利用板卡功耗診斷柔性直流輸電功率模塊故障的裝置

侯婷，姬煜軻，李巖，何智鵬，周健鵬

(1. 直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院)，廣州510663；2. 榮信匯科電氣股份有限公司，遼寧 鞍山114051)

0 引言

相對于傳統直流輸電系統，柔性直流(modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC))輸電系統(簡稱柔直系統)具有諧波水平低、可為無源系統供電、無換相失敗等優點，近年來在國內外輸電領域被廣泛應用[1 - 4]。經典的柔直系統采用模塊化多電平拓撲的方式，每個橋臂均由數百個功率模塊串聯而成。功率模塊的功能性和可靠性決定了柔直系統能否穩定性運行，因此對功率模塊故障的精確分析及通過分析結果發現功率模塊的故障規律，可為未來柔直系統工程功率模塊改進和發展提供強有力的數據支撐。

目前，在實際柔直系統工程中，使用的功率模塊測試裝置均無法檢測出因功率模塊二次板卡異常導致的故障。針對這個問題，本文提出了1種精準故障定位智能裝置，該裝置利用最小二乘法進行二次板卡功耗觀測，通過考察板卡功耗是否衰減和衰減量，并配合功率模塊單元板反饋等信息進行精準的故障定位，省去了傳統故障定位使用示波器等測量設備進行逐一排查鎖定問題的環節，也降低了現場運維人員的操作難度。

1 換流閥和功率模塊拓撲結構

經典柔直系統工程采用三相模塊化多電平換流閥的拓撲結構[5 - 9]，如圖1所示，1個換流閥包含6個橋臂，每個橋臂由1個電抗器和多個功率單元串聯而成，其中，功率模塊的拓撲結構又分為半橋和全橋2種。由于每個橋臂均采用較多功率模塊串聯的方式，并能夠通過增減功率模塊的數量來滿足不同的系統功率和電壓等級的要求，因此絕大數換流閥采用的是最近電平逼近調制策略，既能快速執行系統的命令，又能確保各功率模塊的直流電壓平衡。

圖1 三相模塊化多電平換流閥和功率模塊的拓撲結構Fig.1 Topological structure of three-phase modular multilevel converter valve and power module

模塊化多電平的拓撲結構決定了換流閥控制器需準確獲取功率模塊的狀態信息，從而及時響應電網系統的控制指令[10 - 13]。每個橋臂功率模塊的閉鎖、投入、切除3種控制形式均由自身單元控制板下發控制命令至驅動板完成[14]，之后通過驅動板控制IGBT器件的開通與關斷，同時IGBT器件的開通、關斷狀態又能通過驅動板反饋至單元控制板。當功率模塊在系統運行過程中出現不可恢復的故障時，單元控制板會下發旁路命令至旁路接觸器觸發板，使接觸器閉合，并通過接觸器觸發板將其觸點狀態反饋至單元控制板，從而保證系統不會因模塊故障導致系統跳閘。單元控制板、驅動板、接觸器觸發板等二次板卡均由取能電源板供電，因此，取能電源板的工作狀態是保證功率模塊能夠正常執行電網系統命令的基本條件。

2 傳統功率模塊測量缺陷

傳統的功率模塊測試裝置未利用二次板卡功耗值對功率模塊進行故障診斷，因此其無法區分功率模塊因二次板卡工作異常導致的多種故障，故障列舉如下。

1)取能電源板輸入和輸出電壓正常，光耦次級處于斷開狀態導致取能電源故障。及取能電源板DC 15 V電壓無輸出導致取能電源板輸入電壓欠壓，光耦次級處于斷開狀態導致取能電源故障。

取能電源板的工作原理是取能電源輸入和輸出電壓正常，且內部故障檢測電路的光耦次級處于導通狀態，此時取能電源板正常工作，而當取能電源輸入和輸出電壓出現過壓或欠壓等異常狀態時，取能電源內部故障檢測電路的光耦次級將處于斷開狀態，單元控制板檢測到斷開節點后會上報取能電源故障。基于該工作原理可將取能電源故障分為上述兩種類型，單元控制板無法監測取能電源板的輸出電壓是否正常，因此傳統功率模塊測試裝置無法對其故障進行區分。

