一种适用于柔直换流阀功率模块的改进型测试装置

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2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛

柔性直流输电技术在国内外得到广泛应用，其容量和电压等级也在逐步提高。柔性直流换流阀通常采用功率模块级联方案，每个桥臂级联的功率模块数量众多，投运后会出现部分功率模块故障现象。传统的功率模块测试装置功能有限，测试效率低并且测试准确性不高。

中国南方电网超高压输电公司天生桥局、荣信汇科电气技术有限责任公司的研究人员郝良收、王丰、李宁、廖其艳，在2020年第6期《电气技术》杂志上撰文，提出了一种改进型功率模块测试装置方案。该方案具有功能多、自动化程度高和测试准确率高等优点。

柔性直流输电技术目前在国内外得到了广泛的应用，其规模、容量和电压等级也在逐步提高，完全一致的功率模块级联方案，在研发、生产、测试及后期维护上都有着明显的优势。

目前，国内已投运的柔性直流输电工程有南澳多端柔性直流输电示范工程、舟山多端柔性直流输电工程、厦门柔性直流输电工程、云南鲁西背靠背直流输电工程、渝鄂背靠背联网工程以及建设中的乌东德混合多端直流输电工程等。结合这些工程，一些高校和科研机构对柔直换流阀的拓扑结构、系统控制、故障特性、保护策略等方面做了大量的研究工作，也积累了比较全面的技术方案。

仅此为止，针对换流阀功率模块测试装置的研究还远远不够，由于柔直工程换流阀功率模块基数十分庞大，所以在投运后难免会出现功率模块故障的情况，故障模块数量较少时可以进行旁路处理，一旦数目过多，就会直接导致系统跳闸。再者，传统的功率模块测试装置功能有限，测试效率低，测试准确性不高。

本文针对传统功率模块测试装置的不足，提出一种改进型的功率模块测试装置方案。该测试装置不仅包含传统测试装置所有的功能，而且新增了一些实用功能，包括测试装置自检、快速放电等。该测试装置硬件主要包括可调直流电源、模拟采样回路、数码显示电路、LED指示灯、测试装置输出电压/电流显示屏、功率模块输出电压显示屏和测试装置快速放电电阻等。

1  换流阀拓扑结构及功率模块运行方式

1.1  换流阀拓扑结构

图1（a）所示为柔直换流阀主电路拓扑结构。a、b、c分别为换流阀三相交流输入端，P、N分别为换流阀直流输出正、负极母线，每相由上、下两桥臂组成一个相单元，每个桥臂分别级联N个子功率模块，上、下桥臂间分别级联一个电抗Ls。图1（b）所示为功率模块拓扑结构。可将功率模块看成一个逆变半桥的结构，上半桥由IGBT1及反并联二极管VD1组成，下半桥由IGBT2及反并联二极管VD2组成，C为子模块储能电容器。

图1  换流阀主电路及功率模块拓扑结构

阀控系统通过调节各功率模块电容电压和投入模块数来控制直流电压。实际运行过程中，在桥臂电流的作用下，各功率模块电容器会有充放电的过程。为确保各功率模块电容电压平衡，可以采用相关文献提到的排序算法实现。

与常规换流阀不同，柔直换流阀每个桥臂上均级联一个电抗器。电抗器有两方面作用：①有效抑制由于桥臂电压和不平衡而引起的相间环流；②在直流极故障时，可以降低电流上升速率，抑制短路冲击电流，确保IGBT可靠闭锁。

1.2  功率模块运行方式

功率模块运行方式如图2所示。功率模块共有闭锁、投入、切除3种工作状态。

图2  功率模块运行方式

取通过二极管VD1向电容器充电方向为正：①当IGBT1、IGBT2都关断时，功率模块为闭锁状态，当电流ism＞0时，电容充电，当电流ism＜0时，电容电压维持不变；②当IGBT1开通、IGBT2关断时，功率模块为投入状态，当电流ism＞0时，电容充电，当电流ism＜0时，电容放电；③当IGBT1关断、IGBT2开通时，功率模块为切除状态，电容电压维持不变。

