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國網(wǎng)山東省電力公司嘉祥縣供電公司的研究人員阮守軍、楚國華等，在2018年第5期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)正常工作是換流站可投運的前提，是換流站關(guān)鍵輔助設(shè)備之一。
本文提出換流閥水冷卻系統(tǒng)配置方案和調(diào)試方法，首先介紹了冷卻系統(tǒng)的內(nèi)冷卻系統(tǒng)、外冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的配置方案，并分析了各系統(tǒng)的回路設(shè)計和控制原理；然后提出了相應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)試方法。本文提出的換流閥冷卻系統(tǒng)典型配置方案和調(diào)試方法，可為柔性直流輸電工程參數(shù)設(shè)計和運維調(diào)試提供參考。
柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)可將換流閥內(nèi)各器件產(chǎn)生的熱量通過循環(huán)水傳送至外部，使IGBT等器件工作在正常溫度范圍，是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵配套設(shè)備之一。目前柔性直流輸電領(lǐng)域研究處于起步階段[1-6]，冷卻系統(tǒng)的配置方案和調(diào)試方法均處于摸索階段，亟需展開冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究。
目前圍繞換流閥冷卻系統(tǒng)已有一些研究內(nèi)容，例如文獻[7-8]均提出了換流閥冷卻系統(tǒng)傳感器單一配置問題，通過增加冗余傳感器優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。文獻[9]通過優(yōu)化控制邏輯解決了換流閥冷卻系統(tǒng)切換過程中的缺陷。
文獻[10]分析了閥冷控制保護邏輯缺陷造成的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)強迫停運的事件。文獻[11]提出了換流閥冷卻水路電極反應(yīng)的等效電路建模方法。但以上研究集中在傳感器配置和冷卻系統(tǒng)邏輯優(yōu)化方面，針對柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)的整體配置方案和調(diào)試方法的研究內(nèi)容較少。
本文首先提出柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案，然后給出單體調(diào)試、分系統(tǒng)調(diào)試、整套起動調(diào)試相關(guān)調(diào)試方法，最后通過試驗驗證配置方案和調(diào)試方法的正確性。
1 柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案
換流閥冷卻系統(tǒng)以一個換流閥為單元來提供，每個閥廳一組換流閥設(shè)置一套獨立的閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，包含內(nèi)冷卻系統(tǒng)、外冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。內(nèi)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為去離子水；外冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為軟化水并采用閉式冷卻塔裝置；控制系統(tǒng)一般處于自動控制方式下，同時設(shè)置手動控制方式。
1）內(nèi)冷卻系統(tǒng)
內(nèi)冷卻系統(tǒng)典型配置如圖1所示，關(guān)鍵設(shè)備包括主循環(huán)泵（兩臺）、離子交換系統(tǒng)、脫氣罐、膨脹罐、原水罐、加熱器和相關(guān)管道。
圖1 內(nèi)冷卻系統(tǒng)典型配置方案
正常工作時由其中一臺主循環(huán)泵驅(qū)動冷卻水在管道中流動，冷卻水經(jīng)過換流閥子模塊散熱器時吸收IGBT、均壓電阻等器件的熱量[12]，升溫后的冷卻水流過外冷系統(tǒng)冷卻塔的換熱盤管道，而冷卻塔會通過噴淋、風(fēng)冷等方式對換熱盤管的表面進行降溫，使冷卻水溫度降至目標(biāo)要求。電加熱裝置對冷卻水溫度進行強制補償，防止進入換流閥的溫度過低而導(dǎo)致的凝露現(xiàn)象。
為了保證冷卻水具備極低的電導(dǎo)率，在主循環(huán)冷卻回路上并聯(lián)了離子交換系統(tǒng)，部分內(nèi)冷卻水將從主循環(huán)回路旁路進入離子交換系統(tǒng)進行去離子處理，去離子后的冷卻水其電導(dǎo)率將會降低并回流至主循環(huán)回路，內(nèi)冷卻水的電導(dǎo)率將會被控制在換流閥所需求的范圍之內(nèi)。膨脹罐保持系統(tǒng)恒壓，同時根據(jù)膨脹罐液位的高低將原水罐中的純水補充到內(nèi)冷卻系統(tǒng)。
