馮 成 王大力 何 師 王 輝 潘 瑤

（1.貴州電力試驗(yàn)研究院，貴陽 550000；2.榮信電力電子股份有限公司，北京 100084）

柔性直流輸電技術(shù)[1-6]是電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，其最突出特點(diǎn)是采用全控型電力電子器件（IGBT、IGCT、IEGT等）、電壓源型換流器以及脈沖調(diào)制技術(shù)。在柔性直流輸電系統(tǒng)中通常采用的是三相結(jié)構(gòu)的電壓源換流器[7-10]，而基于IEGT的模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是較為先進(jìn)的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)成熟大規(guī)模應(yīng)用[11-14]。

本文主要研究基于 IEGT開關(guān)器件的 MMC技術(shù)，研究并開發(fā)一種MMC子模塊。選定并設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)MMC中的關(guān)鍵部件IEGT、直流電容器、電力二極管、放電電阻等進(jìn)行器件選型及技術(shù)參數(shù)確定。對(duì)設(shè)計(jì)制造的子模塊進(jìn)行多種功能試驗(yàn)，著重分析換流試驗(yàn)及熱穩(wěn)定試驗(yàn)。通過換流試驗(yàn)，測(cè)評(píng)不同的板卡、器件組合，從而優(yōu)化門極電路、功率模塊器件串的設(shè)計(jì)。通過熱試驗(yàn)測(cè)量功率模塊的載流能力及散熱性能。所有的試驗(yàn)結(jié)果均表明基于 IEGT的MMC子模塊設(shè)計(jì)合理，能滿足各種常見工況下的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 模塊化多電平換流器（MMC）簡介

MMC模塊與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓源換流器模塊相比采用高度模塊化的電路結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同的功率設(shè)計(jì)的電壓等級(jí)要求通過增減接入換流器的子模塊數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。所以采用 MMC結(jié)構(gòu)的換流器[15-18]可以大幅縮短項(xiàng)目周期，節(jié)約成本。

圖1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相模塊化多電平換流器（MMC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，一個(gè)換流器有六個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一臺(tái)電抗器和多個(gè)子功率模塊串聯(lián)組成，每一相的上下兩個(gè)橋臂合在一起稱為一個(gè)相單元（Phase Unit）。

圖1（b）所示為一個(gè)子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)子模塊有一個(gè)連接端口用于串聯(lián)接入主電路拓?fù)洌?MMC通過各個(gè)子模塊的直流側(cè)電容電壓來支撐直流母線的電壓。

2 MMC子模塊關(guān)鍵部件的選取

柔性直流輸電換流站的主電路參數(shù)選擇是設(shè)計(jì)的重要組成部分，子模塊是MMC拓?fù)渲袛?shù)量龐大的元件，也是構(gòu)成的 MMC的核心[19-21]。換流器每個(gè)橋臂由多個(gè)功率模塊串聯(lián)構(gòu)成，如圖1（b）所示，每個(gè)功率模塊的關(guān)鍵電氣部件主要有兩個(gè)壓裝式IEGT、一個(gè)直流儲(chǔ)能電容器、兩個(gè)二極管、一個(gè)放電電阻組成，同時(shí)還要考慮到控制電路的設(shè)計(jì)。

本文涉及到的設(shè)備選型及試驗(yàn)將以額定直流電壓2500V DC、額定持續(xù)輸出電流1100A的參數(shù)做為功率模塊設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.1 開關(guān)器件IEGT

可控關(guān)斷型電力電子器件作為換流閥的關(guān)鍵部件，直接決定了功率模塊的設(shè)計(jì)和性能，對(duì)于柔性直流輸電適用的開關(guān)器件有 IGCT、焊接式模塊IGBT、平面壓接式 STAKPAKTM IGBT和壓裝式press-pack IGBT/IEGT（如圖1所示），表1對(duì)這幾種開關(guān)器件進(jìn)行了比較研究。

表1 幾種開關(guān)器件對(duì)比

通過以上對(duì)開關(guān)器件的比較研究可以得出結(jié)論，press-pack IGBT/IEGT最適應(yīng)于柔性直流輸電應(yīng)用。

集電極發(fā)射極正向耐壓Vce：4500V。

集電極額定電流有效值Ic(rms)：1500A。

2.2 大容量直流電容器

直流側(cè)電容是閥組的直流側(cè)儲(chǔ)能元件，可緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流側(cè)的電壓諧波，并為受端站提供電壓支撐。同時(shí)，直流側(cè)電容的大小決定其抑制直流電壓波動(dòng)的能力，也影響控制器的響應(yīng)性能。設(shè)計(jì)功率單元中采用干式直流電容器，電容器內(nèi)部分別充滿SF6和N2來達(dá)到滅弧和保護(hù)的目的。電容器的基本參數(shù)為額定容值5mF，標(biāo)稱電壓 2800V DC，連續(xù)電流有效值 450A，雜散電感50nH。

2.3 電力二極管

功率模塊中的兩個(gè)電力二極管的基本參數(shù)為反向阻斷電壓 4500V，最大平均值通態(tài)電流 1740A，最大可承受電流變化率-dμ/dt=5000A/μs，壓裝封裝形式使得此電力二極管具有防爆性、短路失效模式及雙面散熱能力。

