高壓直流輸電換流閥晶閘管控制單元原理分析

陳興旺梁帥奇胡宗亞

（1、河南省汝州市電業公司，河南 汝州 467500 2、深圳邁瑞醫療電子股份有限公司 3、國網電科院繼電保護研究所，江蘇 南京 210003）

為了耐受更高的電壓，高壓直流輸電的換流閥都是由晶閘管級串聯組成的；例如貴廣直流輸電工程中，采用西門子的光控閥，每個換流閥體包含了78個晶閘管級；葛南直流工程中采用的是原BBC的電控閥，每個換流閥體則包含了120個晶閘管級。SVC(Static Var Compensator)中TCR(Thyristor Controlled Reactor)或 TSC(Thyristor Switched Capacitor)閥體，也根據補償的電壓等級和選用晶閘管的耐壓等級，由不同數量的晶閘管級串聯組成。如下所示為三廣直流工程換流閥中晶閘管級電氣連接的示意圖 (不同的閥體可能稍有區別)。每個晶閘管級一般都包括以下幾個部分：直流均壓電路 (圖示的R6和R7)、交流均壓電路 (圖示的R1/R3/C1/C2)、晶閘管控制單元TCU(Thyristor Controlled Unit)和晶閘管Th(Thyristor)。其中VCU(Valve Controlled Unit)為閥控單元，它負責向TCU發送光觸發信號FP(Fire Pulse)，接收TCU的光回報信號IP(Indication Pulse)。

一個晶閘管級中晶閘管控制單元是核心，它具有以下幾項基本功能：接收觸發命令觸發晶閘管，晶閘管過壓保護，反向恢復期間的dv/dt保護，監視晶閘管狀態(正常、損壞或過壓保護)并回送相應的光脈沖信號IP。下面就以我們在SVC和直流融冰等項目中大量使用的TCU為例，分析它的工作原理。

1、取能。TCU的取能部分會通過上圖的Snubber Circuit和C3、R5得到約22V和11V兩種電源。通過調節阻容回路的參數，可確保C3、R5中流過電流的相位提前晶閘管兩端的電壓90度，電路的取能在晶閘管兩端的電壓還處在負半周的上升階段時就已經開始；因此，當晶閘管兩端電壓為正時TCU就儲備了足夠的能量，確保內部電路正常工作。

2、回報光脈沖IP信號。共有兩種情況可產生IP，第一種情況是當晶閘管兩端電壓達到約24V時，TCU向VCU發送IP脈沖，表明晶閘管級已滿足觸發條件，告訴VCU，可以發觸發脈沖FP了；相應的，VCU只有在接收到IP脈沖后，才允許向TCU發送FP觸發信號；另一種情況是當TCU監測到晶閘管兩端的電壓達到了預先設定的過壓保護門檻值時 (如6800V)，便自動發出觸發脈沖觸發晶閘管，使晶閘管免于擊穿而損壞，同時在此刻也向VCU發出IP光脈沖，表明晶閘管處于保護性觸發的異常狀態；VCU內部的可編程邏輯期間FPGA通過這兩種IP信號發生時刻的不同來區別某IP信號是電壓建立IP還是過壓保護觸發IP。另外，當某一個晶閘管損壞時，則TCU無法發出IP信號，VCU會據此判斷該晶閘管已經損壞；VCU程序會設置一個報警級別：如損壞2個時報警，大于2個時跳閘。

3、正常觸發。一般情況下，當閥體解鎖后，TCU會在每個周波都收到來自VCU的光觸發信號，通過光電轉換、信號放大等產生晶閘管觸發所需要的電脈沖信號，觸發晶閘管。需要說明的時，當晶閘管被觸發時如果由于某種原因沒有導通，則這個觸發信號會持續加在晶閘管的門極直到它導通或其兩端電壓變負為止，TCU的這一特性也有效地保護了晶閘管。

