柔直換流閥寬頻等效模型建模研究

周競宇，李 偉，藺廣科，張長水，崔 燾

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣州 510000；2.特變電工新能源股份有限公司，西安 710000）

0 引言

柔性直流換流閥是HVDC（特高壓柔性直流輸電）[1-2]系統(tǒng)中最關(guān)鍵的核心設(shè)備。換流閥在輸電系統(tǒng)運(yùn)行中承受著各種各樣的過電壓。由于換流閥存在雜散參數(shù)，其在承受過電壓時(shí)會造成電壓分布的不均，從而對設(shè)備安全運(yùn)行造成影響。因此，建立合理的換流閥寬頻等效電路模型是研究換流閥電壓分布的重要手段。本文采用有理逼近原理準(zhǔn)確建立功率模塊關(guān)鍵部件的寬頻等效模型，從而建立完整模塊的寬頻等效電路。通過仿真驗(yàn)證了寬頻等效電路的準(zhǔn)確性。在高頻振蕩情況下，柔性直流換流閥集中參數(shù)特性發(fā)生改變，因此，建立完整的柔性直流換流閥寬頻模型是深入研究柔性直流換流閥過電壓及電磁干擾的前提條件。該模型能直接應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真軟件，計(jì)算結(jié)果與阻抗測試儀測量結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了模型的有效性。

1 柔性直流換流閥功率模塊寬頻等效模型建模

1.1 有理逼近

阻抗分析儀測得的幅頻和相頻特性數(shù)據(jù)為一系列與頻率有關(guān)的離散的點(diǎn)[3-5]。對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行有理逼近，并進(jìn)行電路綜合，進(jìn)而得到簡單的RLCG 串并聯(lián)電路，大大提高了計(jì)算效率。有理逼近方法有很多，而VF（矢量匹配法）則是一種高效且準(zhǔn)確的方法。

設(shè)換流閥部件側(cè)阻抗有理函數(shù)表達(dá)為：

式中：resk，pk極點(diǎn)及其對應(yīng)的留數(shù)為實(shí)數(shù)或共軛復(fù)數(shù)對；一次項(xiàng)se 和常數(shù)項(xiàng)d 為實(shí)數(shù)；N 為全部的極點(diǎn)數(shù)。

1.2 換流閥子模塊寬頻模型建模

柔性直流換流閥是實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電的核心設(shè)備，其在運(yùn)行過程中承受著來自內(nèi)、外部的各種過電壓。為了分析直流換流閥系統(tǒng)在各個(gè)情況下過電壓的分布特性，建立換流閥功率模塊的寬頻等效電路是最關(guān)鍵的一步。換流閥主要由模塊構(gòu)成，模塊內(nèi)主要有帶反并聯(lián)二極管的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和儲能電容組成的子模塊。本文采用如圖1 所示的半橋子模塊原理。如圖2 所示，半橋子模塊包含2 只IGBT，其中IGBT 的VT1和VT2之間由水冷散熱器連接，均壓電阻、并聯(lián)電容器通過疊層母排連接，從而構(gòu)成回路。

圖1 半橋子模塊主電路結(jié)構(gòu)

圖2 半橋子模塊功率連接示意

2 模塊內(nèi)雜散電容網(wǎng)絡(luò)及參數(shù)提取

一般的，在調(diào)制比為1 且不考慮冗余的情況下，若MMC 每個(gè)相單元由2N 個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，則上、下橋臂分別有N 個(gè)功率模塊，可以構(gòu)成N+1 個(gè)電平，任一瞬時(shí)每個(gè)相單元投入的功率模塊數(shù)目為N，即上橋臂投入的功率模塊與下橋臂投入的功率模塊之和必須為N。在正常工作時(shí)，每個(gè)功率模塊對應(yīng)電容電壓投入狀態(tài)或者切除狀態(tài)。為得到功率模塊等效模型，以2 個(gè)串聯(lián)的SM（功率模塊）為例，SM1為投入狀態(tài)，SM2為切除狀態(tài)，功率模塊電容有充電和放電2 個(gè)工作狀態(tài)，對應(yīng)2 個(gè)電流通路，如圖3 所示。

圖3 模塊電流通路示意

由圖3 可知，當(dāng)一個(gè)功率模塊投入、另一個(gè)功率模塊切除時(shí)，不管電流方向如何，投入的功率模塊均可等效為IEGT（二極管）與電容串聯(lián)，切除的功率模塊均可等效為IEGT。

如圖4 所示，疊層母排雜散電感采用Q3D仿真軟件計(jì)算[6]，設(shè)置電流源source 及電流出口sink，即可計(jì)算電流通路電感值。整個(gè)子模塊分部件的電感計(jì)算見表1。

