电压以及陡波过电压。由于高频下换流变压器和平波电抗器的高阻抗特性及穿墙套管的存在，上升沿较陡的过电压传播到换流阀时，其作用已相当于操作过电压。然而，换流站内换流变压器阀侧短路故障以及平波电抗器阀侧短路故障时，将产生波前很陡的过电压，类似雷电过电压；此外，换流站内的一个换流阀在最大电压下触发时，将在另一个上产生接近冲击电压的波形。晶闸管上出现的冲击过电压，尽管幅值不是很高，但这些电压的快速前沿部分产生的容性电流将可能使阀晶闸管误导通。因此，研究各种过电压下换流阀内的电压分布特性十分必要。
1换流阀换相过冲计算模型
送端电网产生的交流功率经整流站注入直流输电系统，以直流功率的形式在高压直流线路上传输，然后于逆变站馈入受端电网。理论上讲，由对侧换流站内换流阀关断所产生的换相过冲电压可能通过直流输电线路到达本侧换流站。考虑到平波电抗器和直流滤波器的作用，以及直流线路具有的衰减特性，换相过冲电压中的高频电压分量在传输过程中几乎完全衰减，并不能对本侧阀电压应力造成实质性的影响。同侧换流站的正负极站由双12脉动换流器组成。串联的双12脉动换流器的触发脉冲相同，换相过程同时发生；构成单12脉动桥的串联双6脉动桥相位差30°，邻桥换相过程对本桥换流阀电压的影响与耦合阻抗Xsys的大小有关。为提高交流母线电压稳定性，换流站交流场内通常布置有足够的无功补偿设备，Xsys的数值较小，邻桥换相过冲电压不会对本桥阀电压峰值的影响可忽略不计。
2换相过冲与跃变电压的关系
换相过冲电压在阀开、断瞬间产生，是阀状态改变时产生的电压过冲现象。以往的文献分析表明，阀开通过程产生的电压跃变不影响阀电压的峰值，影响阀电压峰值的电压跃变发生在阀关断时刻。当流过关断阀的电流减小为0时，晶闸管基区仍然存在过剩载流子，随后关断阀中会出现持续时间很短的反向电流，该过程被称为晶闸管的反向恢复过程。反向电流与回路中的电感电容相互作用产生振荡，在各阻断阀两端产生反向尖峰电压，即换相过冲电压，进而影响阀反向电压峰值。根据叠加原理，计及换相过冲电压的阀电压可以分解为起始电压和振荡电压。起始电压由阀关断时刻交流母线电压的幅值和相位决定，考虑到阀关断时段非常短，其数值可以由Uinit表示。振荡电压由强迫振荡分量和自由振荡分量组成，其中强迫振荡分量表现为阶跃形式，其数值为ΔUstep，自由振荡分量是由阶跃电压和系统阻尼特性共同决定的高频分量，其峰值被称作换相过冲电压ΔUovst。在电压跃变时刻，考虑换相过冲的阀电压尖峰值Upeak可以表示为peaktopovstUUU=+Δ(3)以V2关断后的反向恢复过程为例，uVa、uVb和uVc表示换流变阀侧相电压；Lt表示换相电感；导通阀用短路线表示；阻断阀以阀并联阻尼电路的电容Cd和电阻Rd以及阀并联电容CV(虚线框内部分)表示；Ct表示换流变压器绕组、交流母线及穿墙套管等对地杂散电容；Cy表示直流开关场母线和穿墙套管及电抗器等对地杂散电容；直流侧以平波电抗器Ld和恒定电流源Id表示。Ct和Cy通常为nF级，对换相过冲电压的影响较小。
3稳态应力分析
阀在稳态下的应力主要有5类：电压、电流、电压变化率、电流变化率和温度。如果忽略IGBT模块之间驱动信号的差异，串联阀可以看成是一个高压大电流的IGBT模块，其工作状态有截止、开通、导通和关断4种。当阀处于导通状态时，其上无电压应力，只有正向和反向电流流过。阀截止是指IGBT及其反并联续流二极管均截止的状态。由于续流二极管具有单向导通性，在阀截止状态下，阀只承受正向电压。需要重点关注的是阀的开关状态。由于续流二极管上PN结反向恢复电荷的存在，在续流二极管完全进入阻断状态之前会出现一个很大的反向恢复电压过冲和反向恢复电流。因此在阀开通时，处于开通过程的阀上将会出现一个明显的电流尖峰，但不会出现电压尖峰。
4PCOV所对应的计算工况
图1给出了在0≤α+μr≤90°范围内，D1、D2和D3时刻分别对应的Utop和ΔUstepoff的变化情况，D1时刻对应的top1()UD和ΔUstepoff完全重合，D2和D3时刻对应的Utop相等，在图中以top23()UD表示。可以看出，当α+μr>60°时，D1时刻对应的Utop大于D2及D3时刻对应的Utop，V1为关断阀，阀电压峰值最大值必定出现在D1时刻，且随着α+μr的增大而增大。在考虑某些特定场景(例如低压限流、直流故障恢复阶段等)时，换流器可能短时运行在大触发角的暂态工况下，以往的文献大部分都以α+μr=90°为参考状态进行换流阀阻尼电路的参数设计。阀避雷器参数的设计通常以安装点的持续运行电压为参考，典型的整流器控制策略为触发角按定电流控制，换流变分接头按定触发角控制，整流器保持小角度运行，以减少无功消耗。正常工作状态下整流器的触发角一般设置在12.5°~17.5°范围内，而换相角与系统主回路参数和额定运行工况有关，正常运行状态下12脉动桥运行在4-5工况，μr≤30°，考虑一定的安全裕度，可以认为μr≤27.5°，即12.5°≤α+μr≤45°。在该运行范围内，D1时刻对应的Utop和ΔUstepoff均远小于上述暂态工况，由此可知，以暂态运行期间的阀电压峰值对持续运行电压峰值PCOV进行估计显然会得出过于保守的结论，进而抬高避雷器的保护水平。
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图1Utop和ΔUstepoff与α+μr的关系
结语
1）计算阀PCOV的运行方式建议选择直流输电工程长期过载运行方式，换流器的工作模式建议选择整流工作模式。理论上6脉动整流器阀电压峰值可以出现在D1、D2和D3时刻，但考虑阀阻尼电路的作用后，证明正常运行状态下阀电压峰值最大值出现在D2及D3时刻。2）逆变器阀在运行过程中主要承受正向电压，其阀电压峰值小于相对应的整流器阀，即阀PCOV的计算可以只考虑6脉动桥整流运行工况。
参考文献:
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