柔直换流阀冷却系统配置方案和调试方法
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国网山东省电力公司嘉祥县供电公司的研究人员阮守军、楚国华等，在2018年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，柔性直流换流阀冷却系统正常工作是换流站可投运的前提，是换流站关键辅助设备之一。
本文提出换流阀水冷却系统配置方案和调试方法，首先介绍了冷却系统的内冷却系统、外冷却系统和控制系统的配置方案，并分析了各系统的回路设计和控制原理；然后提出了相应系统的调试方法。本文提出的换流阀冷却系统典型配置方案和调试方法，可为柔性直流输电工程参数设计和运维调试提供参考。
柔性直流换流阀冷却系统可将换流阀内各器件产生的热量通过循环水传送至外部，使IGBT等器件工作在正常温度范围，是柔性直流输电系统的关键配套设备之一。目前柔性直流输电领域研究处于起步阶段[1-6]，冷却系统的配置方案和调试方法均处于摸索阶段，亟需展开冷却系统的相关研究。
目前围绕换流阀冷却系统已有一些研究内容，例如文献[7-8]均提出了换流阀冷却系统传感器单一配置问题，通过增加冗余传感器优化冷却系统。文献[9]通过优化控制逻辑解决了换流阀冷却系统切换过程中的缺陷。
文献[10]分析了阀冷控制保护逻辑缺陷造成的常规直流输电系统强迫停运的事件。文献[11]提出了换流阀冷却水路电极反应的等效电路建模方法。但以上研究集中在传感器配置和冷却系统逻辑优化方面，针对柔性直流换流阀冷却系统的整体配置方案和调试方法的研究内容较少。
本文首先提出柔性直流换流阀冷却系统配置方案，然后给出单体调试、分系统调试、整套起动调试相关调试方法，最后通过试验验证配置方案和调试方法的正确性。
1 柔性直流换流阀冷却系统配置方案
换流阀冷却系统以一个换流阀为单元来提供，每个阀厅一组换流阀设置一套独立的闭式循环水冷却系统，包含内冷却系统、外冷却系统及控制系统。内冷却系统的冷却介质为去离子水；外冷却系统的冷却介质为软化水并采用闭式冷却塔装置；控制系统一般处于自动控制方式下，同时设置手动控制方式。
1）内冷却系统
内冷却系统典型配置如图1所示，关键设备包括主循环泵（两台）、离子交换系统、脱气罐、膨胀罐、原水罐、加热器和相关管道。
图1 内冷却系统典型配置方案
正常工作时由其中一台主循环泵驱动冷却水在管道中流动，冷却水经过换流阀子模块散热器时吸收IGBT、均压电阻等器件的热量[12]，升温后的冷却水流过外冷系统冷却塔的换热盘管道，而冷却塔会通过喷淋、风冷等方式对换热盘管的表面进行降温，使冷却水温度降至目标要求。电加热装置对冷却水温度进行强制补偿，防止进入换流阀的温度过低而导致的凝露现象。
为了保证冷却水具备极低的电导率，在主循环冷却回路上并联了离子交换系统，部分内冷却水将从主循环回路旁路进入离子交换系统进行去离子处理，去离子后的冷却水其电导率将会降低并回流至主循环回路，内冷却水的电导率将会被控制在换流阀所需求的范围之内。膨胀罐保持系统恒压，同时根据膨胀罐液位的高低将原水罐中的纯水补充到内冷却系统。
2）外冷却系统
内冷却系统循环水的降温是通过外冷却系统的冷却塔实现的，目前国内柔直工程冷却塔一般具有外部水喷淋和风机空气散热两种冷却方式。外冷却系统典型配置方案如图2所示。
建议配置3台冷却塔，每台冷却塔冷却容量按照额定容量的一半进行配置，总计可具有150%的冷却容量。此外，外冷却系统还包括喷淋水池、缓蚀阻诟系统、自滤系统、杀菌灭藻系统、软化系统等。
图2 外冷却系统典型配置方案
在冷却水温度较低时，可只运行一台冷却塔，随着冷却水温度的上升，依次运行其余两台冷却塔。根据当前冷却水进阀温度与目标温度间偏差变化，进行PID运算后，输出一模拟量信号给变频器，变频器根据此信号的增大/减小来升频/降频，控制风机起停和转速。
而在设定冷却水温度范围内，喷淋装置强制起动，即使当室外气温较低，风机停运后，喷淋泵仍单独运行，防止管道系统结冻。
喷淋水池将冷却塔内未蒸发的喷淋水回收并重复使用，可节约喷淋水的耗量及提高阀冷系统运行可靠性。补充水经过碳滤器和软化水系统后对喷淋水池进行补水，同时自滤系统、杀菌灭藻系统和缓蚀阻诟系统可过滤水中杂质、防止青苔等微生物滋生和降低盐分浓度等。
3）控制系统
阀冷控制系统宜采用完全双重化冗余设置，两套阀冷控制系统交叉接入直流控制保护系统。每套阀冷控制系统均能处理所有类型的故障。正常情况下，双重化配置的阀冷保护均处于工作状态，两套阀冷控制系统同时采样、同时工作，但只有一套处于激活状态。
