專利名稱：一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及電力系統柔性輸配電、電力電子和高壓輸電技術領域，具體涉及一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置及其試驗方法。
背景技術：
在常規直流輸電技術已日漸成熟的現狀下，隨著柔性直流新興技術的發展和市場的需求，換流器已由兩電平和三電平發展為多電平。國內外已將模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,簡稱MMC)作為一種新的多電平換流器成功的應用在工程中，它兼具了傳統多電平換流器開關頻率低、開關損耗小、高頻噪聲低、電壓變化率小的優點。由于國內MMC技術還處于初期階段，這勢必需要有配套的試驗裝置作為設計支撐，通過對MMC子模塊電壓電流應力、器件失效率、器件損耗和控制保護能力等進行實際測試、分析、計算。確保自主設計產品的可靠性和安全性。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置及其試驗方法，本發明既可以完成長期持續的電氣穩態試驗，也可以進行瞬間暫態的電氣性能測試。通過多變靈活的測試方式和測試回路真正達到對子模塊的考核，提高工程應用的安全性和可靠性。本發明的目的是采用下述技術方案實現的一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置，其改進之處在于，所述試驗裝置包括直流電源、與直流電源依次并聯的電阻-開關串聯支路1、試品子模塊SM1、試品子模塊SM2和電阻開關串聯支路II ;在直流電源和電阻-開關串聯支路I之間連接有一開關，有一電阻與該開關并聯；在試品子|吳塊SMl和試品子|吳塊SM2的直流端連接有另一開關；在試品子|吳塊SMl和試品子模塊SM2的正極端連接有負載電抗器，接地端連接有傳感器，并且有微控制器MCU通過光纖分別與試品子模塊SMl和試品子模塊SM2進行通信。其中，所述直流電源、電阻-開關串聯支路1、試品子模塊SM1、試品子模塊SM2、電阻開關串聯支路II和傳感器均接地；所述電阻-開關串聯支路I和電阻開關串聯支路II均由電阻以及與其串聯的開關組成；所述傳感器為霍爾電流傳感器。其中，所述試品子模塊SMl和試品子模塊SM2均包括直流電容器以及與其并聯的半橋結構；所述半橋結構由兩個IGBT單元串聯組成，在直流電容器和半橋結構之間并聯有均壓電阻；每個IGBT單元均包括反并聯的上管IGBT器件和二極管以及反并聯的下管IGBT器件和二極管；與試品子模塊SMl和試品子模塊SM2均并聯有子模塊控制器。本發明基于另一目的提供的一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置的試驗方法，其改進之處在于，所述方法通過調節試驗裝置的PWM脈沖，對試品子模塊SMl和試品子模塊SM2進行熱穩定試驗和單模塊IGBT器件測試試驗。其中，所述熱穩定試驗采用試驗裝置的H橋方式，通過調節PWM脈沖的占空比和試品子模塊間的相位差，控制IGBT器件的開通和關斷時間長度，來影響流經IGBT器件和直流電容器的熱電流和峰值電流，其中熱電流< 600A，峰值電流< 1800A ;通過對上述兩種電流的變化分析獲取IGBT器件驅動的過流保護值及IGBT器件損耗，包括下述步驟A、直流電源分別為試品子模塊SMl和試品子模塊SM2的直流電容器充電；B、直流電容器充電至700V時，給予使能信號使得微控制器MCU和試品子模塊SMl和試品子模塊SM2建立通信；C、閉合電阻-開關串聯支路I的開關，并打開試品子模塊SMl和SM2直流端的充電連接開關，使得試品子模塊SMl和SM2與負載電抗器之間形成諧振回路；D、微控制器MCU的FPGA芯片發出試品子模塊SMl和SM2的PWM脈沖解鎖命令，通過微控制器MCU查詢正弦表中每個周期內的PWM脈寬寬度t，并由公式(10000-t)/2和(10000+t)/2確定每個周期內PWM脈沖上升沿和下降沿時刻，觸發子試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的開通和關斷；E、試品子模塊SMl和SM2內部接收到微控制器MCU的PWM脈沖解鎖命令后，驅使IGBT驅動完成對試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的開通和關斷控制；F、升高直流電容器電壓使其達到額定電壓，諧振回路進入穩定狀態；G、通過試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的電流和電壓值，確定試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的損耗。其中，所述步驟D中，根據檢測的上升沿和下降沿繪制正弦表5000 X sin (2 X i/20+2 /20/2)+5000, i = 0，1，2... 19 ①；其中i表示脈沖個數，在一個周期內有20個PWM脈沖。其中，所述步驟G中，試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的包括通態損耗和開關損耗；通態損耗和開關損耗的計算由下式②和③得出Pcon = Vce X Ic ②；Psw = fswX (Eon+Eoff) ③；其中Pcon表示IGBT器件的通態損耗；Vce表示IGBT器件的瞬時通態壓降；Ic表示流經IGBT器件的瞬時通態電流；Psw表示IGBT器件的開關損耗；fsw表示IGBT器件的開關頻率Eon和EofT分別表示IGBT器件開通和關斷時刻的能量。其中，所述單模塊IGBT器件測試試驗對每個試品子模塊單獨進行試驗，單模塊IGBT器件測試試驗包括單模塊IGBT器件的過流過電壓試驗和短路電流試驗；在試驗前執行以下操作1、將負載電感并聯在試品子模塊的上管IGBT器件兩端，并保持上下管IGBT器件處于閉鎖狀態；I1、直流電源為單個試品子模塊的直流電容器充電；II1、斷開與直流電源連接的開關；IV、由與單個試品子模塊IGBT驅動連接的脈沖發生器產生單脈沖或者雙脈沖觸發單個試品子模塊下管IGBT器件導通；V、測量單個試品子模塊下管IGBT器件關斷過電壓、過電流和di/dt保護值。其中，所述IGBT器件的過流和過電壓試驗包括下述步驟(I)計算脈沖發生器輸出雙脈沖寬度并進行實際測試，所述雙脈沖寬度t由下式表不:
r nA.' * /, t 二 -④；
U其中1c表示需要達到的最大電流值；L表示負載電感值；U表示需要施加的最大電壓值；(2)觸發單個試品子模塊下管IGBT器件開通關斷并產生過電流和過電壓；(3)確定單個試品子模塊的回路雜散電感值Ls，用下式表示:Ls = Usx士⑤;
/di其中Us表示雜散電感感應電壓；di/dt表示下管IGBT器件開通時電流Ic的上升率。其中，所述IGBT器件的短路電流試驗包括下述步驟(一)采用低自感導線短接單個試品子模塊上管IGBT器件；(二)脈沖發生器產生單脈沖，單脈沖寬度由③式計算；(三)單脈沖觸發導通單個試品子模塊下管IGBT器件并使得該管發生瞬間短路，耐受瞬間kA級電流，使得單個 試品子模塊下管IGBT器件驅動瞬間啟動di/dt保護。與現有技術比，本發明達到的有益效果是1、本發明提供的柔性直流輸電子模塊試驗裝置，能夠通過調節PWM脈沖，實現在不同工況下對SM進行電壓、電流和熱應力的考核分析。2、熱穩定試驗采用H橋方式，通過調節PWM的占空比和子模塊間的相位差，控制IGBT的開通關斷時間長度，來影響流經IGBT和電容器的熱電流和峰值電流。通過對上述兩種電流的變化分析獲取IGBT驅動的實際過流保護值及IGBT器件損耗，試驗中回路消耗的能量由該裝置補償達到平衡。