謝曄源，姚宏洋，歐陽(yáng)有鵬，任鐵強(qiáng)，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(wú)功可獨(dú)立調(diào)節(jié)，能夠接入無(wú)源系統(tǒng)且不存在換相失敗問(wèn)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(yuǎn)距離輸電等應(yīng)用場(chǎng)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?fù)浯嬖诖?lián)均壓、輸出諧波高等問(wèn)題，難以實(shí)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?fù)涞奶岢鼋鉀Q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(gè)用于海上風(fēng)電并網(wǎng)的±320 kV 柔性直流輸電工程。中國(guó)也已建設(shè)了多個(gè)基于模塊化多電平拓?fù)涞娜嵝灾绷鬏旊姽こ獭?/p>

受限于目前功率器件技術(shù)水平，隨著電壓等級(jí)的提升，±500 kV 張北柔性直流輸電工程整站子模塊數(shù)超過(guò)3 000，±800 kV 烏東德工程整站子模塊數(shù)超過(guò)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(guò)1 萬(wàn)。子模塊是組成模塊化換流閥的關(guān)鍵部件，是提升其運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵。目前，主要在廠內(nèi)通過(guò)采用等效運(yùn)行試驗(yàn)拓?fù)?，如閥段對(duì)推試驗(yàn)等模擬實(shí)際電壓、電流運(yùn)行工況來(lái)對(duì)子模塊進(jìn)行考核［6-8］。根據(jù)以往柔性直流工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，由于長(zhǎng)途運(yùn)輸及安裝振動(dòng)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?，F(xiàn)有解決方案為在閥塔安裝完畢后對(duì)整站所有子模塊進(jìn)行功能測(cè)試。文獻(xiàn)［9-13］提出一種智能檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)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(kāi)關(guān)等關(guān)鍵組部件的測(cè)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(xiǎn)；文獻(xiàn)［14］提出基于子模塊板卡功耗實(shí)現(xiàn)故障診斷的檢測(cè)裝置，通過(guò)不同故障時(shí)板卡功耗差異來(lái)進(jìn)行故障定位。以上研究均為子模塊與檢測(cè)裝置一對(duì)一的測(cè)試方案，存在測(cè)試接線多、測(cè)試效率低下及測(cè)試覆蓋面不足的缺陷。文獻(xiàn)［15-16］提出一種模塊化換流閥子模塊批量測(cè)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(cè)試問(wèn)題，但由于僅提供二次板卡電源，無(wú)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(jìn)行充電測(cè)試的方案，但高壓源的引入增加了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)，且設(shè)備尺寸巨大。

綜上，現(xiàn)有模塊化換流閥子模塊測(cè)試方案尚不能實(shí)現(xiàn)子模塊核心部件全覆蓋、無(wú)損的批量測(cè)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(cè)試控制策略，實(shí)現(xiàn)子模塊電容批量充電，解決工程現(xiàn)場(chǎng)子模塊無(wú)損批量測(cè)試難題。通過(guò)閥塔級(jí)仿真及工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提試驗(yàn)回路拓?fù)湟约皽y(cè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

模塊化換流閥拓?fù)淙绺戒汚 圖A1 所示。單個(gè)換流器由6 個(gè)橋臂組成，每個(gè)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(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)串聯(lián)子模塊電容的批量受控充電是實(shí)現(xiàn)子模塊批量測(cè)試的前提與技術(shù)難點(diǎn)。本文所提出的模塊化換流閥低壓加壓電路拓?fù)淙鐖D1 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(cè)試低壓加壓及快速放電電路如圖2 所示。

1）級(jí)聯(lián)充電過(guò)程

模塊化換流閥級(jí)聯(lián)充電拓?fù)淙鐖D2（a）所示。子模塊SM1 電容通過(guò)二極管直接并聯(lián)于低壓直流源兩端。啟動(dòng)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(dòng)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(guò)程即可實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)子模塊下管IGBT 的通流測(cè)試。

2）預(yù)充電及快速放電過(guò)程

預(yù)充電回路用于實(shí)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(guò)合上開(kāi)關(guān)Q1和Q2 使得每個(gè)子模塊電容均通過(guò)其他子模塊下管二極管和放電電阻形成充電通路，該測(cè)試方式為可選項(xiàng)，通常在級(jí)聯(lián)充電過(guò)程之前利用預(yù)充電對(duì)所有子模塊與閥控通信進(jìn)行普篩。