2）外冷卻系統(tǒng)
內(nèi)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水的降溫是通過外冷卻系統(tǒng)的冷卻塔實現(xiàn)的，目前國內(nèi)柔直工程冷卻塔一般具有外部水噴淋和風(fēng)機空氣散熱兩種冷卻方式。外冷卻系統(tǒng)典型配置方案如圖2所示。
建議配置3臺冷卻塔，每臺冷卻塔冷卻容量按照額定容量的一半進行配置，總計可具有150%的冷卻容量。此外，外冷卻系統(tǒng)還包括噴淋水池、緩蝕阻詬系統(tǒng)、自濾系統(tǒng)、殺菌滅藻系統(tǒng)、軟化系統(tǒng)等。
圖2 外冷卻系統(tǒng)典型配置方案
在冷卻水溫度較低時，可只運行一臺冷卻塔，隨著冷卻水溫度的上升，依次運行其余兩臺冷卻塔。根據(jù)當(dāng)前冷卻水進閥溫度與目標(biāo)溫度間偏差變化，進行PID運算后，輸出一模擬量信號給變頻器，變頻器根據(jù)此信號的增大/減小來升頻/降頻，控制風(fēng)機起停和轉(zhuǎn)速。
而在設(shè)定冷卻水溫度范圍內(nèi)，噴淋裝置強制起動，即使當(dāng)室外氣溫較低，風(fēng)機停運后，噴淋泵仍單獨運行，防止管道系統(tǒng)結(jié)凍。
噴淋水池將冷卻塔內(nèi)未蒸發(fā)的噴淋水回收并重復(fù)使用，可節(jié)約噴淋水的耗量及提高閥冷系統(tǒng)運行可靠性。補充水經(jīng)過碳濾器和軟化水系統(tǒng)后對噴淋水池進行補水，同時自濾系統(tǒng)、殺菌滅藻系統(tǒng)和緩蝕阻詬系統(tǒng)可過濾水中雜質(zhì)、防止青苔等微生物滋生和降低鹽分濃度等。
3）控制系統(tǒng)
閥冷控制系統(tǒng)宜采用完全雙重化冗余設(shè)置，兩套閥冷控制系統(tǒng)交叉接入直流控制保護系統(tǒng)。每套閥冷控制系統(tǒng)均能處理所有類型的故障。正常情況下，雙重化配置的閥冷保護均處于工作狀態(tài)，兩套閥冷控制系統(tǒng)同時采樣、同時工作，但只有一套處于激活狀態(tài)。
閥冷控制系統(tǒng)主從切換時，不會引起柔性直流輸電系統(tǒng)功率的波動。允許短時退出其中一套閥冷控制系統(tǒng)，同時當(dāng)主控制系統(tǒng)保持在運行狀態(tài)時，允許對從系統(tǒng)進行維修和改進。
閥冷控制系統(tǒng)與直流控制保護系統(tǒng)間采用開關(guān)量干接點、模擬量信號和Profibus報文3種方式進行通信。如圖3所示，對實時性要求較高的遠程控制信號和閥冷系統(tǒng)報警信號，通過開關(guān)量I/O節(jié)點與直流控制保護系統(tǒng)進行通信；對信息量較大的在線參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及閥冷系統(tǒng)報警信息報文，通過兩路Profibus總線與直流控制保護系統(tǒng)進行通信；環(huán)境溫度、閥廳溫度、冷卻水溫度等傳感器參數(shù)通過模擬量信號通道傳送至直流控制保護系統(tǒng)。
圖3 控制系統(tǒng)典型配置方案
閥冷系統(tǒng)溫度控制策略分為低溫段、高溫段兩種模式，由冷卻塔上不同頻率的冷卻風(fēng)扇、噴淋塔和電加熱器共同完成。
（1）低溫段。
冬天室外環(huán)境溫度極低或冷卻水進閥溫度下降至設(shè)定值時，起動電加熱器，防止冷卻水進閥溫度過低導(dǎo)致沿程管路及被冷卻器件的損傷；冷卻水進閥溫度下降至接近露點時，也需起動電熱加器，防止換流閥散熱器或管路表面結(jié)露影響絕緣。
（2）高溫段。
室外環(huán)境溫度較高或冷卻水進閥溫度處于高溫段時，通過控制閉式噴淋塔臺數(shù)以及風(fēng)機轉(zhuǎn)速和噴淋泵起停共同實現(xiàn)精密控制冷卻系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水溫度的要求。如圖4所示，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前冷卻水進閥溫度與目標(biāo)溫度間偏差變化進行PID運算后，輸出一模擬量信號給變頻器，變頻器根據(jù)此信號的增大/減小來升頻/降頻控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而改變系統(tǒng)散熱量，使冷卻水進閥溫度逐漸逼近目標(biāo)溫度并最終穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近，達到準(zhǔn)確控制冷卻水進閥溫度的目的。
圖4 溫度控制原理圖
2 柔性直流換流閥冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法
2.1 內(nèi)冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法
