周競(jìng)宇，趙 宇，胡雨龍，任成林，徐洪全

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣州510663；2.特變電工新疆新能源股份有限公司，西安710075）

目前，柔性直流輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用于分布式能源的輸電，區(qū)域電網(wǎng)之間的互聯(lián)，城市中心供電等。柔性直流輸電系統(tǒng)一般采用模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）拓?fù)?，半橋功率模塊數(shù)量少則幾百，多則幾千。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，功率模塊的電壓、電流發(fā)生變化導(dǎo)致各個(gè)組件老化。這種老化至失效的故障即參數(shù)性故障，又稱軟故障。

目前，柔性直流輸電換流閥的監(jiān)測(cè)功能較少，一般只能提供功率模塊的電壓、狀態(tài)字、故障字等簡(jiǎn)單信息。通常檢修時(shí)只是針對(duì)故障模塊進(jìn)行更換，對(duì)其他存在隱患的模塊并不能及時(shí)預(yù)防處理。因此，功率模塊的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要，它可以實(shí)時(shí)計(jì)算功率模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)器件的壽命、故障等重要信息，達(dá)到提前預(yù)防故障發(fā)生的效果[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)IGBT、電容的老化與狀態(tài)監(jiān)測(cè)有了一定的研究成果，但是對(duì)柔直換流閥功率模塊的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的報(bào)道還較少。不同于傳統(tǒng)的換流器，柔直換流閥的功率模塊具有數(shù)目多，散熱器與水路分布復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低等特點(diǎn)，其老化機(jī)理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)較為復(fù)雜。

文獻(xiàn)[1-2]分析了柔性直流輸電換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理，給出了IGBT 的熱阻、容值、損耗等關(guān)鍵變量的計(jì)算方法，指出這些變量是故障預(yù)測(cè)的重要參數(shù)；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一套柔性直流輸電換流閥的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了控制結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，但未詳細(xì)介紹IGBT 關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法；文獻(xiàn)[4-5]介紹了IGBT的工作原理，通過(guò)研究結(jié)溫與電流、電壓、損耗之間的關(guān)系給出了功率器件的熱阻模型；文獻(xiàn)[6-7]介紹了IGBT 的老化原理、失效檢測(cè)方法，以結(jié)溫為基礎(chǔ)推導(dǎo)出壽命模型，通過(guò)Miner 線性疲勞累積損傷理論和雨流法計(jì)算壽命損傷度；文獻(xiàn)[8]提出了一種MMC換流閥的IGBT 電熱耦合模型，使用了仿真手段對(duì)損耗、結(jié)溫進(jìn)行了分析，并進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文以某工程現(xiàn)場(chǎng)的投運(yùn)功率模塊為研究對(duì)象，根據(jù)IGBT、二極管、散熱器的熱場(chǎng)分布，建立功率器件級(jí)熱阻模型，通過(guò)Lesit 壽命模型和線性損傷累積理論對(duì)模塊壽命耗損進(jìn)行定量研究。在計(jì)算電壓、電流、損耗、結(jié)溫及壽命等關(guān)鍵變量的基礎(chǔ)上，完成換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提前預(yù)測(cè)功率模塊的異常發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)防嚴(yán)重故障的發(fā)生，提高了功率器件的利用效率和系統(tǒng)的可靠性。

1 換流閥的運(yùn)行原理

1.1 換流閥的主回路結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電換流閥采用MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，一般由6 個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂均采用半橋型子模塊。

圖1 柔性直流輸電換流閥的主電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit structure of flexible direct current transmission converter valve

圖中，電網(wǎng)電壓uga，ugb，ugc；臂電抗器l；橋臂電流ipa，ipb，ipc，ina，inb，inc；直流側(cè)電壓udc。

某柔性直流輸電工程中的IGBT 與DIODE 器件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，功率模塊中，C 為電容；T1 和T2 均為IGBT 器件；D1 和D2 均為二極管器件。

圖2 半橋型功率模塊的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of half-bridge power module

2 功率器件的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)原理

2.1 功率器件的損耗計(jì)算

對(duì)于換流閥而言，由于IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率較低，一個(gè)工頻周期內(nèi)，每一個(gè)功率器件有效開(kāi)通頻率僅幾次。IGBT 的損耗包括通態(tài)損耗Pcon，開(kāi)通損耗Pon，關(guān)斷損耗Poff。

