換流閥子模塊IGBT短路測試系統(tǒng)分析與設(shè)計

歐陽有鵬， 謝曄源， 朱銘煉，姜田貴， 付俊波

( 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)作為目前功能最全面的柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)設(shè)備，在潮流控制上具有較大的優(yōu)勢。既可以快速控制輸電線路有功和無功潮流，提高線路輸送能力，也可以提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)阻尼，提高功角穩(wěn)定性[1-2]。目前，國內(nèi)外首套基于模塊化多電平換流器 (modular multilevel converter，MMC)技術(shù)的UPFC工程已經(jīng)在南京西環(huán)網(wǎng)220 kV UPFC實現(xiàn)示范應(yīng)用，為南京電網(wǎng)供電能力提升發(fā)揮了重要作用。為了提高蘇州南部500 kV電網(wǎng)供電能力、特高壓直流功率消納等問題，第一個500 kV的蘇南UPFC工程也在2017年12月19日成功投運[3-5]。

換流器作為UPFC的核心設(shè)備，運行工況非常復(fù)雜，其可靠性也成為影響整個系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素之一。作為換流器中的核心器件，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的失效尤其是短路失效對換流器造成的損壞是毀滅性的、不可逆的。因此，研究其抗短路能力對于提高換流器的可靠性具有重要意義[6-10]。

本文根據(jù)模塊化多電平換流器的運行機理，對換流閥的運行特性、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和暫態(tài)應(yīng)力進行分析[11-14]，提出一種換流閥子模塊IGBT短路試驗回路與系統(tǒng)，進行子模塊在穩(wěn)態(tài)運行下IGBT短路故障試驗，從而實現(xiàn)對IGBT穩(wěn)態(tài)應(yīng)力和短路故障下暫態(tài)應(yīng)力的綜合考核，并通過試驗平臺進行了驗證。

1 MMC基本原理

1.1 蘇南500 kV UPFC工程概述

蘇南500 kV UPFC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。串、并聯(lián)側(cè)3個換流器采用背靠背連接方式。并聯(lián)側(cè)換流器1套，通過啟動電阻接至并聯(lián)變壓器，再接入木瀆500 kV母線；串聯(lián)側(cè)換流器2套，通過2個串聯(lián)變壓器接入木瀆—梅里500 kV雙回線路。

圖1 蘇南500 kV UPFC主回路拓?fù)涫疽釬ig.1 Sunan 500 kV UPFC main circuit topology diagram

1.2 MMC基本結(jié)構(gòu)

圖2(a)為蘇南500 kV的UPFC換流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，換流器包含6個橋臂，每個橋臂由123個半橋型子模塊(sub-module，SM)及一個橋臂電抗器串聯(lián)組成。子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，由2個IGBT器件上管T1和下管T2、2個反向并聯(lián)二極管D1和D2、子模塊電容C、保護晶閘管SCR、旁路開關(guān)K以及均壓電阻R組成[15-18]。

圖2 MMC基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of MMC

2 子模塊短路及耐受性能指標(biāo)

2.1 子模塊IGBT短路故障

換流閥子模塊在正常工作時，按照控制系統(tǒng)生成的觸發(fā)脈沖，子模塊中的T1和T2交替導(dǎo)通。但是，如果 T1和T2觸發(fā)脈沖出現(xiàn)誤觸發(fā)、死區(qū)設(shè)置出現(xiàn)問題或者其他金屬線短路發(fā)生，此時直流側(cè)電容C將通過T1、T2直接放電，如圖3(a)所示；如果其他原因造成子模塊發(fā)生金屬線短路，隨著IGBT器件的開通與關(guān)斷，直流側(cè)電容將通過T1或者T2直接放電，如圖3(b)、(c)所示。

圖3 IGBT短路故障模式Fig.3 Short circuit fault model of IGBT

放電回路中的電阻有IGBT阻抗、電容器內(nèi)阻和導(dǎo)線電阻構(gòu)成。由于放電回路中的電阻非常小。放電電流可能會非常大(峰值可達(dá)幾千安至十幾千安)，并且因為回路電感在幾百納亨至幾千納亨左右，電流上升速度也非常快，一般會在數(shù)個微秒內(nèi)達(dá)到峰值，然后開始逐漸衰減。因此在短路發(fā)生時刻，此故障只能由IGBT的門極驅(qū)動保護電路關(guān)斷。