阀冷控制系统主从切换时，不会引起柔性直流输电系统功率的波动。允许短时退出其中一套阀冷控制系统，同时当主控制系统保持在运行状态时，允许对从系统进行维修和改进。
阀冷控制系统与直流控制保护系统间采用开关量干接点、模拟量信号和Profibus报文3种方式进行通信。如图3所示，对实时性要求较高的远程控制信号和阀冷系统报警信号，通过开关量I/O节点与直流控制保护系统进行通信；对信息量较大的在线参数、设备状态监测及阀冷系统报警信息报文，通过两路Profibus总线与直流控制保护系统进行通信；环境温度、阀厅温度、冷却水温度等传感器参数通过模拟量信号通道传送至直流控制保护系统。
图3 控制系统典型配置方案
阀冷系统温度控制策略分为低温段、高温段两种模式，由冷却塔上不同频率的冷却风扇、喷淋塔和电加热器共同完成。
（1）低温段。
冬天室外环境温度极低或冷却水进阀温度下降至设定值时，起动电加热器，防止冷却水进阀温度过低导致沿程管路及被冷却器件的损伤；冷却水进阀温度下降至接近露点时，也需起动电热加器，防止换流阀散热器或管路表面结露影响绝缘。
（2）高温段。
室外环境温度较高或冷却水进阀温度处于高温段时，通过控制闭式喷淋塔台数以及风机转速和喷淋泵起停共同实现精密控制冷却系统的循环冷却水温度的要求。如图4所示，控制系统根据当前冷却水进阀温度与目标温度间偏差变化进行PID运算后，输出一模拟量信号给变频器，变频器根据此信号的增大/减小来升频/降频控制风机转速，从而改变系统散热量，使冷却水进阀温度逐渐逼近目标温度并最终稳定在目标温度附近，达到准确控制冷却水进阀温度的目的。
图4 温度控制原理图
2 柔性直流换流阀冷却系统调试方法
2.1 内冷却系统调试方法
内冷却系统调试主要包括离子交换系统调试、膨胀稳压系统调试、脱气加热系统调试和主回路调试等内容。具体试验方法如下。
1）离子交换系统调试
第一步起动补水泵对原水罐注水，冲洗离子交换器罐体，直至出水清澈；第二步向离子交换器注入约1/3罐体高度纯水；第三步装填树脂至设计高度；第四步冲洗树脂直至水质达到设计要求。
2）膨胀稳压系统调试
第一步将膨胀罐及管路用纯水冲洗干净；第二步向罐内注入约1/2的纯水；第三步向罐内充入氮气；第四步调节相关阀门，使内冷系统达到恒压。
3）脱气加热系统调试
第一步将脱气罐及管路用纯水冲洗干净；第二步向罐内注入纯水；第三步起动电加热器；第四步调节相关阀门，使出水温度达到要求。
4）主回路调试
第一步将脱气罐注水至高位；第二步投入内冷回路与换流阀组回路；第三步打开主循环泵进、出口门，排出泵内空气后起动主循环泵；第四步调整系统流量达到设计规范书要求。
2.2 外冷却系统调试方法
外冷却系统调试主要包括喷淋冷却系统调试、自滤系统调试、杀菌灭藻系统调试和缓蚀阻诟系统调试等内容，具体试验方法如下：
1）喷淋冷却系统调试
第一步将喷淋水池注水至高位；第二步开启闭式冷却塔；第三步打开喷淋泵进、出口门，排出泵内空气后起动喷淋泵；第四步调整喷淋水流量达到设计规范书要求。
2）自滤系统调试
第一步将砂滤罐体及管路用软化水冲洗干净；第二步按设计要求装填滤料至设计高度；第三步冲洗砂滤过滤器至出水水质达到要求。
3）杀菌灭藻系统调试
第一步对管道和溶药箱进行冲洗；第二步向溶药箱中配制约2/3液位的杀菌灭藻剂，打开计量泵进、出口门，排出泵内空气后起动计量泵向外循环系统添加杀菌灭藻剂；第三步根据外循环系统补水情况及化验结果，及时调整加药量。
4）缓蚀阻诟系统调试
第一步用软化水对管道和溶药箱进行冲洗；第二步向溶药箱中配制约2/3液位的缓蚀阻垢剂，打开计量泵进、出口门，排出泵内空气后起动计量泵向外循环系统添加缓蚀阻垢剂；第三步根据外循环系统补水情况及化验结果，及时调整加药量。
2.3 控制系统调试方法
阀冷控制系统调试内容主要包括关键控制指令执行、控制逻辑验证、故障后动作情况和温度控制逻辑等，具体调试内容和相关功能正常的判断依据见表1。
表1 控制系统调试内容与判断依据
3 结论
本文首先提出柔性直流输电换流阀冷却系统的配置方案，包括内冷却系统、外冷却系统和控制系统的典型配置方案。然后提出冷却系统调试方法，包括离子交换系统调试、主回路调试、喷淋冷却系统调试等内容，最后提出了阀冷控制系统的构成，分析了控制指令执行、逻辑验证和故障保护情况。
本文提出的换流阀冷却系统配置方案、内外冷系统调试方法和控制系统构架；可为柔性直流输电工程参数设计和运维调试提供参考。