[發明專利]晶閘管在線通態電壓監測系統及方法

有效

• 申請號: 202110301987.0
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113162099B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 張品佳;楊雁勇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36;H02M1/06;H02M1/32;G01R31/26
• 代理公司: 北京中創云知識產權代理事務所(普通合伙) 11837
• 代理人: 肖佳

本發明涉及一種可應用在HVDC系統中的晶閘管在線通態電壓監測系統及方法，通過在該電壓監測系統中設置測量回路和保護回路，當系統中待測晶閘管導通時，電流流經測量回路，根據測試點處的電壓即可精確獲取直流輸電換流閥中晶閘管的通態壓降，以實現對直流輸電系統的精確監測。本發明提供的監測系統及方法用于高壓直流輸電系統中，無需對系統實現停機操作，并且利用了高壓直流輸電系統中換流閥的通斷周期直接在線實施對晶閘管的實時監測和器件保護，提高了效率的同時降低成本。精確的晶閘管閥通態壓降監測可以監測換流閥各橋臂的不一致情況，進而實現對觸發角和熄弧角的精確控制、優化直流輸電系統的無功需求，減小了換相失敗發生可能性。

技術領域

本發明涉及高壓直流輸電技術領域，尤其涉及一種可應用在HVDC系統中 的晶閘管在線通態電壓監測系統及方法。

背景技術

隨著經濟和社會的快速發展，電力需求量不斷增加。目前的輸電形式按照 電壓類型分為直流輸電和交流輸電。其中高壓直流輸電(HVDC)具有損耗低、 節約土地的特點，而且對于遠距離大容量輸電應用具有顯著的技術經濟優勢。 因此，HVDC受到越來越多的關注并有大量的HVDC輸電線路在世界各地已經 建成或正在建設。HVDC根據使用的開關器件分為傳統的使用半控型器件(比 如晶閘管)的線路換流高壓直流(LCC-HVDC)以及使用全控器件(比如IGBT) 的柔性直流輸電。晶閘管在通態時能承受非常大的浪涌電流，在關態時能承受非常高的電壓，是目前所有電力電子器件中最高的。因此，特高壓直流大 容量電力傳輸目前仍然主要采用傳統的線路換流高壓直流(LCC-HVDC)輸電來 實現。

晶閘管是LCC-HVDC中最為關鍵的部件。對于幾百千伏的直流輸電工程， 一個換流閥橋臂往往由幾十個甚至上百個晶閘管串聯組成。我國向家壩-上海 (±800kv)特高壓直流示范工程中使用的晶閘管在出廠時，即使同一批次的晶 閘管，通態電壓最大差別為0.056V。即使進行了一定的技術改進，單晶閘管 通態電壓最大差別仍然達到0.043V。因此,晶閘管的導通電壓的差異是存在 且不可避免的。另外，隨著運行時間的增加，換流閥的老化問題越來越嚴重， 晶閘管通態電壓的不一致性也越來越突出。另外，偶爾的換向故障、雷電浪 涌、運行過流等因素也會加劇換流閥的不一致老化。此外，各個換流閥(晶 閘管)的散熱條件存在不同，所處的安裝位置存在不同，使得各個換流閥(晶 閘管)的通態特性存在差異。而各個換流閥橋臂之間的通態電壓不一致會對 LCC-HVDC的換相過程產生影響。

在實際直流輸電工程中，光觸發換流閥系統的每個晶閘管均配備一個晶 閘管電壓監測板(簡稱TVM板)。TVM板的主要功能不僅對閥內各個串聯晶 閘管的關斷電壓進行均壓，同時還可以檢測晶閘管的正向阻斷情況以及是否 開通，將監測的三種情況(反向阻斷、正向阻斷以及導通)通過三種不同脈 沖寬度的回報信號進行回報。通過對反向阻斷、正向阻斷以及導通這三種信 號的發生時刻及發生情況進行識別，可以判斷晶閘管的運行狀態。然而TVM 板沒有換流閥晶閘管精確的通態壓降測量功能。而晶閘管的通態壓降可用來 表征換流閥的健康狀態并且會影響LCC-HVDC的換相過程，所以實時在線監 測通態壓降非常重要且非常必要

關于在線監測通態壓降的電路方案，有IGBT的通態電壓監測方法和 MOSFET的通態電壓監測方法被研究和提出，然而IGBT和MOSFET均為只能承 受正向大電壓的器件，不能承受反向的大電壓，所以無法將IGBT和MOSFET 的電壓監測電路簡單應用在晶閘管上。

此外，換相失敗是LCC-HVDC不可避免的問題。然而現有的換相失敗分析 幾乎沒有考慮晶閘管壓降對換相失敗的影響。現有的直流輸電晶閘管觸發角 計算也并未充分考慮晶閘管的通態壓降，使得計算的理論值與實際需要的最 佳觸發角值存在差異。為了掩蓋換流閥通態壓降不一致對換相過程的影響， 目前的解決方法是增加安全裕度觸發角，以彌補閥和晶閘管參數不一致的問 題。換流站要求的無功功率不僅受有功功率值的影響，還與許多其他運行參 數有關，其中觸發角是最敏感的。因此，增大安全裕度角會使換流站消耗更多的無功功率。大量的無功功率導致系統運行效率降低，成本增加。

發明內容