2)單元控制板與換流閥控制器的光纖通信故障和單元控制板DC 15 V電源輸入開路。上述兩種故障均為黑模塊故障，閥控與單元控制板無法正常建立通信，傳統功率模塊測試裝置無法區分黑模塊的故障因素。

3)驅動板IGBT驅動電路故障和驅動板電源端子開路故障。上述2種故障類型反饋至單元控制板的結果一致，均為驅動故障，單元控制板將無法正常控制IGBT開通和關斷，傳統的功率模塊測試裝置無法區分驅動板的供電是否正常。

4)接觸器控制板輸出控制電路故障和旁路接觸器觸發板電壓無輸出。上述故障類型反饋至單元控制板的結果一致，均為旁路失敗故障，即單元控制板下發旁路命令，但旁路接觸器未執行，傳統的功率模塊測試裝置無法區分接觸器的硬件問題與接觸器觸發板的電路問題。

綜上所述，傳統功率模塊測試裝置在測試功率模塊時存在局限性，若模塊出現板卡故障，裝置無有效的分析手段，同時裝置也會在充電階段功率模塊板卡帶電瞬間因模塊故障導致裝置跳閘，無法確定模塊真正的故障原因。

3 本文方案及理論支持

本文提出的利用板卡功耗診斷柔性直流功率模塊故障的智能裝置，其理論是通過最小二乘法計算出二次板卡功耗，再通過二次板卡功耗衰減值和單元控制板的反饋狀態，進行功率模塊的故障診斷分析，以傳統功率模塊測試裝置無法區分的4個故障為例，智能裝置處理如下。

1)取能電源故障定位

若取能電源板輸入電壓異常時，取能電源板無法正常工作，同時無法為其他二次板卡提供工作電壓，即模塊所有二次板卡均不能正常工作，此時模塊板卡功耗幾乎為0，利用智能裝置的輸出電壓大于板卡工作電壓時，單元控制板仍未將取能電源故障信號復歸，并配合裝置計算出板卡功耗值幾乎為0，可直接鎖定故障點為取能電源輸入電壓異常。

若取能電源輸入和輸出電壓正常，光耦次級處于斷開狀態導致取能電源故障，此時模塊板卡功耗未衰減，利用智能裝置的輸出電壓大于板卡工作電壓時，單元控制板仍未將取能電源故障信號復歸，并配合裝置計算出板卡功耗值未衰減，可直接鎖定故障點為光耦次級處于斷開狀態導致取能電源故障。

2)黑模塊故障定位

若單元控制板與換流閥控制器的光纖通信故障導致的黑模塊，此時模塊板卡均屬于正常工作，無板卡功耗衰減，利用智能裝置的輸出電壓大于板卡工作電壓時，單元控制板反饋上行通信故障，同時未反饋模塊電容電壓，配合裝置計算出板卡功耗值未衰減，可直接鎖定故障點為光纖通信異常。

若單元控制板DC 15 V電源輸入開路導致的黑模塊，此時模塊的單元控制板未能正常工作，模塊板卡功耗將缺少單元控制板的功耗值，利用智能裝置的輸出電壓大于板卡工作電壓時，單元控制板反饋上行通信故障，同時未反饋模塊電容電壓，配合裝置計算出板卡功耗值僅缺少單元主控板的功耗值，可直接鎖定故障點為單元板DC15V電源輸入開路故障。

3)驅動故障定位

若驅動板IGBT驅動電路故障，此時模塊板卡均能正常工作，功耗值未衰減，單元控制板正常工作時，單元控制板將反饋驅動故障，利用智能裝置的輸出電壓大于板卡工作電壓，單元控制板反饋驅動故障，配合裝置計算出板卡功耗值未衰減，可直接鎖定故障點為驅動板IGBT驅動電路故障。

若驅動板電源端子開路故障，此時模塊驅動板不能正常工作，模塊板卡功耗值將缺少驅動板的功耗值，單元控制板正常工作時，單元控制板將反饋驅動故障，利用智能裝置的輸出電壓大于板卡工作電壓，單元控制板反饋驅動故障，配合裝置計算出板卡功耗值僅衰減驅動板的功耗值，可直接鎖定故障點為驅動板電源端子開路故障。