2.2 IGBT短路耐受性能指標(biāo)

IGBT的抗短路能力，是IGBT可以承受復(fù)雜工況下的短路故障而不至于損壞的能力。IGBT的短路耐受性能指標(biāo)包括以下幾點。

(1) 短路時間。IGBT在短路時將承受近千倍于正常時的功率沖擊，從考慮短路檢測的動作響應(yīng)時間及驅(qū)動動作時間考慮，IGBT應(yīng)能承受10 μs短路沖擊而不損壞。

(2) 短路安全工作區(qū) (short circuit SOA，SCSOA)。IGBT器件的安全工作區(qū)域(safe operation area， SOA)限定了各種臨界的不至于導(dǎo)致器件損壞的運行狀態(tài)。SCSOA限定了非重復(fù)性的單次關(guān)斷(如短路電流關(guān)斷)的安全工作區(qū)域。IGBT發(fā)生短路故障時，IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，短路電流峰值均不能超過此區(qū)域。

(3) 結(jié)溫。短路發(fā)生后，該短路電流產(chǎn)生的損耗積累為熱量使IGBT內(nèi)部硅片溫度急劇上升。IGBT技術(shù)手冊中給出的暫態(tài)熱阻抗表示為：

(1)

IGBT的結(jié)溫模型如圖4所示。

圖4 IGBT結(jié)溫模型Fig.4 Thermal model of IGBT junction temperature

圖中，PIGBT為IGBT的損耗；Zth(j-c)為IGBT暫態(tài)熱阻抗(內(nèi)部芯片到基板)；Tc為IGBT穩(wěn)態(tài)運行下的外殼溫度。

IGBT的結(jié)溫計算方法如下：

Tj_IGBT(t)=PIGBTZth(j-c)(t)+Tc

(2)

其中：Tj_IGBT為IGBT的結(jié)溫。半導(dǎo)體的本征溫度極限為250 ℃，當(dāng)結(jié)溫超過本征溫度，器件將喪失阻斷能力，由于短路電流使結(jié)溫升高，一旦超過其熱極限時，柵極保護也相應(yīng)失效。

3 IGBT短路試驗回路及控制系統(tǒng)

3.1 IGBT短路測試現(xiàn)狀

目前，IGBT短路測試的主要方法是基于通用的雙脈沖測試法[19]，試驗回路包括直流電源、測試子模塊以及短銅排，如圖5所示。直流電源用于給子模塊充電，短銅排將測試子模塊的T2管短接，模擬下管短路，然后給T1管觸發(fā)開通，驗證其抗短路能力。此方法的主要問題在于不能模擬子模塊在實際工況下的短路故障，不能正確反映換流閥子模塊IGBT的電壓、電流以及溫度應(yīng)力。

圖5 IGBT雙脈沖測試Fig.5 IGBT double-pulse test

3.2 IGBT短路試驗系統(tǒng)

本文模塊短路試驗系統(tǒng)如圖6所示。試驗回路包括直流電源、測試子模塊、陪試子模塊和負(fù)載電抗器L、水冷系統(tǒng)、控制保護系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。

圖6 子模塊短路試驗系統(tǒng)Fig.6 Short circuit testing system of Sub-module

3.3 IGBT短路試驗控制系統(tǒng)

MMC子模塊短路試驗控制包括穩(wěn)態(tài)控制與暫態(tài)控制兩個方面。

3.3.1 穩(wěn)態(tài)控制

穩(wěn)態(tài)運行時采用定電流控制。通過該策略，使得負(fù)載電抗器L的運行電流IL控制到目標(biāo)值Iset。IL控制策略如圖7所示。

圖7 定電流控制原理Fig.7 Constant current control strategy

3.3.2 暫態(tài)控制

當(dāng)IL達(dá)到目標(biāo)值Iset后，抗短路試驗系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行，即在t1到t2時刻，被測子模塊按照控制系統(tǒng)生成的觸發(fā)脈沖，T1和T2交替導(dǎo)通；在t2時刻，通過控制系統(tǒng)在T1導(dǎo)通區(qū)間強制觸發(fā)T2導(dǎo)通，造成T1、T2直通短路故障。邏輯如圖8所示。

