基于可靠性的±420KV柔性直流输电工程换流站运维技术研究27

摘要: 国网湖北省电力公司2017年两座±420KV柔性直流换流站将投运，其电压等级和输送容量是目前国内外最高最大的，国内外均无运维±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站的经验。本文综合考虑MMC（modular multi-level converter）子模块、直流控制保护系统和冷却系统，建立±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站的可靠性模型，利用此模型计算该换流站的可靠性指标，分析换流站元件冗余及MMC子模块备用策略与可靠性的关系，设计以可靠性为中心的柔性直流换流站运维预案，该思路对MMC-HVDC(High Voltage Direct Current Transmission)运维决策具有实际指导意义。

关键词: ±420KV柔性直流换流站，MMC变流器，可靠性，运维预案

0 引言

国网湖北省电力公司所辖5座换流站均为常规高压换流站，采用半控器件晶闸管和相控技术实现，其缺陷是存在逆变失败、滤波成本高等。MMC-HVDC自被提出就受到广泛关注，可实现高品质的电能输出、开关频率低、损耗小、控制优良。目前MMC-HVDC工程应用不断涌现，2015年12月投运厦门±320千伏/100万千瓦柔性直流输电工程；国网湖北省电力公司2017年两座±420KV柔性直流换流站将投运，在电压等级和输电容量上都要大幅超越厦门柔性直流工程，国内外均无运维±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站的经验。针对此问题，本文综合考虑MMC子模块、直流控制保护系统和冷却系统，研究基于可靠性的±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站运维技术，建立该换流站的可靠性模型，实际计算该工程可靠性指标，并通过分析冗余（备用）元件对可靠性的影响，设计MMC运维预案，为MMC-HVDC的运行与维护提供了新的思路，对MMC-HVDC运维决策具有较好的指导作用。 1.±420KV MMC-HVDC运行机理 1.1子模块SM运行机理

SM运行时，依靠控制器控制T1、T2IGBT的通断使端口AB间的电压Usm为Uc或0，SM共有3种运行状态，状态1：“闭锁” ，T1、T2均施加关断信号，电流ismA→B 则Usm =Uc；电流ismB→A 则Usm =0。状态2：“投入” ，T1施加开通信号、T2施加关断信号，电流

ismA→B 则Usm =Uc；电流ismB→A 则Usm = Uc。状态3：“切除” ，T1施加关断信号、T2施加开通信号，电流ismA→B 则Usm =0；电流ismB→A 则Usm =0。 1.2MMC运行机理

MMC中每相有上下两桥臂，不考虑冗余，每个桥臂设有N个SM，每相有2N个SM，则有2N个SM在“投入”和“切除”状态（“闭锁”状态仅在故障或启动时运行）切换，从而使相单元的上下桥臂中点输出电压阶梯波，即不同电平数（电平数愈多，则愈接近正弦波），设电平数为nlevel，则有：nlevel=N+1（N一般取偶数）。 以A相为例，假设N=4，则nlevel=5。 设上桥臂电压Upa，下桥臂电压Una，直流母线电压Udc，并假定上桥臂投入Nup个SM，下桥臂投入Ndown个SM，由基尔霍夫电压定律（KVL）则有 ，Uc有一定的浮动（在此取平均值），Udc恒定时，Nup+Ndown=N，说明实际工程中稳定运行时MMC上下桥臂投入的SM数互补。

1.3 SM数目的确定

±420KV柔性直流换流站工程中选定SM额定电压Uc =1680V,直流母线电压Udc=2*420KV,各桥臂上的SM数目由直流电压和交流电压共同确定，MMC的每个桥臂能产生的电压应满足最大值为直流端电压，最小值为交流电压峰值，因此桥臂SM数应不少于k，实际工程中要求 ，则 ，因此±420KV柔性直流换流站工程中单个桥臂500个SM（子模块），不含冗余，整流侧和逆变侧共12桥臂。

