摘要：柔性直流输变电是一种基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术，该技术是以电压源换流器、IGBT和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术。与采用晶闸管的传统直流输变电不同，柔性直流输变电最突出的技术特点是采用了全控型的电力电子器件IGBT。柔性直流输电的系统反应速度快、可控性较好、运行方式灵活。该输变电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。因此需要深入的分析柔性直流输变电用电力电子电容器性能需求和工作状况，有的放矢的设计、验证该电容器。
关键词：柔性；直流输电用电力；电子电容器；测试；工程应用
引言
本文讨论了柔性直流输电工程中对电力电子电容器的要求，利用热稳定性试验、耐久性试验、冲击放电试验、寄生电感试验等手段检测电容器的主要性能，评估电容器是否符合柔性直流输电工程需求。通过工程应用比较，国产电容器表面温度低于进口电容器。另外，文章还讨论了柔性直流输电用电容器的保护及其高可靠性和长寿命发展方向等问题。
1柔性直流输电中电力电子电容器的试验方案确立
1.1柔性直流输电对电容器的需求分析
电力电子电容器型式试验主要是依据GB/T17702—2013等标准进行。该标准主要有耐久性试验、热稳定性试验、损耗测量等，引用的试验标准还有环境试验、振动冲击试验等。这些无一不涉及到电容器在使用中的可靠性、安全性、发热量等问题。由于柔性直流输电工程有着自身的特殊要求，对电容器的部分指标要求很高。多年来我们结合柔性直流输电的工程特点和电力电子电容器的试验标准，会同国内外知名电企共同确立了柔性直流输电用电力电子电容器的参数要求。此举可以有效地验证电容器在柔性直流输电项目中是否能够满足使用的需求。
1.2柔性直流输变电用电容器关注的参数、指标
综上所述，我们考虑电容器测试除了满足电力电子电容器标准的要求，对下列试验项目提出了更为严苛的要求。
2电容器测试的要求和结果
2.1热稳定性试验
根据GB/T17702—2013标准热稳定性试验条款，电容器放置在最高环境温度的烘箱中，对电容器施加1.21Pmax电流持续48h，电容器在最后6h的温升变化小于1K。试验结束后测量电容器电容值，其变化小于一个元件击穿或一个内部熔丝动作之量，试验结束时应测量损耗。柔性直流输电用电容器为薄膜电容器，作为绝缘介质的薄膜材料会随着温度的上升加速老化。以2200Vdc-10000μF电容器为例，制造方和客户协商电容器内部最热点温升控制在20K以内。为此我们强化了载流设计，控制了温升。
2.2耐久性试验
根据标准GB/T17702—2013耐久性试验条款，将电容器放置在最高环境温度的烘箱中，对电容器施加1.3Un电压持续500h或1.4Un持续250h，再对电容器施加1.1Un电压，通过合适的放电回路产生1.4Î的放电电流1000次。然后将电容器放置在最高环境温度的烘箱中，对电容器施加1.3Un电流持续500h或1.4Un持续250h。试验结束后测量电容器容量变化≤-3%，判定为合格。
2.3冲击放电试验
根据标准GB/T17702冲击放电试验条款，对电容器施加1.1Un电压，通过调整放电回路使Îtest=1.1Îs，冲击放电5次。放电后对电容器进行端子间耐压试验。试验结束后测量电容器容量变化≤1%，损耗tanδ≤1.2tanδ0+1×10-4判定为合格。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于柔性直流输变电项目常年运行，工程遭受雷击、负载短路或线路接地等故障时会对系统产生极大的干扰，因此柔性直流输变电用电容器必须能够承受很大的、更多次数的冲击电流。以2200Vdc-10000μF电容器为例，电容器可以承受10次880kA的峰值电流。
3柔性直流输电用电容器的工程应用
3.1柔性直流输电用电容器的发热问题