4、保護性觸發。閥體在正常的運行過程中，會經常發生的陡坡沖擊、局部不均壓或開通分散性等，這些都會引起個別晶閘管的正向過電壓；另外，在電信號通路或光信號通路由于損壞或性能下降的情況下，TCU無法產生觸發脈沖，而此時當閥體中其它晶閘管級導通時，便也會在該晶閘管兩端瞬間產生一個高電壓；這時，如果不能在該電壓達到擊穿門檻電壓前迅速觸發晶閘管，該晶閘管就會被擊穿而損壞。TCU中的保護性觸發電路正是實現了這樣的功能。

如下圖2所示為TCU過壓保護電路示意圖。它的基本原理是：隨著晶閘管兩端電壓的升高，電阻R8上的電壓越大；另外，在TCU內部通過模擬電路搭建一個基準電壓，當R8上的電壓大于該基準電壓時，就產生觸發脈沖觸發晶閘管，同時回報過壓保護IP脈沖。通過調節R8的阻值，可以調節TCU的過壓保護門檻值，以適應不同耐壓等級的晶閘管。

5、反向恢復保護。晶閘管在由導通到關斷的發向恢復期間，由于阻斷特性尚未完全恢復，此時如果在其兩端出現過高的dv/dt擾動，就會損壞晶閘管。TCU的反向恢復保護功能就是在反向恢復期間探測dv/dt的變化率，當dv/dt擾動超過門檻值時便產生觸發脈沖觸發晶閘管導通，從而保護晶閘管。如圖3所示為TCU反向恢復保護電路示意圖，它基本原理是：閥體解鎖后，當TCU監測到晶閘管兩端的電壓由導通到熄弧，即其兩端的電壓由零變為負時，便啟動時間窗口發生回路，這個時間窗口的寬度可根據晶閘管本身的特性要求進行調整，一般為1ms以內。如果dv/dt監測回路在這個時間窗口內監測到晶閘管兩端的電壓變化率大于門檻值 (這個門檻值也可根據晶閘管的特性進行調整)，就會產生一個觸發脈沖觸發晶閘管。

6、總結與展望。上述以我們實際研制的TCU為例，分析了它的基本工作機理。該TCU裝置已經大量應用于SVC項目、直流融冰項目和高壓直流輸電換流閥運行試驗合成回路中。多年來的運行情況表明，該TCU裝置性能可靠穩定。

需要指出的是，TCU屬于高電位裝置，工作環境惡劣。因此，研制過程中，在滿足功能的前提下，抗干擾實驗的驗證是十分重要的，它直接決定了整個高壓閥體能否正常工作。我們除了對該裝置單獨進行嚴格的EMC實驗外；還實際搭建了高壓閥體，按照相應的規范對整個閥體也進行嚴格的型式試驗；這個過程發現并解決了大量的問題。這也是裝置大量使用且運行穩定的保證。

當前，隨著更大容量的可關斷型功率器件如IGBT的不斷開發，輕型高壓直流輸電和SVG(Static Var Generator)也在快速發展，其中SVG有逐漸取代SVC的趨勢。它們的高壓閥體是由可關斷器件串聯而成的，造價更為昂貴；對應于每個可關斷型器件也有一個控制單元，被稱為門級驅動單元GDU(Gate Driven Unit)。在我們正在研制的GDU裝置中，它要監視更多的狀態量，須以一定格式的光脈沖報文向上反饋更多的狀態信息；通過搭建模擬電路已經很難實現這些復雜的邏輯。為此，我們采用了FPGA (Field Programmable Gate Array)來完成相應的保護和監視功能。FPGA的采用將成為未來功率器件控制單元的一個趨勢；但同時，FPGA運行在強電環境中也對裝置本身的抗干擾性提出了更高的要求。

[1]寧鳳輝 ，趙中原 ，邱毓昌.三峽至常州±500 kV高壓直流輸電用晶閘管閥技術特點.《高壓電器》， 2003年4期 .

[2]趙中原.方志.邱毓昌 高壓直流換流站技術現狀與發展 [期刊論文]-中國電力2002(03)

[3]Steffen Bernet Recent Development of High Power Converters for Industry and Traction Applications 2000(06).