謝曄源，姚宏洋，歐陽有鵬，任鐵強，王 宇，李海英

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流輸電技術(shù)有功、無功可獨立調(diào)節(jié)，能夠接入無源系統(tǒng)且不存在換相失敗問題，尤其適合新能源并網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)背靠背互聯(lián)以及遠距離輸電等應(yīng)用場景［1-5］。采用功率器件串聯(lián)的兩電平、三電平或者五電平等VSC 拓撲存在串聯(lián)均壓、輸出諧波高等問題，難以實現(xiàn)在超/特高壓領(lǐng)域的推廣，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)拓撲的提出解決了柔性直流輸電技術(shù)在高壓領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。歐洲已建設(shè)了數(shù)個用于海上風(fēng)電并網(wǎng)的±320 kV 柔性直流輸電工程。中國也已建設(shè)了多個基于模塊化多電平拓撲的柔性直流輸電工程。

受限于目前功率器件技術(shù)水平，隨著電壓等級的提升，±500 kV 張北柔性直流輸電工程整站子模塊數(shù)超過3 000，±800 kV 烏東德工程整站子模塊數(shù)超過5 000，而在建的廣東電網(wǎng)直流背靠背廣州工程整站子模塊數(shù)已超過1 萬。子模塊是組成模塊化換流閥的關(guān)鍵部件，是提升其運行可靠性的關(guān)鍵。目前，主要在廠內(nèi)通過采用等效運行試驗拓撲，如閥段對推試驗等模擬實際電壓、電流運行工況來對子模塊進行考核［6-8］。根據(jù)以往柔性直流工程實施經(jīng)驗，由于長途運輸及安裝振動等外部因素影響，在帶電調(diào)試前均存在不同數(shù)量的故障子模塊。現(xiàn)有解決方案為在閥塔安裝完畢后對整站所有子模塊進行功能測試。文獻［9-13］提出一種智能檢測設(shè)備來實現(xiàn)模塊化換流閥子模塊包括絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）、板卡以及旁路開關(guān)等關(guān)鍵組部件的測試，該方案需要連接采樣電纜、充電電纜以及插拔子模塊與閥控間通信光纖，存在人為二次引入故障的風(fēng)險；文獻［14］提出基于子模塊板卡功耗實現(xiàn)故障診斷的檢測裝置，通過不同故障時板卡功耗差異來進行故障定位。以上研究均為子模塊與檢測裝置一對一的測試方案，存在測試接線多、測試效率低下及測試覆蓋面不足的缺陷。文獻［15-16］提出一種模塊化換流閥子模塊批量測試方案，采用給子模塊二次板卡并聯(lián)批量供電的方式，解決串聯(lián)子模塊批量測試問題，但由于僅提供二次板卡電源，無法考核直流電容、IGBT 等核心部件。此外，還有直接在串聯(lián)子模塊兩端施加高壓直流源進行充電測試的方案，但高壓源的引入增加了現(xiàn)場試驗的安全風(fēng)險，且設(shè)備尺寸巨大。

綜上，現(xiàn)有模塊化換流閥子模塊測試方案尚不能實現(xiàn)子模塊核心部件全覆蓋、無損的批量測試。為此，本文提出一種模塊化換流閥低壓加壓電路及批量測試控制策略，實現(xiàn)子模塊電容批量充電，解決工程現(xiàn)場子模塊無損批量測試難題。通過閥塔級仿真及工程現(xiàn)場試驗，驗證了本文所提試驗回路拓撲以及測試策略的正確性與可行性。

1 模塊化換流閥低壓加壓電路

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

模塊化換流閥拓撲如附錄A 圖A1 所示。單個換流器由6 個橋臂組成，每個橋臂串聯(lián)子模塊數(shù)受子模塊額定電壓以及直流線路電壓決定。以對稱雙極的±500 kV 張北柔性直流輸電工程為例，單極換流閥每個橋臂由264 只子模塊串聯(lián)，整站雙極換流閥共3 168 只子模塊。

由于模塊化換流閥子模塊二次板卡從本模塊電容取能，如何實現(xiàn)串聯(lián)子模塊電容的批量受控充電是實現(xiàn)子模塊批量測試的前提與技術(shù)難點。本文所提出的模塊化換流閥低壓加壓電路拓撲如圖1 所示。圖中，低壓加壓網(wǎng)絡(luò)有二極管并聯(lián)型和二極管串聯(lián)型兩種方式，均只需要在子模塊電容正極端子接線即可，接線數(shù)量較現(xiàn)有方案大幅減少。