圖2 子模塊批量測(cè)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(kāi)Q1 并合上Q2，通過(guò)VBC 控制SMn至SM1 依次開(kāi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)子模塊上管IGBT 的通流測(cè)試，縮短了子模塊放電時(shí)間。

2 子模塊批量功能測(cè)試

2.1 測(cè)試項(xiàng)目及性能比較

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

2.2 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試技術(shù)

1）IGBT 測(cè)試

現(xiàn)有技術(shù)方案均難以實(shí)現(xiàn)針對(duì)子模塊IGBT 的通流測(cè)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(shí)的充電電流均會(huì)流過(guò)它之前所有子模塊的下管IGBT，在可控充電階段即完成了對(duì)所有子模塊下管IGBT 的通流測(cè)試；如圖2（c）所示，在快速放電階段，開(kāi)通當(dāng)前子模塊上管IGBT 使其電容通過(guò)限流電阻和其他子模塊下管二極管形成放電回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有子模塊上管IGBT 的通流測(cè)試。

2）電容電壓采樣校驗(yàn)

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(shí)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(guò)IGBT 的電流在10 A 以內(nèi)，此時(shí)UIGBT壓降可認(rèn)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(jì)算所得Ui比較實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓采樣的校驗(yàn)。

3）均壓電阻測(cè)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(huì)因?yàn)橘|(zhì)量問(wèn)題、電氣應(yīng)力或者其他外部因素導(dǎo)致其開(kāi)路或者阻值偏差過(guò)大。根據(jù)圖3（a）所示的子模塊各個(gè)階段等效電路可知，當(dāng)子模塊處于自然放電階段時(shí)，子模塊i電容Ci儲(chǔ)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(fù)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(dá)式，在圖3（b）所示的自然放電階段，可計(jì)算出當(dāng)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(jì)

放電電阻用于放電階段的限流，其選型設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)應(yīng)考慮子模塊放電時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，則其應(yīng)滿足式（8）。

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

單個(gè)子模塊放電時(shí)間Tsm，dis以及總放電持續(xù)時(shí)間Tdis可分別由式（9）、式（10）計(jì)算得到。

式中:Tdelay為兩個(gè)相鄰子模塊的放電間隔延時(shí)。

3 批量測(cè)試控制策略

批量測(cè)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(kāi)關(guān)Q1 和Q2，通過(guò)預(yù)充電將整個(gè)閥塔子模塊充電至子模塊板卡啟動(dòng)電壓以上，對(duì)與VBC 未建立通信的子模塊進(jìn)行批量標(biāo)記，自然放電后人為旁路故障模塊后進(jìn)行檢修。

2）階段2:級(jí)聯(lián)充電

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

在此過(guò)程中，當(dāng)子模塊k電容完成充電并與VBC建立通信后，VBC 會(huì)判斷子模塊上送狀態(tài)信息，校驗(yàn)二次板卡的軟件版本號(hào)、電源板以及驅(qū)動(dòng)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(hào)及故障內(nèi)容上送監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)故障定位；若子模塊k開(kāi)通下管IGBT 的2 s 內(nèi)VBC 沒(méi)有與子模塊k+1 建立通信，則判斷子模塊k下管IGBT 未開(kāi)通成功或者子模塊k+1 板卡啟動(dòng)失敗，對(duì)子模塊k及k+1 進(jìn)行標(biāo)記，后續(xù)采用功能測(cè)試儀單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

3）階段3:放電旁路

斷開(kāi)圖2（c）中開(kāi)關(guān)Q1 并合上Q2，首先進(jìn)入自然放電階段，VBC 通過(guò)采集一段時(shí)間內(nèi)子模塊電容電壓來(lái)進(jìn)行均壓電阻測(cè)試，若某一子模塊均壓電阻阻值偏差異常則VBC 上送事件報(bào)文至監(jiān)控后臺(tái)；隨后，VBC 切換至快速放電模式，依次導(dǎo)通子模塊上管IGBT 對(duì)其進(jìn)行通流測(cè)試，實(shí)現(xiàn)子模塊電容快速放電。當(dāng)放電至設(shè)定電容電壓下限Uset2時(shí)關(guān)閉上管IGBT，合上旁路開(kāi)關(guān)，完成旁路開(kāi)關(guān)測(cè)試，詳細(xì)流程如圖4（b）所示。