柔性直流输电由于工程传输功率很大，系统电流高达数千安培，工程中的各个器件的发热均要严格控制。薄膜电容器的发热主要是介质损耗和接触电阻引起的。我们一般用ESR来衡量电容器的发热情况。在工程中我们可以通过红外成像来观察电容器发热的情况。
通过工程中运行的电容器热成像中的某进口电容器发热比右上角的国产电容器整体偏高。最热点相同位置比较，某进口电容器温度为24.7℃，国产电容器温度为17℃。控制发热有两个意义：①柔性直流输电工程不同容量的项目使用的电力电子电容器一般在5000~20000台，哪怕一台电容器多消耗2~3W的有功功率，一个阀厅每小时将额外消耗数十kW的电力。同时增加数十kW发热，进一步需要消耗电力来进行排风或制冷。②薄膜电容器使用聚丙烯膜作为介质，绝缘材料的特性决定了随着温度的升高，绝缘材料的使用寿命将下降，发生击穿等故障的风险将上升，因此控制电容器发热非常重要。
3.2柔性直流输电用电容器的保护问题
柔性直流输电项目目前多用于区域性输电、海岛供电和新能源接入等项目，安全输电是项目的关键指标。在柔性直流输电工程中对电容器的电压、电流实时监控和快速继电保护都有相应考虑，而电力电子电容器自身也可以设置压力保护。在柔性直流输电用电容器上设置过压力保护主要基于两个方面考虑：①由于柔性直流输电项目使用电容器数量多达5000~20000台，而且工程的物理空间较大，假如发生故障希望在最短的时间内准确定位故障位置，便于解决问题。②希望通过设置过压力保护装置提前预知问题，在电容器达到故障状态前发现问题、提供报警，从而切断该模块的工作，避免故障的发生，让工程安全运行。
4柔性直流输变电用电容器发展方向
随着技术进步，柔性直流输变电的发展迅猛。工程项目不光是数量的增长，容量、电压等级也在提高，我们预见柔性直流输变电将来会有更好的发展。对柔性直流输变电用电容器的要求也随之越来越高，主要体现在以下几个方面。1)提高可靠性、降低故障率、延长平均无故障运行时间。只有高品质的元器件才能提升柔性直流输变电项目的稳定性。我们期望电力电子电容器的失效率降低到SOFIT以下。2)延长电容器使用寿命，降低全项目生命周期内的运行成本。电力电子电容器占柔性直流输变电阀厅造价的15%^-20%，如果将电容器的预期寿命提高到30年以上，将有效控制运行成本。3)降低电容器ESR，减小有功功率、减少发热。由此将提高柔性直流输变电传输效率、减少电能损耗。4)由于柔性直流输变电使用电容器数量较多，减小电容器体积，可压缩阀厅空间，降低柔性直流输变电项目建设成本。
结语
柔性直流输变电技术是一项新兴技术，我国目前投入数个项目。从输电电压等级、输电容量、多端运行的技术和工程经验来说处于世界先进水平。我们也完全掌握了柔性直流输变电的设计和制造的核心技术。随着超高压直流断路器等关键器件的技术进步，柔性直流输变电势必迅猛发展。国产电子生产的电力电子电容器作为柔性直流输变电项目的核心元器件已使用在国内的多个项目中，目前运行良好，部分指标优于进口产品。随着柔性直流输变电行业的发展，国产电子将提供优质的产品和服务，进一步提升品质，提高柔性直流输变电项目中的电容器国产化率，为中国的清洁能源、高效输电贡献一份力量。
参考文献
［1］汤广福，罗湘，魏晓光. 多端直流输电与直流电网技术[J]. 中国电机工程学报，2016，33（10）：8⁃17.
［2］马为民，吴方劼，杨一鸣，等，柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 高电压技术，2016，40（8）:2430⁃2439.
［3］ 邱大强. 柔性直流输配电系统控制策略研究[D]. 成都：西南交通大学，2017.
论文作者:陈忠友
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：电容器论文; 柔性论文; 输变电论文; 工程论文; 项目论文; 容器论文; 电压论文; 《基层建设》2019年第7期论文;