熱穩定試驗的優點主要表現為以下幾點I)通過調節負載電抗器L和控制器的參數，可以實現寬范圍的子模塊電流應力測試，檢查IGBT器件和電容器的耐受情況與熱點分布；2)直流高壓的施加，檢驗了電容器內部金屬鍍層卷芯和IGBT器件的端間耐壓，實現對子模塊內部器件的電壓應力測試；3)諧振拓撲結構回路可以實現較為真實的模塊間與模塊內部器件間的電磁干擾測試，檢查設計存在的電磁干擾嚴重點；4)熱穩定試驗中相位差的調整，可以實現在低有效電流下，對器件峰值電流耐受能力的考核。3、單模塊IGBT器件的測試試驗采用單模塊串聯方式，在高壓下完成IGBT的短路、過電流和過電壓等暫態試驗，實際工況下測試IGBT的di/dt保護值、過流保護值(實際監測VCE電壓)、最大關斷過電壓值和回路雜散電感，進而推測電容器的自感。單模塊試驗的優點主要有以下幾點I)通過試驗中產生的過電壓和反相恢復電流，可以檢驗IGBT驅動準確的過電壓保護值和準確的回路雜散電感；以及相互之間的影響；2)高低溫下過電流試驗，能夠較準確的測試出IGBT驅動的過電流保護范圍，使其限制在IGBT的安全工作區內；3)短路電流試驗，可以調整脈沖的寬度來精確測量IGBT驅動的di/dt四段保護值，限制過快的電流變化率對IGBT的不可逆損壞。4、本發明對檢驗IGBT器件配合性能方面提供了可靠的試驗方法，試驗裝置具有多用途性和靈活設置的優點。
圖1是本發明提供的柔性直流輸電子模塊試驗裝置原理圖；圖2是本發明提供的單模塊器件測試電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。柔性直流輸電子模塊試驗裝置原理圖如圖1所示，試驗裝置包括直流電源、與直流電源依次并聯的電阻-開關串聯支路1、試品子模塊SM1、試品子模塊SM2和電阻開關串聯支路II ;在直流電源和電阻-開關串聯支路I之間連接有一開關Kc，有一電阻Re與該開關Kc并聯；在試品子模塊SMl和試品子模塊SM2的直流端(F和G)連接有另一開關K3，并有負載電抗器并接與開關兩端；在試品子模塊SMl和試品子模塊SM2的接地端(H和I)連接有霍爾電流傳感器；試驗裝置與微控制器MCU采用光纖連接通信，試驗裝置所需接地端均可靠安全接地。試品子模塊SMl和試品子模塊SM2均包括直流電容器C以及與其并聯的半橋結構；所述半橋結構由兩個IGBT單元串聯組成，在直流電容器C和半橋結構之間并聯有均壓電阻R ;每個子模塊單元均包括上管IGBT器件Tl和續流二極管以及下管IGBT器件T2和續流二極管；試品子模塊SMl和試品子模塊SM2均由微控制器MCU與其內部的核心控制單元采用光纖連接。電阻-開關串聯支路I由電阻Rl以及與其串聯的開關Kl組成，電阻開關串聯支路II由電阻R2以及與其串聯的開關K2組成。在進行熱穩定試驗時包括下述步驟A、直流電源同時為試品子模塊SMl和SM2的直流電容器C充電；B、取能電源正常啟動后，給予試品子模塊SMl和SM2使能信號，使得微控制器MCU和試品子模塊SMl和SM2建立通信；C、閉合電阻-開關串聯支路I的開關K1，并打開試品子模塊SMl和SM2的充電連接開關Kc，使得子模塊SMl和SM2與負載電抗器之間形成諧振回路；D、微控單元MCU核心器件FPGA發出試品子模塊SMl和SM2的PWM脈沖解鎖命令，PWM脈沖是由IKHz的載波和50Hz的調制波組成，一個周期內共有20個脈沖。脈沖是通過微控制器MCU內的定時器產生I個IKHz的定時中斷查詢正弦表的方式實現，每個PWM脈沖的基數為10000，所以分辯率為O.1us0通過以下公式①可繪制出正弦表，正弦表中每個周期內的PWM脈沖寬度t，由公式(10000-t)/2和(10000+t)/2來計算出PWM脈沖的上升沿和下降沿時刻，完成試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的開通和關斷操作；5000 X sin (2 X i/20+2 /20/2)+5000, i = 0，1，2... 19 ①；其中i表示脈沖個數，在一個周期內有20個PWM脈沖。
