MMC-HVDC系統換流閥在線監測系統研究

周競宇，趙 宇，胡雨龍，任成林，徐洪全

（1.中國南方電網有限責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，柔性直流輸電技術廣泛應用于分布式能源的輸電，區域電網之間的互聯，城市中心供電等。柔性直流輸電系統一般采用模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）拓撲，半橋功率模塊數量少則幾百，多則幾千。在長期運行中，功率模塊的電壓、電流發生變化導致各個組件老化。這種老化至失效的故障即參數性故障，又稱軟故障。

目前，柔性直流輸電換流閥的監測功能較少，一般只能提供功率模塊的電壓、狀態字、故障字等簡單信息。通常檢修時只是針對故障模塊進行更換，對其他存在隱患的模塊并不能及時預防處理。因此，功率模塊的在線監測系統至關重要，它可以實時計算功率模塊的運行數據，預測器件的壽命、故障等重要信息，達到提前預防故障發生的效果[1-3]。

目前，國內外對IGBT、電容的老化與狀態監測有了一定的研究成果，但是對柔直換流閥功率模塊的在線監測技術的報道還較少。不同于傳統的換流器，柔直換流閥的功率模塊具有數目多，散熱器與水路分布復雜，開關頻率低等特點，其老化機理和狀態監測較為復雜。

文獻[1-2]分析了柔性直流輸電換流閥在線監測系統的原理，給出了IGBT 的熱阻、容值、損耗等關鍵變量的計算方法，指出這些變量是故障預測的重要參數；文獻[3]設計了一套柔性直流輸電換流閥的在線監測系統，介紹了控制結構與運行原理，但未詳細介紹IGBT 關鍵參數的監測方法；文獻[4-5]介紹了IGBT的工作原理，通過研究結溫與電流、電壓、損耗之間的關系給出了功率器件的熱阻模型；文獻[6-7]介紹了IGBT 的老化原理、失效檢測方法，以結溫為基礎推導出壽命模型，通過Miner 線性疲勞累積損傷理論和雨流法計算壽命損傷度；文獻[8]提出了一種MMC換流閥的IGBT 電熱耦合模型，使用了仿真手段對損耗、結溫進行了分析，并進行系統的實驗驗證。

本文以某工程現場的投運功率模塊為研究對象，根據IGBT、二極管、散熱器的熱場分布，建立功率器件級熱阻模型，通過Lesit 壽命模型和線性損傷累積理論對模塊壽命耗損進行定量研究。在計算電壓、電流、損耗、結溫及壽命等關鍵變量的基礎上，完成換流閥在線監測系統的設計，提前預測功率模塊的異常發展趨勢，預防嚴重故障的發生，提高了功率器件的利用效率和系統的可靠性。

1 換流閥的運行原理

1.1 換流閥的主回路結構

柔性直流輸電換流閥采用MMC 拓撲結構，如圖1所示，一般由6 個橋臂構成，每個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構Fig.1 Main circuit structure of flexible direct current transmission converter valve

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

某柔性直流輸電工程中的IGBT 與DIODE 器件的結構如圖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構Fig.2 Structure of half-bridge power module

2 功率器件的數據監測原理

2.1 功率器件的損耗計算

對于換流閥而言，由于IGBT 的開關頻率較低，一個工頻周期內，每一個功率器件有效開通頻率僅幾次。IGBT 的損耗包括通態損耗Pcon，開通損耗Pon，關斷損耗Poff。

2.2 功率器件的結溫計算

根據圖2 中IGBT、二極管及散熱器的熱場分布，建立功率器件級的熱阻模型。

結合器件的分布圖，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 器件手冊所提供的參數如表1所示，結合實際經驗，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 數據手冊中的熱阻參數Tab.1 Thermal resistance parameters in IGBT data sheet

定義狀態變量如下：

式中：Tin1為散熱器1 的溫度；TJ1為IGBT1 的結溫；TD1為DIODE1 的結溫；X0，X1為通過計算或測量可以得到的量；Y1為待估計的量。

根據上述模型，容易寫出：

其中：

在此基礎上，可以計算出各器件的結溫。

3 功率器件的壽命預測

目前，IGBT 的壽命預測模型大致分為兩類：①基于結溫的壽命預測模型；②基于多變量的IGBT壽命預測模型。本文在基于結溫的預測模型Lesit 模型進行研究，給出了IGBT 的壽命預測方法。