2.2 功率器件的結(jié)溫計(jì)算

根據(jù)圖2 中IGBT、二極管及散熱器的熱場(chǎng)分布，建立功率器件級(jí)的熱阻模型。

結(jié)合器件的分布圖，得到IGBT 與DIODE 器件的熱阻模型如圖3 和圖4所示。

圖3 IGBT 的熱阻模型Fig.3 Thermal resistance model of IGBT

圖4 DIODE 的熱阻模型Fig.4 Thermal resistance model of diodes

PT1，PT2，PD1，PD2為IGBT 與DIODE 的總損耗；PT1c，PT1e，PT2c，PT2e，PD1a，PDlk，PD2a，PD2k為器件不同的極所分擔(dān)的損耗；Re，Rc，Ra，Rk為器件不同極的熱阻；Rhi，Rhd為散熱器外殼到IGBT 和DIODE 的熱阻；Tin1，Tin2，Tin3為散熱器外殼的溫度。

IGBT 器件手冊(cè)所提供的參數(shù)如表1所示，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取PT1e為總損耗PT1的85%；取PT1c為總損耗PT1的15%；Rc為Rjc_IGBT熱阻的85%；Re為Rjc_IGBT熱阻的15%。

表1 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱阻參數(shù)Tab.1 Thermal resistance parameters in IGBT data sheet

定義狀態(tài)變量如下：

式中：Tin1為散熱器1 的溫度；TJ1為IGBT1 的結(jié)溫；TD1為DIODE1 的結(jié)溫；X0，X1為通過(guò)計(jì)算或測(cè)量可以得到的量；Y1為待估計(jì)的量。

根據(jù)上述模型，容易寫(xiě)出：

其中：

在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出各器件的結(jié)溫。

3 功率器件的壽命預(yù)測(cè)

目前，IGBT 的壽命預(yù)測(cè)模型大致分為兩類：①基于結(jié)溫的壽命預(yù)測(cè)模型；②基于多變量的IGBT壽命預(yù)測(cè)模型。本文在基于結(jié)溫的預(yù)測(cè)模型Lesit 模型進(jìn)行研究，給出了IGBT 的壽命預(yù)測(cè)方法。

Lesit 模型包含2 個(gè)變量ΔTj和Tm。

結(jié)溫溫差ΔTj和平均結(jié)溫Tm是決定IGBT 壽命預(yù)測(cè)模型的重要參數(shù)，Lesit 模型為

結(jié)合本文的功率器件，上述參數(shù)中Nf為模塊功率循環(huán)次數(shù)；A和α 為與器件特性相關(guān)的常數(shù)，通過(guò)IGBT 供應(yīng)商提供的壽命曲線如圖5所示，本文近似得到A取1.54e8；α 取-1.61；Q為與材料相關(guān)的激活能，取7.8e3J·mol-1；R為氣體常數(shù)，取8.314 J·mol-1·K-1。

圖5 IGBT 器件的壽命曲線圖Fig.5 Life curve of IGBT device

IGBT 運(yùn)行的數(shù)據(jù)眾多，需要進(jìn)行有選擇的預(yù)測(cè)。引入Miner 線性疲勞累積損傷理論和雨流算法，對(duì)功率模塊壽命預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)處理。

Miner 定理給出了壽命消耗的一般規(guī)律。假設(shè)器件的使用周期中包含若干小周期，分別對(duì)應(yīng)不同的ΔTj，則可以通過(guò)對(duì)n個(gè)不同階段的ΔTj進(jìn)行選取，得到不同階段的總壽命消耗：

同時(shí)，采用雨流法對(duì)ΔTj進(jìn)行選取，選取重要的階段可減少對(duì)ΔTj的統(tǒng)計(jì)工作量。一般將整個(gè)壽命曲線劃分為若干個(gè)等差的應(yīng)力幅級(jí)別。

圖5 中，該曲線中包含大量較小的ΔTj和一些較大的ΔTj，較小的ΔTj對(duì)模塊造成的損害很小，在分析時(shí)可以不予考慮。該圖中ΔTj＜20 的循環(huán)對(duì)壽命預(yù)測(cè)的影響可以忽略。

4 換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文的換流閥在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，裝置主要包括：監(jiān)控后臺(tái)、通信板、主控制器、光纖板等。

圖6 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Control hardware diagram of on-line monitoring system

