2.6 主設備配置與參數

特高壓柔直工程核心主裝備的設計、研發和制造關系到換流站占地評估、設備造價估算等，其影響十分深遠。云南送端（±800kV/8000MW）推薦采用對稱雙極接線，雙12脈動串聯LCC換流器；廣東受端（±800kV/5000MW）和廣西受端（±800kV/3000MW）推薦采用對稱雙極接線，每極采用高低閥組串聯VSC換流器。本節根據系統主接線方案，以受端廣東側換流站擬采用的±800kV/5000MW柔性直流換流站直流主設備為例說明設計選型研究，具體內容包括：

開展3000A級柔性直流用功率器件設計選型；進行柔性直流輸電主設備（此處主要圍繞換流閥及配套設備進行說明）的設計選型，研究±800kV/5000MW級直流柔性直流主設備的參數配置、結構設計、運輸、站布置等方面的關鍵制約因素及解決措施，給出選型建議。

2.6.1 系統接線方案及主設備選取原則

1.系統接線方案

本節僅針對廣東受端柔性直流主設備選型進行研究。該特高壓混合多端系統接線方案如圖2.45所示。

2.主設備選取原則

通常根據柔性直流輸電工程應用的背景和需求，柔性直流主設備的選取需遵循以下幾條原則：

1）設備應保證系統安全、可靠。

2）設備制造商供貨滿足工程進度。

3）設備制造商應具有較高的設計和制造水平。

4）設備制造商應具有直流工程的供貨業績。

5）設備制造商供貨的相關直流設備運行情況良好。

6）設備制造商的試驗能力應滿足工程要求。

2.6.2 功率器件

IGBT和IGCT是目前較為常用的兩種可關斷電力電子器件，但由于IGCT存在驅動功率大（電流型驅動）、電流關斷能力弱、開通速度慢和需要額外緩沖回路等明顯缺點，因此集合了MOSFET和電力晶體管雙重優點的IGBT成為柔性直流中的主流應用，目前業內柔性直流工程無一例外均采用IGBT作為主開關器件。

1.關鍵參數要求

±800kV/5000MW柔性直流換流閥直流電流為3125A，根據直流功率、閥側電壓和調制比設計，其橋臂電流有效值約為1800A；如考慮50%的電流裕量，則應選用3000A及以上電流等級的IGBT器件。其他關鍵參數要求見表2.11。

2.6.3 換流閥

1.基本參數

主回路參數計算的初步結果見表2.12、表2.13。

2.總體性能要求

柔性直流換流閥的整體要求如下：

1）換流閥設計必須結構合理、運行可靠、維修方便。

2）換流閥應能承受正常運行電壓以及各種過電壓。閥的整體設計在絕緣性能上應保證閥對交直流電壓和操作、雷電、陡波沖擊電壓具有足夠的耐受能力，電暈及局部放電特性在規定范圍內。在各種過電壓（包括陡波頭沖擊電壓）下，應使加于換流閥內任何部件上的電壓不超過其耐受能力。換流閥觸發回路不應受沖擊過電壓的干擾，功能正常。閥能在較高的過電壓情況下觸發而不發生損壞。

3）在進行換流閥的耐壓設計時應考慮足夠的安全系數。安全系數的確定應考慮電壓不均勻分布、過電壓保護水平的分散性以及其他閥內非線性因素對閥的耐壓能力的影響。

4）換流閥應具有承擔額定電流、過負荷電流及各種暫態沖擊電流的能力。閥具有適當的保護，在故障電流下，閥具有足夠的故障抑制能力；對于多個周期的故障電流，閥具有足夠的耐受能力。

5）換流閥功率模塊采用光纖觸發方式，起到高低壓之間的隔離。觸發系統的供電由功率模塊電容提供，在直流側電壓可以滿足取能電路要求時，觸發系統保證正常工作。在此前提下，任何系統故障都不會影響觸發系統按照控制指令動作，如果系統故障會導致取能電路供電不足，則在觸發系統不能正常工作之前，換流閥應采取相應的保護措施避免閥的損壞或出現不受控的情況。