圖4 級(jí)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(jìn)行放電旁路階段，VBC 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dāng)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(kāi)關(guān)合位信息則判斷旁路開(kāi)關(guān)異常，VBC 均會(huì)將上管IGBT 及旁路開(kāi)關(guān)異常的事件報(bào)文上送監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)故障定位。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證低壓加壓電路以及批量充放電控制策略，搭建閥塔級(jí)子模塊批量測(cè)試EMTDC 仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)詳見(jiàn)附錄A 表A2。

附錄A 圖A4 為測(cè)試全過(guò)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(shí)刻子模塊電容電壓達(dá)到板卡取能的啟動(dòng)門(mén)檻，VBC 固定延時(shí)對(duì)其板卡軟件版本號(hào)、板卡狀態(tài)等進(jìn)行判斷，如有異常則上送監(jiān)控后臺(tái)，無(wú)異常則開(kāi)通該子模塊下管IGBT。待所有子模塊電容完成充電后延時(shí)斷開(kāi)直流源輸出開(kāi)關(guān)Q1，進(jìn)入子模塊自然放電階段（t2～t3），此時(shí)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(shí)刻的電容電壓采樣值可計(jì)算出均壓電阻阻值，繼而對(duì)其進(jìn)行判斷。隨后，從t3時(shí)刻開(kāi)始，導(dǎo)通子模塊上管IGBT，對(duì)其進(jìn)行通流測(cè)試并實(shí)現(xiàn)電容快速放電，此時(shí)電容電壓降低的斜率較陡，在此階段VBC檢測(cè)到子模塊電容電壓放電至下限320 V 時(shí)即關(guān)斷上管IGBT，隨后該子模塊進(jìn)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(jí)充電時(shí)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(jí)放電階段時(shí)放電電阻電壓Ur及電流Ir。

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

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文所提測(cè)試方案已在中國(guó)廣東背靠背工程粵中換流站穗東側(cè)兩個(gè)單元的柔性直流換流閥分系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用。如附錄A 圖A5 所示試驗(yàn)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(tái)、子模塊至閥控裝置的通信光纖以及測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備包括移動(dòng)式測(cè)試屏柜（含低壓直流電源、放電電阻與相關(guān)開(kāi)關(guān)）及分線器（內(nèi)含圖2 所示的低壓加壓網(wǎng)絡(luò)）。試驗(yàn)參數(shù)如表A3 所示。子模塊逐級(jí)充、放電試驗(yàn)波形如圖6所示。

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

圖6（a）所示為級(jí)聯(lián)充電階段低壓直流源輸出電壓與電流測(cè)量波形，可見(jiàn)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(jí)聯(lián)充電階段并非恒流輸出，因?yàn)槊客瓿梢粋€(gè)子模塊電容充電后VBC 均會(huì)延時(shí)2.5 s 對(duì)該子模塊進(jìn)行故障判斷，此時(shí)直流源輸出電壓達(dá)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(dāng)延時(shí)2.5 s 到達(dá)且當(dāng)前子模塊無(wú)故障后才會(huì)導(dǎo)通當(dāng)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(gè)方波即代表一個(gè)子模塊電容的恒流充電過(guò)程。

圖6（b）所示為放電階段放電電阻電壓及電流測(cè)量波形，每個(gè)梯形波即代表一個(gè)子模塊的放電過(guò)程，每個(gè)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(yǔ)

本文提出一種模塊化換流閥低壓加壓電路及模塊批量測(cè)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(cè)試策略，解決了閥塔級(jí)子模塊批量受控充電測(cè)試難題。利用工程實(shí)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(duì)模塊測(cè)試的干擾，相比現(xiàn)有測(cè)試方案無(wú)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(jiǎn)單、測(cè)試效率高及測(cè)試覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)。仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提方案的可行性。所提方案已在實(shí)際直流工程得到應(yīng)用。

本文所提測(cè)試方案主要針對(duì)實(shí)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(kuò)展應(yīng)用。

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