4)旁路失敗故障定位

若接觸器控制板輸出控制電路故障，此時模塊板卡均能正常工作，功耗值無衰減，單元控制板在旁路測試環節因接觸器控制板輸出控制電路異常無法驅動接觸器合閘，單元控制板將反饋旁路失敗，利用智能裝置在旁路測試環節，單元控制板反饋旁路失敗，配合裝置計算出板卡功耗值未衰減，可直接鎖定故障點為接觸器控制板輸出控制電路故障。

若旁路接觸器觸發板電壓無輸出，此時模塊旁路接觸器觸發板不能正常工作，模塊板卡功耗值將缺少旁路接觸器觸發板的功耗值，單元控制板在旁路測試環節因接觸器觸發板未正常工作無法驅動接觸器合閘，單元控制板將反饋旁路失敗，利用智能裝置在旁路測試環節，單元控制板反饋旁路失敗，配合裝置計算出板卡功耗值僅衰減旁路觸發板的功耗值，可直接鎖定故障點為旁路接觸器觸發板電壓無輸出。

4 功率模塊測試流程的改進

圖2所示為傳統功率模塊測試裝置的測試流程[15 - 16]，通過流程圖可以看出，該裝置在輸出直流電壓280 V時，取能電源板可正常工作，并為其他板卡提供正常工作所需的DC 15 V電壓，功率模塊所有二次板卡正常建立通信后測試裝置才能進入真正的測試流程，否則該裝置就會在功率模塊上電瞬間因功率模塊故障而跳閘，無法正常分析故障原因。

圖2 傳統功率模塊裝置測試流程Fig.2 Test process of traditional power module device

根據上文缺陷，本節對測試流程提出了改進，圖3為改進后的智能裝置的測試流程，通過流程圖可以看出，該裝置需先進行模塊板卡功耗計算，功率模塊中每塊板卡功耗均為恒定值，在板卡運行穩定后，其不受功率模塊電容電壓高低的影響。由于每塊板卡硬件電路中的電容容值不同，因此板卡功耗達到恒定值需要一定的等待時間，本文提到的智能裝置的等待時間為2 min。通過給功率模塊每塊板卡施加額定電壓，并觀測其施壓板卡的輸出電流，計算出每塊板卡的恒定功耗值，以魯西柔直系統工程中的功率模塊板卡為例，空載測量后每塊板卡的恒定功耗值，如表1所示。

表1 功率模塊板卡功耗Tab.1 Power consumption of power module board

圖3 本文提出的智能裝置測試流程Fig.3 Test flow of intelligent device presented in this paper

利用取能電源板為其他二次板卡供電，取能電源板處于帶載狀態，功耗值升高，測量出二次板卡的總功耗值，如表2所示。

表2 功率模塊板卡總功耗Tab.2 Total power consumption of power module board

利用功率模塊智能診斷裝置進行二次板卡功耗測量前，需將該裝置的Udc+和Udc-兩端子分別連接到功率模塊的電容正、負極上，再利用該裝置的直流充電電源給功率模塊的電容進行充電，進入到二次板卡功耗測量控制流程，功率模塊的電容電壓達到500 V后需要在該電壓下維持2 min，避免因二次板卡的功耗未達到恒定而導致測量誤差，之后再利用該裝置停止對功率模塊的電容施加直流電壓，功率模塊會通過二次板卡的恒定功耗和均壓電阻的熱損耗產生能量衰減，在衰減過程中，該裝置能夠捕捉到每一個時刻的電容電壓值，并每100 ms記錄一次，連續記錄5 s，再利用最小二乘法和能量守恒原理計算出板卡總功耗，根據板卡功耗是否衰減與單元控制板反饋的狀態來定位功率模塊故障的原因。

與傳統功率單元測試流程相比，改進后的測試流程避免了在充電階段因模塊故障而無法定位原因的嚴重缺陷，并利用改進的充電流程和最小二乘法算法精確計算出二次板卡總功耗，使該測試流程具備了完整的功率模塊故障診斷機制。

圖4為本文提出的利用板卡功耗診斷柔直功率模塊故障的智能裝置實物圖，該裝置較傳統功率模塊測試裝置集成度更高，嵌入的工控機可實時監測功率模塊的全部運行情況和測量數據，控制功能更為強大，操作人員無需通過網線外接電腦即可進行故障分析。該裝置具備傳統功率模塊測試裝置的全部功能，如裝置自檢、充電及功率模塊檢查、運行測試、放電測試等，同時增加了最小二乘法計算二次板卡功耗策略和功率模塊故障診斷策略。