2.4 放電電阻

功率模塊中放電電阻承擔(dān)為直流側(cè)電容安全放電的工作，根據(jù)直流電流參數(shù)設(shè)計(jì)放電電阻參數(shù)為阻值68k?，額定功率：600W。

2.5 功率模塊控制電路的主要組成

控制電路設(shè)計(jì)是否合計(jì)是完成模塊設(shè)計(jì)功能的關(guān)鍵，控制電路需要接收裝置控制器的控制指令和數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析處理后，下發(fā)給 IEGT驅(qū)動(dòng)板和觸發(fā)板等受控系統(tǒng)；同時(shí)收集單元的直流電壓、IEGT的狀態(tài)以及直流電容和取能電源的狀態(tài)并發(fā)送給裝置控制器。

本模塊控制部分主要由單元控制板、采樣觸發(fā)板、IEGT驅(qū)動(dòng)板和高位取能電源組成。

3 MMC子模塊試驗(yàn)與驗(yàn)證

功率模塊試驗(yàn)是驗(yàn)證功率模塊設(shè)計(jì)與分析的最終手段，也是發(fā)現(xiàn)問題和不斷改進(jìn)功率模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)設(shè)計(jì)的 MMC子模塊進(jìn)行了換流試驗(yàn)、熱試驗(yàn)、短路保護(hù)試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、局部放電及工頻耐壓等試驗(yàn)項(xiàng)目[22]。下面選取換流試驗(yàn)和熱試驗(yàn)進(jìn)行分析說明。

3.1 換流試驗(yàn)

換流試驗(yàn)用來記錄 IEGT和二極管在換流過程中的動(dòng)態(tài)開關(guān)波形，通過測(cè)試和評(píng)估在不同的門極驅(qū)動(dòng)板、不同外部門極電阻和門極電容組合甚至于不同門極驅(qū)動(dòng)板的放置位置情況下的器件開關(guān)波形，從而達(dá)到優(yōu)化門極電路設(shè)計(jì)甚至功率模塊器件串設(shè)計(jì)的目的。

本試驗(yàn)是檢測(cè)功率模塊的過電流關(guān)斷時(shí)的狀態(tài)。試驗(yàn)中我們使用了高位取能電源給驅(qū)動(dòng)板供電，并且保持整個(gè)控制回路全部通電工作。在此次試驗(yàn)進(jìn)行了換流試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)波形及分析結(jié)果如圖2及表2所示。

表2 橋臂試驗(yàn)結(jié)果

由表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在各設(shè)定輸出電流值情況下，Isw及Vpeak均小于模塊耐壓設(shè)計(jì)值，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 熱試驗(yàn)

熱試驗(yàn)用來驗(yàn)證功率模塊是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行在預(yù)定的負(fù)載電流，從而驗(yàn)證功率模塊的載流能力，另外熱試驗(yàn)也可以用來評(píng)估半導(dǎo)體器件在高結(jié)溫下的換流情況。為了考察 MMC子模塊的散熱性能，需要進(jìn)行熱穩(wěn)定測(cè)試。在熱穩(wěn)定測(cè)試中，子模塊運(yùn)行在期望的工作點(diǎn)，與實(shí)際系統(tǒng)中的工況類似。

圖2 換流試驗(yàn)橋臂試驗(yàn)波形

熱穩(wěn)定測(cè)試采用橋臂測(cè)試（Legtest）方法，讓被測(cè)模塊輸出期望的電壓、電流和功率因數(shù)。這種測(cè)試方法至少需要兩個(gè)逆變模塊和一個(gè)電感負(fù)載。試驗(yàn)臺(tái)采用三個(gè)逆變模塊（如圖3所示），分別命名為a、b、c模塊。b是被測(cè)模塊，模塊a和c并聯(lián)，各自分擔(dān)一半電流。只有模塊b工作在最大電流。

熱試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表3 熱試驗(yàn)參數(shù)

圖3 熱穩(wěn)定測(cè)試電路

Iout-rms=300A時(shí)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間8min達(dá)到熱穩(wěn)定；

Iout-rms=700A時(shí)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間7min達(dá)到熱穩(wěn)定；

Iout-rms=1100A時(shí)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間12min達(dá)到熱穩(wěn)定。

試驗(yàn)各項(xiàng)溫度測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 熱試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析

從表4試驗(yàn)結(jié)果可看出，熱穩(wěn)定測(cè)試中模塊運(yùn)行在期望點(diǎn)時(shí)的溫度遠(yuǎn)小于模塊設(shè)計(jì)的結(jié)溫值，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

MMC子模塊適合組建不同功率及電壓等級(jí)要求的柔性直流輸電設(shè)備，本文通過對(duì) MMC子模塊的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。

1）明確MMC閥組子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)比不同類型開關(guān)器件選取適合大功率柔性直流輸電設(shè)備的IEGT作為子模塊的開關(guān)器件。

2）針對(duì)額定直流電壓2500V DC、額定持續(xù)輸出電流1100A的MMC子模塊，得出主要器件設(shè)計(jì)參數(shù)。

3）通過對(duì)子模塊的換流試驗(yàn)及熱穩(wěn)定試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明采用基于 IEGT開關(guān)器件的設(shè)計(jì)完全能夠滿足原始設(shè)計(jì)參數(shù)要求及各種常見工況下的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

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