采用仿真計(jì)算方法，分別計(jì)算出子模塊的等效電容、等效電感數(shù)據(jù)。對某直流工程換流閥功率模塊采用2 個(gè)電容并聯(lián)，考慮雜散參數(shù)的影響，等值電路如圖5 所示。

圖5 IGBT 模塊的合成寬頻等效電路

通過搭建功率模塊的整體仿真回路，對功率模塊進(jìn)行瞬態(tài)特性仿真，從而達(dá)到驗(yàn)證功率模塊的寬頻特性的目的[7]。

（1）功率模塊的雙脈沖測試仿真測試回路的搭建。如圖6 所示，采用Simplorer 軟件，利用特征化建模功能，直接生成雙脈沖測試電路，并將通過仿真計(jì)算得到的電感、電容數(shù)值帶入仿真測試電路進(jìn)行計(jì)算。

圖6 雙脈沖測試的仿真模型

（2）仿真波形。IGBT 關(guān)斷過程中的電壓、電流仿真波形如圖7、圖8 所示。

圖7 雙脈沖測試IGBT 的門級電壓

圖8 雙脈沖測試IGBT 的電流電壓仿真波形

3 換流閥雜散電容網(wǎng)絡(luò)及參數(shù)提取

換流閥塔為三層兩列結(jié)構(gòu)，每層由2×36 共6個(gè)閥段串聯(lián)而成，每閥段包括4/6 個(gè)IGBT 模塊[8-10]。

3.1 換流閥層間電容及層-地電容的計(jì)算

模塊化多電平換流閥有6 個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由1 個(gè)電抗器和N 個(gè)SM 串聯(lián)而成，每一相上、下2 個(gè)橋臂合在一起成為1 個(gè)相單元，如圖9 所示，虛線框內(nèi)即為橋臂換流閥。

圖9 相單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

每個(gè)閥塔是圖9 中橋臂換流閥的一部分，由面對面2 個(gè)半塔組成。閥塔本體有均壓環(huán)、屏蔽罩和框架等多種金屬導(dǎo)體，所有導(dǎo)體與導(dǎo)體之間及對地之間均存在雜散電容，同時(shí)功率模塊本身也包含大電容，所有這些電容耦合在沖擊電壓下發(fā)生作用，從而導(dǎo)致?lián)Q流閥內(nèi)電壓分布不均勻。

一般可以把雜散電容分為3 類，即閥層內(nèi)部的雜散電容、閥層間的雜散電容及閥層對地的雜散電容[11]。

對于每一層屏蔽而言，考慮到屏蔽效應(yīng)，只需考慮相鄰層屏蔽環(huán)及同一層相鄰屏蔽環(huán)之間的雜散電容即可。以某一層前半塔的屏蔽罩為例，考慮雜散電容時(shí)其側(cè)視圖如圖10 所示。

圖10 位于中間層的屏蔽罩側(cè)視圖及其雜散電容

由于屏蔽罩與閥段功率模塊為一體設(shè)計(jì)，則用每層功率模塊表示的閥塔寬頻模型見圖11。

圖11 閥塔等效模型

同一閥塔內(nèi)部距離較遠(yuǎn)的導(dǎo)體與不同閥塔的導(dǎo)體之間產(chǎn)生的寄生電容數(shù)量級相對較小，可以忽略。

應(yīng)用ANSYS 軟件平臺，將閥段、均壓環(huán)和屏蔽環(huán)等建立成多導(dǎo)體系統(tǒng)的三維仿真模型[12]，如圖12 所示。

圖12 對地電容仿真模型

設(shè)置靜電場分析邊界條件及高低電位載荷，提取閥塔的對地雜散電容，如表2 所示。

表2 對地電容匯總表

如圖13 所示，針對層間電容計(jì)算，可將閥段近似視為一個(gè)整體，每層閥塔包括6 個(gè)塊，計(jì)算時(shí)選取頂層6 個(gè)閥段與下一層6 個(gè)閥段作為激勵(lì)，利用maxwell 得到電容矩陣[13]。

3.2 模塊間電容的計(jì)算

圖13 層間電容仿真模型

閥塔內(nèi)模塊間電容的計(jì)算與閥塔層間、層-地電容的計(jì)算方法和模型構(gòu)建類似，僅在節(jié)點(diǎn)組件的選取上有所不同。由于閥塔的對稱性，選取第一層其中一個(gè)閥段及相鄰閥段內(nèi)的模塊進(jìn)行計(jì)算，具體情況如圖14 所示，第一層右端第一個(gè)模塊記為節(jié)點(diǎn)組件1，往左依次類推，共選擇9個(gè)模塊進(jìn)行計(jì)算。認(rèn)為該列其余閥段內(nèi)8 個(gè)模塊間電容與該閥段內(nèi)計(jì)算結(jié)果對稱且近似相等（如C1-2=C17-18）[14]。其中1—9 表示圖14 中9 個(gè)模塊的節(jié)點(diǎn)組件號。