Lesit 模型包含2 個變量ΔTj和Tm。

結溫溫差ΔTj和平均結溫Tm是決定IGBT 壽命預測模型的重要參數，Lesit 模型為

結合本文的功率器件，上述參數中Nf為模塊功率循環次數；A和α 為與器件特性相關的常數，通過IGBT 供應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為與材料相關的激活能，取7.8e3J·mol-1；R為氣體常數，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 運行的數據眾多，需要進行有選擇的預測。引入Miner 線性疲勞累積損傷理論和雨流算法，對功率模塊壽命預測的數據處理。

Miner 定理給出了壽命消耗的一般規律。假設器件的使用周期中包含若干小周期，分別對應不同的ΔTj，則可以通過對n個不同階段的ΔTj進行選取，得到不同階段的總壽命消耗：

同時，采用雨流法對ΔTj進行選取，選取重要的階段可減少對ΔTj的統計工作量。一般將整個壽命曲線劃分為若干個等差的應力幅級別。

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對模塊造成的損害很小，在分析時可以不予考慮。該圖中ΔTj＜20 的循環對壽命預測的影響可以忽略。

4 換流閥在線監測系統的設計

本文的換流閥在線監測系統結構如圖6所示，裝置主要包括：監控后臺、通信板、主控制器、光纖板等。

圖6 在線監測系統的控制硬件結構Fig.6 Control hardware diagram of on-line monitoring system

主控制器接收光纖板的數據，進行模塊的結溫、損耗、壽命預測、故障預測等計算。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背板LVDS 總線進行通信。

監控系統主要用來顯示功率模塊的狀態、損耗、結溫、壽命預測等數據。

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

功率模塊控制板接收閥控下發的指令實現對功率模塊的驅動；同時上傳模塊的電壓、狀態字等信息到上層閥控系統，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

在線監測系統的軟件計算流程如圖8所示。

在線監測系統的軟件計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，則停止計算；反之則進入計算流程；

步驟2參數初始化，算法步長為100 μs；

步驟3對功率模塊數據的采樣，包括電容電壓、散熱器溫度、橋臂電流等數據；

步驟4進行功率器件的損耗、開關頻率、結溫計算；

步驟5根據器件的結溫、電流參數等數據，實時計算各個功率器件的壽命預測；

步驟6根據器件的損耗、結溫、壽命等數據進行故障告警預測，計算結果上送至監控后臺。

5 仿真與實驗驗證

采用表2 的參數搭建實驗系統。以6 拖6 功率模塊實驗平臺為對象，對被測系統6 個半橋的功率模塊進行在線監測。實時計算IGBT 的溫度、開關頻率、損耗，并設置過溫、過頻等告警功能，為換流閥的運行狀態提供詳細數據。同時，建立PSCAD/EMTDC 仿真模型，驗證在線監測方案的有效性。

表2 實驗系統參數Tab.2 Experimental system parameter

啟動階段，補能電源設置較高的電壓，對被測、陪測模塊進行充電。待解鎖后，補能電源維持補能模塊的電壓穩定在固定電壓。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，實驗臺主回路如圖9所示。

圖9 實驗臺主回路框圖Fig.9 Main circuit block diagram of laboratory

以下對在線監測系統的實驗與仿真結果進行分析，實驗結果如圖10 和圖11所示。

圖10 820 A/1500 V 下的實驗結果Fig.10 Experimental results at 820 A/1500 V

圖11 920 A/1700 V 下的實驗結果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 管結溫為70 ℃；T1 管的壽命為16.716 e6。

各負載點的實驗與仿真數據對比如表3所示，給出了多個負載點的實驗與仿真數據。

表3 各負載點的實驗與仿真數據對比Tab.3 Comparison of experimental and simulation data of each load point

PSCAD 仿真與實驗的結果對比如圖12所示，實驗結果與仿真結果基本接近，兩者的偏差主要分布在2%～5%之間。這說明該在線監測系統的仿真與實驗結果基本一致，具有有效性。

圖12 PSCAD 仿真與實驗結果對比Fig.12 Comparison of PSCAD simulation and experimental results

6 結語

分析了現有柔性直流輸電換流閥的在線監測技術的現狀，指出功率模塊的主動預測是重要的研究方向。設計完成了一套在線監測系統，建立了器件的熱阻模型，給出了損耗、結溫、壽命的預測方案。最后，對所設計的在線監測系統進行了樣機實驗驗證。