圖1 模塊化換流閥低壓加壓電路Fig.1 Low-voltage energizing circuit of modular converter valve

1.2 工作原理

子模塊批量測試低壓加壓及快速放電電路如圖2 所示。

1）級聯(lián)充電過程

模塊化換流閥級聯(lián)充電拓撲如圖2（a）所示。子模塊SM1 電容通過二極管直接并聯(lián)于低壓直流源兩端。啟動直流源后SM1 電容C1被直接充電，SM1 板卡從電容取能完成啟動并與上層閥基控制器（valve base controller，VBC）建立通信，VBC 下發(fā)SM1 下管T2（記為SM1-T2）導(dǎo)通指令，SM1-T2 導(dǎo)通后C2充電回路建立，SM2 充電完成。重復(fù)上述過程即可實現(xiàn)利用低壓直流源完成子模塊SM1 至SMn電容批量充電，同時實現(xiàn)了對子模塊下管IGBT 的通流測試。

2）預(yù)充電及快速放電過程

預(yù)充電回路用于實現(xiàn)將串聯(lián)子模塊的電容批量充電至預(yù)設(shè)電壓，如圖2（b）所示，通過合上開關(guān)Q1和Q2 使得每個子模塊電容均通過其他子模塊下管二極管和放電電阻形成充電通路，該測試方式為可選項，通常在級聯(lián)充電過程之前利用預(yù)充電對所有子模塊與閥控通信進行普篩。

圖2 子模塊批量測試低壓加壓及快速放電電路Fig.2 Low-voltage energizing and fast discharging circuits for sub-module batch test

放電回路如圖2（c）所示。斷開Q1 并合上Q2，通過VBC 控制SMn至SM1 依次開通上管IGBT，子模塊電容經(jīng)其他子模塊下管二極管及放電電阻形成放電回路，實現(xiàn)了對子模塊上管IGBT 的通流測試，縮短了子模塊放電時間。

2 子模塊批量功能測試

2.1 測試項目及性能比較

通過附錄A 表A1 對比可見，本文所提方案基于低壓直流源及加壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了閥塔級子模塊批量加壓測試，避免了直接采用高壓源端間加壓的安全防護問題，解決了傳統(tǒng)單模塊測試方案效率低的不足，相比二次系統(tǒng)加電方案測試項目更廣。此外，本文所提方案實現(xiàn)了IGBT 通流測試、降低了批量測試接線量、實現(xiàn)無須插拔光纖的全鏈路非侵入式測試，子模塊測試電壓范圍廣，測試項目覆蓋全，測試效率提升明顯。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)測試技術(shù)

1）IGBT 測試

現(xiàn)有技術(shù)方案均難以實現(xiàn)針對子模塊IGBT 的通流測試。如圖2（a）等效電路所示，本文所提方案在可控充電階段任意子模塊電容充電時的充電電流均會流過它之前所有子模塊的下管IGBT，在可控充電階段即完成了對所有子模塊下管IGBT 的通流測試；如圖2（c）所示，在快速放電階段，開通當前子模塊上管IGBT 使其電容通過限流電阻和其他子模塊下管二極管形成放電回路，實現(xiàn)了對所有子模塊上管IGBT 的通流測試。

2）電容電壓采樣校驗

由圖2（a）等效電路可知，子模塊i在完成充電后的電容電壓Ui與直流源電壓Us的關(guān)系為:

式 中:UDiode為 二 極 管 導(dǎo) 通 壓 降；UIGBT為IGBT 導(dǎo) 通壓降，由于此時直流源提供的功耗僅需滿足子模塊板卡及均壓電阻損耗，流過IGBT 的電流在10 A 以內(nèi)，此時UIGBT壓降可認為等于空載壓降。VBC 根據(jù)子模塊上送的電容電壓與式（1）計算所得Ui比較實現(xiàn)對電容電壓采樣的校驗。

3）均壓電阻測試

均壓電阻并聯(lián)于子模塊電容兩端，用于子模塊靜態(tài)均壓以及子模塊電容自然放電，均壓電阻可能會因為質(zhì)量問題、電氣應(yīng)力或者其他外部因素導(dǎo)致其開路或者阻值偏差過大。根據(jù)圖3（a）所示的子模塊各個階段等效電路可知，當子模塊處于自然放電階段時，子模塊i電容Ci儲存能量主要由二次板卡（設(shè)其功率為Ps）以及均壓電阻Ri1消耗。