圖14 模塊間電容仿真模型

最終結(jié)果即C1-2=233.22 pF，C2-3=232.79 pF，C3-4=233.24 pF，C4-5=232.47pF，C5-6=232.72 pF，C6-7=44.3 pF，C7-8=232.9 pF，C8-9=232.78 pF。其中，C6-7為兩相鄰閥段間相距最近的2 個(gè)模塊間電容。

4 沖擊電壓下閥塔過電壓分布

由于高頻下?lián)Q流變壓器和平波電抗器的高阻抗特性及穿墻套管的存在，上升沿較陡的過電壓傳播到換流閥時(shí)，其作用已相當(dāng)于操作過電壓[15]。然而，換流站內(nèi)換流變壓器閥側(cè)短路故障以及平波電抗器閥側(cè)短路故障時(shí)，將產(chǎn)生波前很陡的過電壓，類似雷電過電壓；此外，換流站內(nèi)的一個(gè)換流閥在最大電壓下觸發(fā)時(shí)，將在另一個(gè)閥塔上產(chǎn)生接近沖擊電壓的波形。這種情況將會在晶閘管上出現(xiàn)沖擊過電壓，盡管幅值不大，但這些電壓的快速前沿部分產(chǎn)生的容性電流將可能使閥晶閘管誤導(dǎo)通。因此，研究各種過電壓下?lián)Q流閥內(nèi)的電壓分布特性十分必要[8-9]。

對第3 節(jié)建立的換流閥系統(tǒng)寬頻等效電路，進(jìn)行不同過電壓作用下的電壓分布分析（用于分析的2 種常用波型為[16]：雷擊過電壓1.2/50 μs；操作過電壓250/2 500 μs）。

為了便于比較和分析，定義參數(shù)表示IGBT模塊的電壓梯度，即：

式中：Ui為第i 個(gè)IGBT 模塊的對地電壓；Uin為入侵過電壓。

4.1 操作波作用下的過電壓分布

在250/2 500 μs 操作沖擊波下，測量各IGBT模塊的電壓，可以得出整個(gè)閥塔的電壓梯度k 的情況，如圖15、圖16 所示。由圖15、圖16 可知，在操作過電壓下，IGBT 上電壓分布較為均勻，k基本維持在1.54%左右。考慮到IGBT 中15 mF 儲能電容的影響，操作過電壓基本分布在IGBT 模塊上，雜散電感影響較小。

圖15 換流閥閥層的操作過電壓

4.2 雷電波作用下的過電壓分布

在1.2/50 μs 雷電波作用下，測量各IGBT 模塊的電壓，可以得出整個(gè)閥塔的電壓梯度分布情況[17]，如圖17、圖18 所示。由圖17、圖18 可知，由于儲能電容的影響，在雷電波作用下各個(gè)IGBT模塊電壓分布均勻，電壓梯度k 基本維持在0.44%。并且，在雷電波作用下，寄生電感影響很明顯，雷電波分布于寄生電感和IGBT 模塊上[18]。

圖16 換流閥閥塔的操作過電壓分布

圖17 換流閥閥層的雷電過電壓

圖18 換流閥閥塔的雷電過電壓分布

將表3 模塊電壓輸入PS-CAD 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖19 所示。由圖19、圖20 的試驗(yàn)結(jié)果可知，閥塔模塊電壓分布較為一致，不均壓度小于0.14 kV，與仿真結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

本文結(jié)合IGBT 模塊寬頻等效電路，建立了閥塔等效分布式電路網(wǎng)絡(luò)，對閥塔等效分布式電路網(wǎng)絡(luò)在操作和雷電情況下的電壓分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

（1）在器件設(shè)計(jì)中雜散參數(shù)對IGBT 導(dǎo)通關(guān)斷產(chǎn)生的電流電壓尖峰有比較大的影響，因此在設(shè)計(jì)中需進(jìn)行雜散參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小雜散參數(shù)，避免大的電壓尖峰引起器件的失效。

表3 10 s 端間試驗(yàn)數(shù)據(jù)（第一層）

圖19 閥塔3 h 試驗(yàn)結(jié)果（模塊電壓）

圖20 閥塔3 h 試驗(yàn)結(jié)果（電壓偏差）

（2）在IGBT 模塊上電壓分布最大梯度差為1.54%，出現(xiàn)在操作波沖擊電壓加載的工況下。這是由于充電電容為15 mF，遠(yuǎn)大于各雜散電容，而且由于連接各模塊的母排表現(xiàn)為電感，相當(dāng)部分的過電壓分布在母排上。由仿真計(jì)算結(jié)果對比可知，雜散參數(shù)對換流閥在沖擊電壓下的工作性能并無明顯影響，在實(shí)際分析中可以忽略。