圖8 IGBT短路故障控制策略Fig.8 IGBT short circuit fault control strategy

4 試驗驗證與抗短路能力評估

4.1 試驗驗證

為了驗證本文所設(shè)計的IGBT短路測試系統(tǒng)，搭建了MMC子模塊短路試驗測試平臺，試驗系統(tǒng)額定直流電壓2500 V，負(fù)載電流有效值2050 A，額定頻率50 Hz。

穩(wěn)態(tài)控制下被測子模塊T2管的Vce電壓和負(fù)載電流IL波形如圖9所示。被測子模塊的電壓和電流近似模擬MMC子模塊實際運行中電壓、電流和溫度應(yīng)力。

圖9 穩(wěn)態(tài)控制試驗波形Fig.9 Test waveform of steady state control

待MMC閥在穩(wěn)態(tài)運行2 h，進行暫態(tài)控制，試驗波形如圖10所示?？梢钥闯?，短路故障下通過T2的電流瞬間上升至11.7 kA，然后在10 μs左右關(guān)斷。

圖10 暫態(tài)控制試驗波形Fig.10 Test waveform of transient state control

4.2 抗短路能力評估

4.2.1 短路時間

由圖10所知， T2約在 12 μs內(nèi)關(guān)斷，滿足IGBT應(yīng)承受10 μs短路沖擊而不損壞的要求。

4.2.2 短路安全工作區(qū)SCSOA

根據(jù)圖10所示的T2管承受的電壓以及電流應(yīng)力，其繪制的SCSOA曲線如圖11所示。

查找IGBT技術(shù)手冊，其短路條件下關(guān)斷電壓尖峰VCEM CHP≤4500 V，短路電流ISC=11 800 A。本次試驗中，T2管的VCEM CHP=2940 V，ISC=11 700 A，滿足其SCSOA的要求。

4.2.3 結(jié)溫仿真

采用局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型,依據(jù)本文式(2)的結(jié)溫方法，搭建IGBT結(jié)溫仿真模型，結(jié)合IGBT短路測試系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)，驗證IGBT承受短路電流時的結(jié)溫是否安全，仿真模型如圖12所示。

圖12 IGBT結(jié)溫計算和仿真模型Fig.12 Thermal model of IGBT junction temperature for calculation and simulation

針對暫態(tài)溫升，此型號IGBT技術(shù)手冊中給出了器件暫態(tài)溫升曲線Zth(j-c)IGBT，如表1所示。

表1 暫態(tài)熱阻曲線Tab.1 Thermal impedance curve

根據(jù)試驗采集的IGBT的Vce電壓和短路電流Ic數(shù)據(jù)，結(jié)合局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型，搭建了結(jié)溫仿真模型。仿真結(jié)果表明：短路故障發(fā)生后，IGBT承受的瞬時功率急劇上升，10 μs左右上升至峰值30 MW，如圖13(a)所示。設(shè)IGBT基板初始溫度為80 ℃，短路故障下，IGBT結(jié)溫急劇上升，10 μs左右上升至峰值176 ℃，如圖13(b)所示。

圖13 IGBT結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.13 Simulation result of IGBT junction temperature

雖然此時IGBT的結(jié)溫已經(jīng)超過其正常運行下最高允許結(jié)溫159 ℃，但是遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體的本征溫度極限為250 ℃，安全且有裕量。

5 結(jié)語

針對換流閥的運行特性，為了快速有效地驗證MMC閥子模塊IGBT抗短路能力，搭建了MMC子模塊短路試驗測試平臺，近似地模擬MMC子模塊在實際運行工況中短路故障下的暫態(tài)應(yīng)力，特別適用于子模塊在樣機研制階段的型式試驗驗證。結(jié)果表明，所提出的IGBT短路試驗系統(tǒng)和性能指標(biāo)評估方法準(zhǔn)確有效，為UPFC工程換流閥的研制提供了保障依據(jù)。