3.電氣設計

根據主回路及主接線設計思路，換流器采用模塊化多電平拓撲結構，模塊化多電平換流器每個橋臂由多個功率模塊和一個橋臂電抗器串聯構成，換流器功率模塊可采用全橋型或是全橋-半橋混合型拓撲，其中，采用全橋型拓撲的換流器結構如圖2.46所示。

（1）功率模塊設計要求

為了增強設計的通用性，如換流閥拓撲采用半橋-全橋混聯結構，建議半橋和全橋功率模塊內部主要元器件采用相同選型，區別在于功率器件數目及其連接的線路不同。功率模塊的主要元器件包括IGBT、二極管、直流電容器、IGBT驅動器、高位取能電源、旁路真空接觸器、功率模塊控制板PMC（Power Module Controller）、均壓電阻等。

功率模塊設計應設置安全措施，保證其在內部故障后能夠可靠旁路或呈現可靠短路狀態，不允許單一功率模塊故障原因導致換流閥閉鎖或停運。功率模塊中采用的所有元器件，都應充分考慮絕緣耐壓要求滿足工程設計。

功率模塊所采用的IGBT/IEGT元件應是商業產品，其各種特性應已得到完全證實。每個功率器件應具有獨立承擔額定電流、過負荷電流及各種暫態沖擊電流的能力。主回路中不采用可關斷器件并聯的設計。開關器件的觸發單元采用光通路形式，避免干擾。

直流電容器是換流器的儲能元件，為換流站提供直流電壓支撐。每個功率模塊單元包含1組直流電容。功率模塊電容器采用干式金屬氧化膜電容器，應具備雜散電感低、耐腐蝕，具有自愈能力等特點。

直流電壓傳感器的選擇，需考慮測量范圍滿足功率模塊測量需要，測量輸出不易受到外界因素干擾，測量接口可匹配功率模塊控制板卡設計需要，測量精度高、線性度好。

功率模塊監控單元，需要通過光纖接收閥控設備發送下來的控制命令，主要包括功率器件的觸發、旁路開關的控制。功率模塊監控單元同時采集功率模塊上一次器件的相關狀態上送給閥控設備，用于監視功率模塊是否正常工作。

根據選擇功率器件的特性，IGBT驅動器的選擇應綜合考慮驅動保護功能的配置、電路抗干擾設計、供電要求及門級驅動電阻的大小。

高位取能電源的選擇應綜合考慮功率模塊的運行要求和適應寬范圍輸入電壓。

旁路真空接觸器的選擇，應考慮旁路要求動作的快速性和開關狀態回報信號的有效性。放電電阻的選擇，需要考慮放電時間以及放電電阻的功率損耗。

（2）電壓電流耐受設計

換流閥的電壓耐受設計應考慮功率模塊和閥支撐/懸吊結構的耐受交流電壓、直流電壓、操作沖擊電壓、雷電沖擊電壓、陡波沖擊電壓的能力，能滿足規定范圍內電暈及局部放電要求，需至少在假定所有冗余功率模塊都損壞的情況下，考慮安全絕緣裕度。

換流閥的電流耐受設計應考慮閥的各部件承受正常運行電流和暫態過電流的水平，包括幅值、持續時間、周期數、電流上升率等，同時考慮足夠的安全裕度。設計時，應考慮暫態過電流遠遠超過閥各部件過電流能力時的工況。

4.絕緣設計

換流閥應采取空氣絕緣方式。閥的整體絕緣性能設計應保證閥對交直流電壓和操作、雷電、陡波沖擊電壓具有足夠的耐受能力，電暈及局部放電特性在規定的范圍內。絕緣設計主要包括橋臂內相鄰閥塔之間絕緣、閥塔底部支撐絕緣/閥塔頂部懸吊絕緣、閥塔層間支撐絕緣、相鄰兩個功率模塊之間絕緣等。