圖3 子模塊電容充放電特性Fig.3 Charging and discharging characteristics of submodule capacitor

子模塊在充電、自然放電以及快速放電階段的狀態(tài)方程如下:

根據(jù)附錄A 圖A2 所示的不同電容電壓下的子模塊板卡負載功率曲線，取中間段的均值Ps=35 W。

基于電容電壓u（t）的表達式，在圖3（b）所示的自然放電階段，可計算出當前子模塊均壓電阻Ri1的值，從而判斷Ri1是否在正確的范圍。

2.3 放電電阻選型設(shè)計

放電電阻用于放電階段的限流，其選型設(shè)計主要關(guān)注其能量與阻值。放電電阻的能量耐受應(yīng)不低于所有子模塊電容放電所釋放的能量Edis，可由式（7）計算。

式中:Uset2為設(shè)定的子模塊電容電壓放電下限；n為子模塊總數(shù)。

放電電阻RL設(shè)計應(yīng)考慮子模塊放電時間不宜過長，則其應(yīng)滿足式（8）。

式中:Usm，max為子模塊放電時的最大電壓；Tsm為設(shè)定的子模塊允許最大放電時間。

單個子模塊放電時間Tsm，dis以及總放電持續(xù)時間Tdis可分別由式（9）、式（10）計算得到。

式中:Tdelay為兩個相鄰子模塊的放電間隔延時。

3 批量測試控制策略

批量測試控制策略框圖如附錄A 圖A3 所示。

1）階段1:預(yù)充電

合上圖2（b）中的開關(guān)Q1 和Q2，通過預(yù)充電將整個閥塔子模塊充電至子模塊板卡啟動電壓以上，對與VBC 未建立通信的子模塊進行批量標記，自然放電后人為旁路故障模塊后進行檢修。

2）階段2:級聯(lián)充電

斷開圖2（c）中的開關(guān)Q2 并合上Q1，設(shè)定直流電源電壓至測試電壓Uset1，VBC 執(zhí)行級聯(lián)加壓控制策略，將所有子模塊順序充電至測試電壓，詳細流程如圖4（a）所示。

在此過程中，當子模塊k電容完成充電并與VBC建立通信后，VBC 會判斷子模塊上送狀態(tài)信息，校驗二次板卡的軟件版本號、電源板以及驅(qū)動控制板的狀態(tài)，若子模塊上送狀態(tài)信息異常則VBC 將子模塊序號及故障內(nèi)容上送監(jiān)控后臺實現(xiàn)故障定位；若子模塊k開通下管IGBT 的2 s 內(nèi)VBC 沒有與子模塊k+1 建立通信，則判斷子模塊k下管IGBT 未開通成功或者子模塊k+1 板卡啟動失敗，對子模塊k及k+1 進行標記，后續(xù)采用功能測試儀單獨對其進行測試。

3）階段3:放電旁路

斷開圖2（c）中開關(guān)Q1 并合上Q2，首先進入自然放電階段，VBC 通過采集一段時間內(nèi)子模塊電容電壓來進行均壓電阻測試，若某一子模塊均壓電阻阻值偏差異常則VBC 上送事件報文至監(jiān)控后臺；隨后，VBC 切換至快速放電模式，依次導(dǎo)通子模塊上管IGBT 對其進行通流測試，實現(xiàn)子模塊電容快速放電。當放電至設(shè)定電容電壓下限Uset2時關(guān)閉上管IGBT，合上旁路開關(guān)，完成旁路開關(guān)測試，詳細流程如圖4（b）所示。

圖4 級聯(lián)加壓及放電旁路控制策略Fig.4 Control strategies of cascade energizing and discharging bypass

在依次導(dǎo)通子模塊上管IGBT 進行放電旁路階段，VBC 實時監(jiān)測子模塊電容電壓，若已下發(fā)IGBT導(dǎo)通命令的160 ms 內(nèi)電壓未下降至設(shè)定值，則判斷該子模塊上管IGBT 未正常導(dǎo)通；若VBC 已下發(fā)當前子模塊旁路指令后50 ms 內(nèi)未收到子模塊上送的旁路開關(guān)合位信息則判斷旁路開關(guān)異常，VBC 均會將上管IGBT 及旁路開關(guān)異常的事件報文上送監(jiān)控后臺實現(xiàn)故障定位。