內(nèi)冷卻系統(tǒng)調(diào)試主要包括離子交換系統(tǒng)調(diào)試、膨脹穩(wěn)壓系統(tǒng)調(diào)試、脫氣加熱系統(tǒng)調(diào)試和主回路調(diào)試等內(nèi)容。具體試驗方法如下。
1）離子交換系統(tǒng)調(diào)試
第一步起動補水泵對原水罐注水，沖洗離子交換器罐體，直至出水清澈；第二步向離子交換器注入約1/3罐體高度純水；第三步裝填樹脂至設(shè)計高度；第四步?jīng)_洗樹脂直至水質(zhì)達到設(shè)計要求。
2）膨脹穩(wěn)壓系統(tǒng)調(diào)試
第一步將膨脹罐及管路用純水沖洗干凈；第二步向罐內(nèi)注入約1/2的純水；第三步向罐內(nèi)充入氮氣；第四步調(diào)節(jié)相關(guān)閥門，使內(nèi)冷系統(tǒng)達到恒壓。
3）脫氣加熱系統(tǒng)調(diào)試
第一步將脫氣罐及管路用純水沖洗干凈；第二步向罐內(nèi)注入純水；第三步起動電加熱器；第四步調(diào)節(jié)相關(guān)閥門，使出水溫度達到要求。
4）主回路調(diào)試
第一步將脫氣罐注水至高位；第二步投入內(nèi)冷回路與換流閥組回路；第三步打開主循環(huán)泵進、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動主循環(huán)泵；第四步調(diào)整系統(tǒng)流量達到設(shè)計規(guī)范書要求。
2.2 外冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法
外冷卻系統(tǒng)調(diào)試主要包括噴淋冷卻系統(tǒng)調(diào)試、自濾系統(tǒng)調(diào)試、殺菌滅藻系統(tǒng)調(diào)試和緩蝕阻詬系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容，具體試驗方法如下：
1）噴淋冷卻系統(tǒng)調(diào)試
第一步將噴淋水池注水至高位；第二步開啟閉式冷卻塔；第三步打開噴淋泵進、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動噴淋泵；第四步調(diào)整噴淋水流量達到設(shè)計規(guī)范書要求。
2）自濾系統(tǒng)調(diào)試
第一步將砂濾罐體及管路用軟化水沖洗干凈；第二步按設(shè)計要求裝填濾料至設(shè)計高度；第三步?jīng)_洗砂濾過濾器至出水水質(zhì)達到要求。
3）殺菌滅藻系統(tǒng)調(diào)試
第一步對管道和溶藥箱進行沖洗；第二步向溶藥箱中配制約2/3液位的殺菌滅藻劑，打開計量泵進、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動計量泵向外循環(huán)系統(tǒng)添加殺菌滅藻劑；第三步根據(jù)外循環(huán)系統(tǒng)補水情況及化驗結(jié)果，及時調(diào)整加藥量。
4）緩蝕阻詬系統(tǒng)調(diào)試
第一步用軟化水對管道和溶藥箱進行沖洗；第二步向溶藥箱中配制約2/3液位的緩蝕阻垢劑，打開計量泵進、出口門，排出泵內(nèi)空氣后起動計量泵向外循環(huán)系統(tǒng)添加緩蝕阻垢劑；第三步根據(jù)外循環(huán)系統(tǒng)補水情況及化驗結(jié)果，及時調(diào)整加藥量。
2.3 控制系統(tǒng)調(diào)試方法
閥冷控制系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容主要包括關(guān)鍵控制指令執(zhí)行、控制邏輯驗證、故障后動作情況和溫度控制邏輯等，具體調(diào)試內(nèi)容和相關(guān)功能正常的判斷依據(jù)見表1。
表1 控制系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容與判斷依據(jù)
3 結(jié)論
本文首先提出柔性直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)的配置方案，包括內(nèi)冷卻系統(tǒng)、外冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的典型配置方案。然后提出冷卻系統(tǒng)調(diào)試方法，包括離子交換系統(tǒng)調(diào)試、主回路調(diào)試、噴淋冷卻系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容，最后提出了閥冷控制系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了控制指令執(zhí)行、邏輯驗證和故障保護情況。
本文提出的換流閥冷卻系統(tǒng)配置方案、內(nèi)外冷系統(tǒng)調(diào)試方法和控制系統(tǒng)構(gòu)架；可為柔性直流輸電工程參數(shù)設(shè)計和運維調(diào)試提供參考。