5.結構設計

結構設計主要包括功率模塊設計、閥段設計、閥塔設計等。進行結構設計時，應遵循以下原則：

1）采用標準化的模塊設計。

2）具有一定的防爆、防漏水能力。

3）具有高等級的抗干擾能力。

4）具有適應站址所在地的海拔、地震等級的能力。

5）使用的絕緣材料都要是經過驗證的防火材料。

6）在保證功能的情況下，減少輔助零部件的數量，降低故障率，簡單堅固又便于安裝檢修。

7）滿足站址閥廳尺寸。

具體操作如下：

（1）功率模塊設計

功率模塊設計包括開關器件、直流電容器、旁路開關、取能電源、放電電阻、控制電路、母排、殼體等組件的設計，需考慮各組件的組裝、模塊重量和尺寸等。

開關器件的選擇，需考慮電壓和電流耐受能力、最大結溫、封裝形式、熱量累積等，并留取一定的安全裕度。

直流電容器需在提供直流電壓的同時，緩沖系統故障時引起的直流側電壓波動、減小直流側電壓紋波，且具有自愈、耐腐蝕、無油、低電感等特點。

旁路開關主要需考慮開關動作的時間、操作頻率等，能夠多次重復使用。

取能電源需考慮正常工作的輸入電壓范圍、局部放電、溫升、抗干擾能力等，應能滿足最低啟動電壓、最高耐受電壓要求。

功率器件、電容器或控制電路應采取獨立分體式設計，故障時方便單獨拉出進行維護，避免將整個功率模塊更換。

（2）閥段設計

閥段主要由若干個功率模塊、水路、連接母排、支座等組成，需考慮各功率模塊的組裝方式、閥段重量和尺寸、絕緣和支撐設計、水管布置和光纜通道設計等。其典型結構圖如圖2.47所示。

（3）閥塔設計

閥塔設計的基本原則是高的可用率、高功率密度、電磁場分布均勻、水流量分布均勻、維護簡易快捷、具備良好的絕緣性能與電磁兼容特性。

閥塔結構應基于支撐/懸吊式連接原理設計，其典型結構圖如圖2.48所示。閥塔主要由閥段和支撐/懸吊結構、層間絕緣子、均壓屏蔽環、母排、水管及光纖槽組成，設計時綜合考慮抗震能力、防火能力及抗電磁干擾能力等。

閥塔應具備漏水檢測及收集裝置。當某個功率模塊或者閥塔內部的其他接頭漏水時，應確保漏水流到相應的接水槽內，并由控制回路發出報警信號。

特高壓柔直換流閥閥塔電場為防電暈所采取的屏蔽設計原則如下：

1）采取在換流閥閥塔頂部及底部設計有對抱形狀的均壓管母，均勻閥塔高壓端對地電場分布。

2）換流閥閥塔每層設計多個屏蔽罩。在屏蔽系統防電暈設計的基礎上，充分考慮屏蔽系統寄生電容對閥塔的影響，各屏蔽罩與就近框架采用等電位聯結，確保閥塔表面電場均勻分布，削弱閥塔內部的電場強度。

3）換流閥閥塔機械零部件設計時，對零部件表面進行留有一定表面曲率的倒角處理，防止因局部電荷積聚而放電。

為了判斷屏蔽系統的合理性，需要對以上設計屏蔽系統加載對地電壓和閥端間電壓進行電場仿真分析。

（4）換流閥抗干擾設計

換流閥功率模塊中有很多電力電子敏感器件，因此在設計換流閥時，應充分考慮換流閥的抗電磁干擾能力，采取措施給換流閥建立一個良好的電磁環境。

1）電場環境。換流閥在正常運行和故障運行情況下，閥塔電場分布應盡量均勻，確保閥塔不會發生電暈和放電現象。具體措施：閥塔四周安裝均壓屏蔽罩，頂部和底部安裝屏蔽環；避免閥塔內部結構件出現尖角、尖棱和毛刺；閥塔內所用器件都可靠固定電位；采用特性均勻的絕緣材料。

2）磁場環境。在正常運行和故障運行時，保證換流閥閥塔磁場分布均勻。主要采取的措施包括設置屏蔽體和不使主回路電流穿過閉合回路。在屏蔽體設計時，應明確電磁騷擾源及敏感單元，結合屏蔽體的屏蔽能效確定屏蔽方式；應選用合適的導磁材料，確保良好的磁屏蔽作用；減少屏蔽不完整性對屏蔽效果的影響。