2  功率模块测试装置

2.1  功率模块传统测试装置

图3所示为功率模块传统测试装置实物图。该测试装置主要包括功率模块、测试机箱、供电电源、开关电源、限流电阻、变压器及整流桥和示波器。

图3  功率模块传统测试装置实物图

1）传统测试装置的主要功能

（1）充电。供电电源采用220V市电输入，充电回路主要包括充电限流电阻、变压器、整流桥三部分。

（2）功率模块异常检测。主要完成功率模块配置检查、通信检查、取能电源故障检测、模块采样检测、模块故障检测等。

（3）发波试验。操作人员进行发波试验时，控制系统按照一定的占空比下发上、下IGBT的脉冲信号，操作人员在测试过程中通过示波器确认功率模块运行是否正常。

2）充电原理及方法

采用220V市电输入，经变压器及二极管整流桥整流输出直流电压。整流桥直流侧与功率模块正、负极通过限流电阻相连，输出电压不可调。

对功率模块传统测试装置的主要操作步骤如下：①接线，连接相关光纤、网线和高压线缆；②充电，利用充电设备对功率模块进行充电；③测试，完成通信检查、发波运行等试验项；④记录，读取示波器数据并完成数据分析。

从技术方案上看，功率模块传统测试装置有几点不足：①采用的是不可调直流电源；②对功率模块进行测试时，需要操作人员手动读取示波器数据，并进行数据分析；③功率模块采用自然放电方式，放电速度慢。

2.2  改进型功率模块测试装置

图4所示为本文提出的改进型功率模块测试装置实物图。

图4  改进型功率模块测试装置实物图

图5所示为改进型测试装置前面板实物图。该装置主要由各功能板卡、LED指示灯、功能按钮、液晶显示屏、高压输出端口等组成。

图6所示为改进型测试装置功能按钮实物图，功能按钮主要包括复位、充电、运行、放电、旁路等功能。

图7所示为改进型测试装置与功率模块连接实物图。

1）改进型功率模块测试装置主要功能

（1）装置自检。判别测试装置自身运行状态是否正常。

图5  改进型测试装置前面板实物图

图6  测试装置功能按钮实物图

图7  改进型测试装置与功率模块连接实物图

（2）充电及功率模块检查。包括取能电源故障判断、通信故障判断、充电故障判断、IGBT解闭锁状态判断、模块电压采样精度判断、功率模块检查等。

（3）运行测试。对IGBT进行解闭锁测试。

（4）放电测试。放电过程中计算RC时间常数，用于判别电容容值和电阻阻值是否正常。

（5）旁路测试。判别功率模块旁路开关是否正常。

2）与传统的测试装置相比，改进型测试装置的主要优点

（1）直流电源输出电压可调

输出电压可调的意义：功率模块在运行过程中，有多种电压相关的保护功能，包括单元欠压故障、单元过压故障等，为测试相关保护逻辑是否正常，功率模块需要工作在不同电压值下。

输出电压可调的必要性：工程现场，在功率模块检修时，需要快速定位故障模块及故障器件，期间，部分试验需要在低压下完成（如旁路试验），因此要求输出电压可调。

（2）不需要外接示波器进行数据采集，内置采样回路。

（3）不需要外接示波器观察波形，内置数码显示屏。

（4）自动化程度高，不需要人工记录和分析数据，软件系统会自动处理，并通过LED、显示屏和上位机界面显示测试结果，测试准确率高。

（5）内置放电电阻，可以实现对功率模块快速放电。

2.3  改进型测试装置应用实例

图8所示为改进型测试装置开机初始状态图。初始状态下，前面板所有LED红灯被点亮，等待装置自检。

图8  测试装置开机初始状态图

图9所示为改进型测试装置自检完成后状态图。自检完成后，前面板所有LED绿灯被点亮。

图9  测试装置自检完成后状态图

以改进型测试装置运行测试项为例，当对功率模块进行IGBT解闭锁测试时，从功率模块交流输出端口采集的电压波形如图10所示。

图10中，IGBT解闭锁测试时，基波频率为50Hz，载波频率为200Hz，功率模块电容电压为2.5kV。测试完成后，测试装置前面板“运行状态-正常”的绿灯被点亮，因下一步操作为“放电”，所以除了“放电-正常”绿灯未被点亮外，其他绿灯在系统没有故障时均会被点亮，如图11所示。

图10  测试装置运行测试项试验波形

图11  测试装置运行测试项

3  结论

本文首先介绍了功率模块传统测试装置的功能和操作流程，在此基础上分析了传统测试装置存在的不足；接着针对传统测试装置的不足，提出了改进型测试装置方案，并详细给出了改进型测试装置的结构设计、面板布局和功能描述；最后将传统测试装置和改进型测试装置进行了对比，指出改进型测试装置具有功能多、自动化程度高和测试准确率高等优点。