郑 昆

（国网湖北直流公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

柔性直流输电技术是新一代直流输电技术，基于由绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）组成的电压源换流器来实现。IGBT属于可关断型电力电子元件，其优点是可以灵活的调节电压的幅值和相角。基于这一优势，柔性直流输电系统在孤岛供电、分布式供电、新能源并网、交流系统异步互联、跨区域输电等领域的应用前景十分良好[1]。

目前，我国的电网架构中川渝电网与河南省、湖南省、湖北省以及江西省电网之间仅有4条500 kV联络线，导致渝鄂断面承受潮流转移的能力较差。此外，随着四川省内向家坝-上海、锦屏-苏南、溪洛渡-浙江3个高压直流输电工程投产，川渝电网“强直弱交”问题突出。一旦上述直流输电系统发生故障，可能引起川渝断面大规模潮流转移，有进而发生联络线解列的风险。因此，为了解决区域电网的安全稳定问题，协调水电开发与输电通道建设，亟需对区域电网重新进行统筹规划，优化调整网间同步性。

在此背景下，渝鄂背靠背直流输电工程开工建设。工程建成后渝鄂断面将实现川渝电网与华中电网的异步互联。工程采用基于模块化多电平换流器（Modular-Multilevel-Converter，MMC）的柔性直流输电技术，这种采用MMC拓扑换流器的优点是触发系统均压需求低、系统具有强可扩展能力、系统总体开关频率低以及换流站运行消耗小，同时还继承了传统电压源换流器所有优点。随着采用MMC换流阀的柔性直流输电系统在电力系统中的应用越来越普遍，有必要对其进行相应研究，通过分析柔性直流工程换流阀常见故障的方式，便于现场找到更合理的应对措施，进行相应改进。

1 渝鄂柔直换流阀子模块结构

子模块是柔直换流阀系统的基本功率单元，每个子模块都是一个半桥型结构，由两个IGBT和两个续流二极管以及一个直流电容组成。在图1所示的半桥子模块拓扑结构中，各子模块的直流侧电容电压之和即是系统中直流母线的电压。根据子模块中两个IGBT的不同导通状态，子模块具有3种工作模式。换流阀控制系统通过控制IGBT的开断，将子模块置于不同的工作模式下，达到调节直流输出电压的目的。当IGBT1开通时，电容通过IGBT1充电，直至达到额定电压Uc；当IGBT2开通时，电容通过IGBT2放电，电压最终降至0；当两个IGBT都关断时，子模块两端输出电压为电容额定电压Uc。

图1 MMC子模块拓扑结构

在工程应用中，子模块中包括的主要设备有IGBT模块、直流储能电容、并联电阻、IGBT栅极驱动器单元（Gate Driver Unit，GDU）、续流晶闸管、旁路开关和子模块可配置逻辑单元(Configurable Logic Cell，CLC）以及图中未标出的子模块供电单元和散热器等，如图2所示。

其中取能电源是实现子模块控制的关键部件，它从直流电容取电并为子模块控制单元和IGBT驱动电路等元器件供能；子模块控制元件作为与阀控系统通信的媒介，接收系统控制命令并向IGBT驱动板、晶闸管和旁路开关等发出操作指令，同时向阀控系统回报子模块的各种状态监测信息和操作命令执行情况；IGBT驱动板提供IGBT的驱动电压，实现对IGBT导通和关断的控制。

2 子模块电源故障

正常工作时取能电源从直流电容取电，子模块的储存控制单元（Storage Control Element，SCE）、IGBT驱动板甚至旁路开关触发器都要靠取能电源供电。因此，若电源出现故障导致子模块失电，控制系统无法驱动IGBT开闭，实现对子模块的控制，严重时甚至无法闭合旁路开关切除故障子模块。同时，子模块控制单元的失电会导致上行通信中断，整个故障子模块成为“黑模块”。取能电源回路如图3所示。