圖4 利用板卡功耗診斷柔性直流功率模塊的智能裝置Fig.4 Intelligent device for diagnosing HVDC power module failure using board power consumption

5 最小二乘法板卡功耗測量方法及仿真

智能裝置能夠捕捉到功率模塊電容電壓自然衰減的每一個時刻的電容電壓值，并每100 ms記錄一次，連續記錄5 s，即50個功率模塊電容電壓采樣點，U1，U2，U3，…，U50。由于在功率模塊能量衰減中存在二次板卡恒功率的影響，功率模塊電容電壓的衰減曲線為非傳統的RC曲線，無法直接計算出均壓電阻熱損耗，導致無法計算出二次板卡的功耗，因此精準計算出均壓電阻熱損耗是解決此問題的關鍵。以魯西柔直系統工程的功率模塊為例，該功率模塊采樣了8 mF的電容器和34 kΩ的均壓電阻，利用5 s內50個功率模塊電容電壓采樣點的結果，通過U2/R計算出50個均壓電阻功耗值，P1，P2，P3，…，P50。

假設均壓電阻的功耗值的理想曲線類型為指數曲線，因此利用50個均壓電阻功耗值和最小二乘法即可找到一條極為接近的指數曲線，進而可準確計算出均壓電阻所做的功。

假設均壓電阻功耗值的理想指數曲線為：

pt=eat+b

(1)

式中a和b分別為理想指數曲線的理想參數。將式(1)進行轉換可得到式(2)。

lnpt=at+b

(2)

令lnpt=Y，t=X，式(2)可以轉換為式(3)。

Y=aX+b

(3)

式中a、b分別為理想擬合直線方程的斜率和常數。根據最小二乘法[17 - 19]，該理想擬合直線方程的目標函數公式如式(4)所示，k為采樣點個數，k=50。

(4)

由于目標函數對a和b的偏導數為零，因此求得理想曲線的系數a和b，如式(5)—(6)所示。

(5)

(6)

功率模塊電容的能量衰減如式(7)所示。

(7)

式中C為被測模塊電容容值，U0為起始時刻的模塊電壓值，U5S為剛經過5 s自然衰減后的模塊電壓值。

能量守恒原理如式(8)所示。

(8)

從而反推出Pboard， 即二次板卡功耗值。以魯西柔直系統工程功率模塊為例，功率模塊的總功耗值為17.17 W，若裝置計算出的二次板卡功耗值存在衰減，若衰減量與表2的板卡功耗值相對應，代表對應的板卡工作異常。

基于通過該裝置采集的50個電容電壓采樣點計算出50個均壓電阻功耗點，利用最小二乘法對50個均壓電阻功耗點進行MATLAB仿真[20]，仿真結果說明，最小二乘法擬合的曲線完全貫穿50個采樣點，精度高，可靠性強，對功率模塊故障診斷結果至關重要。

圖5為利用魯西柔直系統工程中功率模塊實測數據進行MATLAB仿真的結果，其中縱坐標為pt， 橫坐標為時間。理想指數曲線的理想參數a和b分別為-0.027 7和1.926 7，即理想指數曲線為Pt=e-0.027 7×t+1.926 7， 實測板卡總損耗為17.26 W，與理論值17.17 W相比，精度在千分之五以內。

圖5 魯西功率模塊均壓電阻功耗仿真曲線Fig.5 Equalizing resistor power consumption simulation curve of Luxi power module

6 結語

本文首先分析了經典柔直系統和功率模塊的拓撲結構，強調了功率模塊故障診斷的必要性，并指出傳統功率模塊測試裝置在功率模塊故障診斷中的嚴重缺陷，提出了一種利用板卡功耗診斷柔性直流功率模塊故障的智能裝置，并改進了智能裝置的測試流程，通過最小二乘法理論進行了板卡功耗計算和仿真分析，仿真結果表明二次板卡功耗測量精度高，并通過高精度的板卡功耗衰減量準確定位功率模塊的故障原因，該裝置具有更加完善的功率模塊診斷機制，適用于實際工程，并在功率模塊故障智能診斷領域有很大的發展前景。