主控制器接收光纖板的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模塊的結(jié)溫、損耗、壽命預(yù)測(cè)、故障預(yù)測(cè)等計(jì)算。該板卡由DSP 與FPGA 組成。DSP 采用主頻為1.25 GHz 的高性能C6655 系列DSP。FPGA 采用帶有高速收發(fā)器的大容量邏輯門陣列器件。

通訊板由ARM 和FPGA 組成。FPGA 與主控制器之間通過(guò)背板LVDS 總線進(jìn)行通信。

監(jiān)控系統(tǒng)主要用來(lái)顯示功率模塊的狀態(tài)、損耗、結(jié)溫、壽命預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)。

光纖板通過(guò)背板LVDS 總線與主控制器通信，通過(guò)光纖端子接收功率模塊控制板（PMC 板）的電壓、脈沖、狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

功率模塊控制板接收閥控下發(fā)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)功率模塊的驅(qū)動(dòng)；同時(shí)上傳模塊的電壓、狀態(tài)字等信息到上層閥控系統(tǒng)，功率模塊的采樣接線圖如圖7所示。

圖7 功率模塊的采樣接線圖Fig.7 Sample wiring diagram of power module

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件計(jì)算流程如圖8所示。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件計(jì)算流程包括以下步驟：

步驟1功率模塊的通信故障判斷，如果存在通信故障，則停止計(jì)算；反之則進(jìn)入計(jì)算流程；

步驟2參數(shù)初始化，算法步長(zhǎng)為100 μs；

步驟3對(duì)功率模塊數(shù)據(jù)的采樣，包括電容電壓、散熱器溫度、橋臂電流等數(shù)據(jù)；

步驟4進(jìn)行功率器件的損耗、開(kāi)關(guān)頻率、結(jié)溫計(jì)算；

步驟5根據(jù)器件的結(jié)溫、電流參數(shù)等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算各個(gè)功率器件的壽命預(yù)測(cè)；

步驟6根據(jù)器件的損耗、結(jié)溫、壽命等數(shù)據(jù)進(jìn)行故障告警預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果上送至監(jiān)控后臺(tái)。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用表2 的參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以6 拖6 功率模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為對(duì)象，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)6 個(gè)半橋的功率模塊進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)計(jì)算IGBT 的溫度、開(kāi)關(guān)頻率、損耗，并設(shè)置過(guò)溫、過(guò)頻等告警功能，為換流閥的運(yùn)行狀態(tài)提供詳細(xì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，建立PSCAD/EMTDC 仿真模型，驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)方案的有效性。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Experimental system parameter

啟動(dòng)階段，補(bǔ)能電源設(shè)置較高的電壓，對(duì)被測(cè)、陪測(cè)模塊進(jìn)行充電。待解鎖后，補(bǔ)能電源維持補(bǔ)能模塊的電壓穩(wěn)定在固定電壓。其中，L為電抗器；C為功率模塊的電容值；Uc為模塊電壓；Ie為電流額定值，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主回路如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主回路框圖Fig.9 Main circuit block diagram of laboratory

以下對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 和圖11所示。

圖10 820 A/1500 V 下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results at 820 A/1500 V

圖11 920 A/1700 V 下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results at 920 A/1700 V

圖10 中，在820 A/1500 V 的條件下工作正常，未觸發(fā)告警值。功率模塊1 的總損耗為1.979 kW；功率模塊1 的T1 管結(jié)溫為65 ℃；T1 管的壽命為26.077 e6。

圖11 中，在920 A/1700 V 的條件下工作正常，未觸發(fā)告警值。功率模塊1 的總損耗為3.101 kW；功率模塊1 的T1 管結(jié)溫為70 ℃；T1 管的壽命為16.716 e6。

各負(fù)載點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示，給出了多個(gè)負(fù)載點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)。

表3 各負(fù)載點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of experimental and simulation data of each load point

PSCAD 仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如圖12所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本接近，兩者的偏差主要分布在2%～5%之間。這說(shuō)明該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，具有有效性。

圖12 PSCAD 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of PSCAD simulation and experimental results

6 結(jié)語(yǔ)

分析了現(xiàn)有柔性直流輸電換流閥的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，指出功率模塊的主動(dòng)預(yù)測(cè)是重要的研究方向。設(shè)計(jì)完成了一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立了器件的熱阻模型，給出了損耗、結(jié)溫、壽命的預(yù)測(cè)方案。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。