图3 子模块供电回路设计

考虑到取能电源的重要性，阀控系统中设置了子模块电源保护，其功能主要是防止由取能电源故障而引起的子模块控制单元失电，保护将发生电源故障的子模块旁路以免子模块误动。通过子模块控制单元实时监测取能电源输出，当检测到高压电源输出小于176 V（±5%）且持续600 us以上，或低压电源输出小于12.6 V且持续600 us以上时，都会判取能电源故障，保护直接闭锁子模块并发出旁路开关闭合指令。

3 故障案例分析

2019年8月23日00:49，渝鄂柔直工程南通道施州换流站单元I阀控A、B系统发“渝侧C相上桥臂3#阀塔5层3#组件1#子模块故障，旁路开关拒动，阀控请求跳闸”告警，单元1直流系统闭锁。

经现场检查，发现系统跳闸前该故障子模块发出过15 V电源电压异常告警，后再报出上行通信故障，说明此时子模块已无法工作，与阀控通信中断。而15 V电压是子模块控制单元的供电电源，因此可判断是供电电源的丢失造成了控制单元失电，从而造成了旁路触发指令无法下发，子模块旁路拒动，直流系统闭锁。

对故障子模块元器件进一步检查发现，该子模块的上管IGBT驱动板中出现了元件短路。因子模块控制单元与上、下管IGBT驱动板之间没有隔离，当其中一驱动板出现元件短路时，低压电源和子模块控制板中的储能电容迅速向短路点放电，造成了控制板迅速失电。同时，通过对报文的分析可以看出，虽然子模块早已上报15 V电源异常故障告警，但阀控并未采取动作，导致控制单元完全失电后故障范围扩大。这是由于施州站换流阀的取能电源故障动作逻辑是出现电源欠压故障时（低于12.6 V并持续600 us），仅判“15 V电源异常”而不采取动作，而是等待后续的故障进一步发展产生的其它类型故障（驱动故障、欠压故障等）进行保护动作。这种保护策略，不能在第一时间发出子模块旁路闭合命令，造成了保护延迟，存在重大隐患。

4 故障应对措施

4.1 改变故障保护策略

故障应对第一步首先是改变故障保护策略。在上述故障中，如果能在15 V电源电压下降到无法满足子模块控制单元发出旁路触发指令之前即触发旁路，那么就可能避免故障的发生。因此将子模块检测到电源异常时仅上报告警的策略改为将15 V电源异常作为严重故障处理，当检测到15 V电源异常时，直接闭锁子模块并闭合旁路开关。改进的电源故障保护逻辑如图4所示。

图4 改进的电源故障保护逻辑

4.2 增加辅助隔离

其次是在共用15 V电源的子模块控制单元和上、下管IGBT驱动板之间增加隔离措施。15 V供电回路改进方案如图5所示，在15 V电源输出与IGBT驱动板、控制单元之间增加二极管进行隔离，这样当IGBT驱动板内部出现短路时，子模块控制单元内部储能电容至短路点的泄放路径被阻断，即使15 V电源出现异常，也能通过内部储能电容继续维持控制供电至少20 ms，这个时间完全可满足旁路开关的触发和动作时间，确保子模块可靠旁路。

图5 15 V供电回路改进方案

4.3 应用效果

现场对改进后的子模块性能做了测试。模拟发生15 V电源故障后的情况。从录波（见图6）可以看出，执行改进措施后，即使15 V电源发生金属性短路，子模块控制单元仍能维持供电直至发出旁路指令，正常收到并上报旁路开关反馈信号。

图6 改进后故障测试录波

5 结 论

渝鄂柔直工程是柔直输电技术在高电压等级、大输送容量背景下应用的代表性工程。结合渝鄂背靠背柔直输电工程，考虑工程中换流阀的设计特点，对柔直换流阀子模块的电源故障进行了研究，提出了故障应对措施并实验验证其效果，切实有效的提升了渝鄂柔直换流阀系统的可靠性。