2 ±420KV 柔性直流工程换流站可靠性指标

可靠性模型的建立由于篇幅略，本文借用传统VSC-HVDC的统计数据，可以计算±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站的平均无故障时间T，并比较SM不同冗余时的T。不考虑冗余

（备用）时，直流控保和冷却系统各1套，单桥臂SM500个，将数据代入可靠性公式计算得±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站平均无故障时间T为139.2小时。

±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站实际工程中直流控保和冷却系统均配有冗余，冗余度均为100%，依据上文，考虑SM不同的冗余度和备用方式，计算±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站可靠性指标，如表3所示。SM不冗余，仅直流控保或冷却系统配冗余，对换流站可靠性影响较小；直流控保和冷却系统均配置冗余，对换流站可靠性影响也不大（T=0.016年），但若将SM的冗余配置到8%（即该工程中桥臂SM数由500增加到540个），则换流站平均无故障时间从139.2小时增加到1.32年，从而大大增强了换流站的可靠性。两种备用模式均能大幅提升换流站的可靠性，相较主动备用，被动备用提升可靠性更加明显，但被动备用模式下要求SM控制器能快速切换，对控制器要求很高；而主动备用模式下SM投切频率低，IGBT和电容的故障率实际略低于被动备用模式，但也会引起电容电压波动和桥臂环流等。实际工程中两种备用模式可以兼顾，可进一步提高可靠性。SM冗余10%虽然可以很好提高可靠性，但SM的数量也大幅增加，增加了成本和控制难度，因此该工程SM冗余控制在6%--9%之间。

3 ±420KV柔性直流工程换流站运维预案设计

上文中可靠性指标的高低只表示理论上设备有如此的可靠性，在实际工程中还必须与运行维护规程，操作流程紧密结合才可以保证设备的可靠性指标正常发挥和实现，本节结合上文中的可靠性指标，以IGBT为例设计其运维预案。（因篇幅在此略写）。

运维人员特别注意事项：正常运行时，不得解除阀厅大门钥匙联锁进入阀厅，只有在确定阀厅已停电（IGBT 和换流变压器停运），阀厅内接地刀闸合上后联锁自动解除，方可打开阀厅大门进入阀厅，进入阀厅要正确佩戴安全帽，高处作业要绑安全带；当换流阀一个桥臂的子模块旁路数量超过 40 个（子模块8%冗余）时，阀控系统会闭锁换流阀并将信号上送至 PCP，由 PCP 发命令跳开交流站开关，并发命令至对侧直流站；当发现换流阀一个桥臂的子模块旁路数量达到 30 个（子模块8%冗余）时，须上报严重缺陷，及时向调度申请停电处理，当发现换流阀一个桥臂的子模块旁路数量达到 40 个（子模块8%冗余）时，属于危急缺陷，应立即向调度申请停电处理；阀投运前应将空调装置和阀冷却系统先投入运行，阀设备短时停用时冷却水仍维持循环；若阀设备停用时间较长，仍应保持冷却水系统运行，以避免金属部件腐蚀；当冷却水停用做检修工作后，在换流阀带电前，冷却水必须提前投入运行；当阀厅停电时，需要等待 10 分钟，待电容器自动放电完成后方可进入阀厅。 4 结论

±420千伏/250万千瓦柔性直流换流站在国网湖北省电力公司即将投运，分析计算其可靠性指标，设计其运维预案及操作规程，确保设备安全稳定运行意义重大，本文以可靠性为中心的运维技术研究，具有思路新，实用性和推广性好的特点。 参考文献

[1]王秀丽，郭静丽，庞辉，等. 模块化多电平换流器的结构可靠性分析[J]. 中国电机工程学报. 2016, 36(7): 1908-1914.

[2]Kuo W,Zuo W J.Optimal reliability modeling:principles and applications [M]. New Jersey:John Wiley & Sons Inc,2003:231—280. 作者简介

陈堂贤（1965年9月），男，湖北宜昌人，副教授，硕导，现工作于三峡大学电气与新能源学院，从事柔性电力的教学与研究工作。