6.損耗

（1）損耗計算標準

損耗計算的工況應包括：25%、50%、75%、100%的雙向額定傳輸功率；25%、50%、75%、100%的雙向額定傳輸功率+額定無功輸出功率；額定無功輸出功率；換流閥無負載狀態（功率器件處于解鎖狀態，但換流器與交直流系統均不發生能量交換）；換流閥熱備用狀態（電容器帶電，具備觸發功率器件的能力但換流閥處于閉鎖狀態）。

損耗的計算通過反映實際工況的COMTRADE錄波文件以及損耗計算標準程序計算，其方法主要參考IEC 62571-2—2011。主要元器件的損耗相關參數以出廠試驗數據為準（參見附錄）。

（2）損耗特性驗證

應對供應商響應的損耗特性計算結果在出廠試驗階段進行試驗驗證。損耗特性驗證試驗的試驗對象至少為1個閥段，或者6個功率模塊。試驗損耗特性驗證試驗包括量熱法與電測法兩種方法，以量熱法的試驗結果為主，電測法的試驗結果作為輔助驗證。試驗應包含特殊設置工況下的損耗計算結果矯正試驗，該試驗的目的在于分析通過損耗計算標準方法計算得到的損耗預測結果與實際試驗測量結果相符程度。

2.6.4 閥控系統

柔性直流閥控系統的主要功能是負責換流器閥塔內功率模塊的觸發、電容電壓的均衡控制與監測、環流抑制等。閥控系統與控制保護設備的連接關系如圖2.49所示。同時，閥控系統也負責實現換流站與控制保護系統的通信和數據交換。

1.閥控總體設計要求

換流器（閥）的控制單元按照每個橋臂或每相設計并配置設備。

閥控單元能接收換流器控制保護系統發送的調制波信號以及其他一些必需的控制信號，將其轉換為控制脈沖后發送給功率模塊控制器，同時接收功率模塊控制器的回報信號，經過整理后反饋給控制保護系統。

閥控單元實現控制脈沖發生與分配（換流器橋臂功率模塊投切）、功率模塊電容電壓平衡控制、環流抑制，并對功率模塊的狀態進行監測并上報至換流器控制保護層的監控單元；功率模塊控制器實現功率模塊單元的觸發、電容電壓監測和功率模塊狀態監測，并將電容電壓、模塊狀態、故障等信息回報給閥控單元。

閥控單元應能在所有冗余功率模塊全部損壞后發出警報，如果有更多的功率模塊級損壞，從而導致運行中的換流器（閥）面臨更嚴重的損壞時，應及時向控制保護系統發出信息使換流器閉鎖。

閥控單元采用雙重化或“3取2”配置（有冗余）。任一系統發生故障或系統維護時，不能影響正常系統的運行。

2.閥控功能要求

閥控單元應能接收控制保護系統下發的調制波信號以及其他一些必需的控制信號，將其轉換為控制脈沖后發送給功率模塊控制器，同時接收功率模塊控制器的回報信號，經過整理后上送給控制保護系統。閥控單元應具有但不限于以下功能：

（1）基本功能

1）脈沖分配功能。

2）模塊均壓功能。

3）模塊冗余控制功能。

4）純直流情況下可控充電功能。

5）換流閥解鎖條件自檢功能。

6）對功率模塊取能電源損壞等故障具備自檢功能。

7）換流閥基本保護功能。

8）閥控單元應具備狀態監視及錄波功能，實現對全部模塊的電容電壓、旁路狀態和故障狀態（模塊所有故障類型）等信息的監測，滿足換流閥及閥控故障分析及異常情況指示等需求，故障定位應具體明確。對模擬量、接口信號和故障信號具有錄波和輸出功能，并提供與全站統一故障錄波裝置的接口。

9）閥控屏柜應設置人機交互界面，能夠對模塊電容電壓、功率模塊故障等信息進行實時觀察；具備人工輸入功能，能夠對已檢修模塊手動進行狀態更新。

10）閥控單元需要設計獨立的硬接線跳閘回路，并將跳閘信號上送控制保護系統。

（2）附加功能

閥控單元應具備橋臂環流抑制功能，能夠進行在線投退，投退切換平穩，不影響換流閥的正常運行。

2.6.5 閥冷卻系統

1.技術方案論證

閥冷卻系統基本工作原理：恒定壓力和流速的冷卻介質，經過主循環泵的提升，源源不斷地流經調溫裝置，進入室外換熱設備，將換流閥功率器件發出的熱量在室外換熱設備進行熱交換，冷卻后的介質再進入換流閥功率器件，形成密閉式循環冷卻系統。