4 仿真驗證

為驗證低壓加壓電路以及批量充放電控制策略，搭建閥塔級子模塊批量測試EMTDC 仿真模型進行仿真驗證，仿真參數(shù)詳見附錄A 表A2。

附錄A 圖A4 為測試全過程的子模塊電容電壓變化波形。由于充電階段電流較大，其電容電壓上升斜率較陡，t0時刻子模塊電容電壓達到板卡取能的啟動門檻，VBC 固定延時對其板卡軟件版本號、板卡狀態(tài)等進行判斷，如有異常則上送監(jiān)控后臺，無異常則開通該子模塊下管IGBT。待所有子模塊電容完成充電后延時斷開直流源輸出開關(guān)Q1，進入子模塊自然放電階段（t2～t3），此時由于均壓電阻及板卡耗能導(dǎo)致子模塊電容電壓緩慢下降，根據(jù)t2和t3時刻的電容電壓采樣值可計算出均壓電阻阻值，繼而對其進行判斷。隨后，從t3時刻開始，導(dǎo)通子模塊上管IGBT，對其進行通流測試并實現(xiàn)電容快速放電，此時電容電壓降低的斜率較陡，在此階段VBC檢測到子模塊電容電壓放電至下限320 V 時即關(guān)斷上管IGBT，隨后該子模塊進入斜率平緩的以均壓電阻為主的自然放電階段。

圖5（a）所示為子模塊逐級充電時直流源輸出電壓Us及電流Is，在子模塊電容充電期間直流源為12 A 恒流輸出；圖5（b）所示為子模塊逐級放電階段時放電電阻電壓Ur及電流Ir。

圖5 子模塊逐級充放電仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of sub-module step-by-step charging and discharging

5 試驗驗證

本文所提測試方案已在中國廣東背靠背工程粵中換流站穗東側(cè)兩個單元的柔性直流換流閥分系統(tǒng)試驗中進行了應(yīng)用。如附錄A 圖A5 所示試驗系統(tǒng)包括位于閥廳的換流閥閥塔、位于二次室的VBC 裝置、位于主控室的閥控監(jiān)控后臺、子模塊至閥控裝置的通信光纖以及測試設(shè)備，測試設(shè)備包括移動式測試屏柜（含低壓直流電源、放電電阻與相關(guān)開關(guān)）及分線器（內(nèi)含圖2 所示的低壓加壓網(wǎng)絡(luò)）。試驗參數(shù)如表A3 所示。子模塊逐級充、放電試驗波形如圖6所示。

圖6 子模塊逐級充放電試驗波形Fig.6 Experiment waveforms of sub-module stepby-step charging and discharging

圖6（a）所示為級聯(lián)充電階段低壓直流源輸出電壓與電流測量波形，可見其與圖5（a）所示的仿真波形基本一致。直流源的輸出電流在級聯(lián)充電階段并非恒流輸出，因為每完成一個子模塊電容充電后VBC 均會延時2.5 s 對該子模塊進行故障判斷，此時直流源輸出電壓達到設(shè)定限幅，而輸出電流僅需滿足已完成充電子模塊的均壓電阻及板卡損耗即可（維持電流較低）。當延時2.5 s 到達且當前子模塊無故障后才會導(dǎo)通當前子模塊下管IGBT，下一子模塊充電路徑建立，直流源輸出電流抬升至設(shè)定恒流充電電流12 A。因此，圖6（a）中Is的每個方波即代表一個子模塊電容的恒流充電過程。

圖6（b）所示為放電階段放電電阻電壓及電流測量波形，每個梯形波即代表一個子模塊的放電過程，每個子模塊的放電截止電壓均能夠控制在320 V左右，子模塊與子模塊的放電間隔約30 ms，與仿真波形圖5（b）所示基本一致。

6 結(jié)語

本文提出一種模塊化換流閥低壓加壓電路及模塊批量測試技術(shù)，采用低壓直流源、低壓加壓網(wǎng)絡(luò)配合閥控批量測試策略，解決了閥塔級子模塊批量受控充電測試難題。利用工程實際閥控裝置與通信連接，本文所提方案能夠最大限度地降低人為因素對模塊測試的干擾，相比現(xiàn)有測試方案無須插拔子模塊與閥控設(shè)備間通信光纖，接線數(shù)量大幅降低，具有接線簡單、測試效率高及測試覆蓋面廣等優(yōu)勢。仿真和試驗驗證了本文所提方案的可行性。所提方案已在實際直流工程得到應(yīng)用。

本文所提測試方案主要針對實際工程應(yīng)用較多的模塊化半橋型換流閥，下一步研究其在全橋/半橋子模塊混合型換流閥上的擴展應(yīng)用。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。