閥冷卻系統主要包括內冷和外冷兩部分。直流輸電工程的閥內冷卻系統如圖2.50所示，主要設備通常包括：循環泵、離子交換器、脫氣罐、膨脹罐、機械式過濾器、補水泵、電加熱裝置、配電及控制保護設備。為降低換流閥承壓，提高閥組的運行安全，冷卻水回路將閥組布置在循環水泵入口端。

閥外冷卻系統可采用的技術方案主要有空氣冷卻器、閉式冷卻塔和冷水機組等。以下介紹三種可行的方案，并進行比較和分析。

（1）空氣冷卻器方案

外冷采用空氣冷卻器方案，如圖2.51所示，空氣冷卻器主要通過空氣流通加速熱交換對冷卻介質進行冷卻。該方案的優點是無須補水，適用于水源缺乏的應用場合；主要缺點是空冷散熱器體積較大，增加換流站占地面積。

（2）閉式冷卻塔方案

外冷采用閉式冷卻塔方案，如圖2.52所示，循環水池中的噴淋水經過噴淋泵升壓后，通過噴淋管道進入冷卻塔噴淋支管和噴淋嘴，從上至下噴淋在冷卻塔內部的冷卻盤管外表，與冷卻塔風機的空氣流形成逆向流，部分液態水汽化帶走熱量散發到大氣中，未能汽化的噴淋水通過冷卻塔集水箱回流到循環水池，再進入噴淋泵，如此往復循環。該方案的優點是占地面積相對較小，技術方案成熟，在直流輸電工程中廣泛采用；主要缺點是對于散熱需求大的應用場合，補水量較高，對換流站供水能力提出更高要求。

（3）混合式方案

混合式方案結合不同外冷技術的優點，可采用“空氣冷卻器+閉式冷卻塔”“空氣冷卻器+冷水機組”“閉式冷卻塔+冷水機組”不同組合，分別如圖2.53a～c所示。

2.參數設計

主要針對外冷采用純閉式冷卻塔、“空氣冷卻器+閉式冷卻塔”和“閉式冷卻塔+冷水機組”三種方案進行參數設計。針對雙極高低閥組主接線，單個閥組需要兩套冷卻系統，每套冷卻系統主要輸入參數根據換流閥參數而定。每種方案涉及的設計參數見表2.14～表2.16。

（1）純閉式冷卻塔方案設計參數

純閉式冷卻塔方案設計參數見表2.14。

（2）“空氣冷卻器+閉式冷卻塔”方案設計參數

“空氣冷卻器+閉式冷卻塔”方案設計參數見表2.15。

（3）“閉式冷卻塔+冷水機組”方案設計參數

“閉式冷卻塔+冷水機組”方案設計參數見表2.16。

3.選型要求

對比不同的技術方案，對烏東德工程的閥冷卻系統選型要求給出初步結論如下：

1）閥冷卻系統的選型主要在于外冷卻系統，內冷卻系統方案相對固定。

2）外冷系統采用純閉式冷卻塔方案，占地面積和耗電量均為最小，耗水量最大，考慮采用水回收技術后，換流站每天耗水數千噸（與換流閥廠家要求的冷卻容量密切相關）。若采用該方案，在換流站選址時需考慮供水能力是否滿足閥冷要求。

3）外冷系統采用“空氣冷卻器+閉式冷卻塔”方案，占地面積和耗電量均為最大，耗水量最小；若采用該方案，換流站占地面積和輔助系統用電量將較大。

4）外冷系統采用“閉式冷卻塔+冷水機組”方案，與純冷卻塔方案相比每天耗水量顯著下降，但耗電量和占地面積增加；系統運行時先投入冷水機組全部冷卻功率，不足部分由冷卻塔補充，可保證進閥溫度的穩定。根據工程需要，可調整冷水機組承擔比重，進一步節約外冷水的消耗。