E、試品子模塊SMl和SM2內部接收到微控制器MCU的PWM脈沖解鎖命令后，驅使 IGBT驅動完成對試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的開通和關斷控制；
F、分別升高試品子模塊SMl和SM2的直流電容器的電壓至額定電壓，確保諧振回路進入穩定狀態；
G、試驗過程中通過調整PWM脈沖的占空比和相位差來實現電流峰值和有效值的變化。在此運行過程中，可以根據實際數據進行核心器件IGBT損耗的計算，其中通態損耗和開關損耗的計算由下式②和③分別得出
Pcon = Vce X Ic ②；
Psw = fswX (Eon+Eoff) ③；
其中Pcon表示IGBT器件的通態損耗；Vce表示IGBT器件的瞬時通態壓降；Ic表示流經IGBT器件的瞬時通態電流；Psw表示IGBT器件的開關損耗；fsw表示IGBT器件的開關頻率；Eon和EofT分別表示IGBT開通和關斷時刻的能量。
單模塊IGBT器件測試試驗對每個試品子模塊單獨進行試驗，該試驗包括單模塊 IGBT器件的過流過電壓試驗和短路電流試驗；如圖2所示，在試驗前執行以下操作
1、將負載電感L并聯在單個試品子模塊的上管IGBT器件兩端，并保持上下管IGBT 器件處于閉鎖狀態；
I1、直流電源為單個試品子模塊的直流電容器C充電，逐步達到試驗要求的電壓值，；
II1、斷開與直流電源連接的開關Kc ；
IV、由與單個試品子模塊IGBT驅動連接的外部輔助可調脈沖發生器產生單脈沖 (或者雙脈沖)觸發下管IGBT器件導通；
V、精確測量IGBT關斷過電壓、過電流和di/dt保護值。
單模塊IGBT器件測試試驗包括單模塊IGBT器件的過流過電壓試驗和的短路電流試驗。
一、IGBT器件的過流過電壓試驗包括下述步驟
(I)計算脈沖發生器輸出 雙脈沖寬度并進行實際測試，所述雙脈沖寬度t由下式表不:1c >= I
t = ~@ ；U
其中1c表示需要達到的最大電流值；L表示負載電感值；U表示需要施加的最大電壓值；
(2)觸發單個試品子模塊下管IGBT器件T2開通關斷，產生過電流和過電壓。
(3)確定子模塊內部回路雜散電感值Ls (主要是直流電容器及其母排的雜散電感)，用下式表示
Ls = Us x^T-(S)；/dt
其中Us表示雜散電感感應電壓；di/dt表示下管IGBT器件開通時電流Ic的上升率。
二、IGBT器件的短路電流試驗包括下述步驟
(一)采用低自感導線短接單個試品子模上管IGBT器件Tl；
(二)脈沖發生器產生單脈沖，單脈沖寬度由③式計算；
(三)單脈沖觸發導通單個試品子模塊下管IGBT器件T2并使得該管發生瞬間短 路，耐受瞬間kA級電流，使得下管IGBT器件T2驅動瞬間啟動di/dt保護，保證IGBT器件 Tl和T2不受損壞。
本發明提供的柔性直流輸電子模塊試驗裝置，能夠通過調節PWM脈沖，實現在不 同工況下對SM進行電壓、電流和熱應力的考核分析。對檢驗IGBT器件配合性能方面提供 了可靠的試驗方法，試驗裝置具有多用途性和靈活設置的優點。
最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然 可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何 修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置，其特征在于，所述試驗裝置包括直流電源、與直流電源依次并聯的電阻-開關串聯支路1、試品子模塊SM1、試品子模塊SM2和電阻開關串聯支路II ;在直流電源和電阻-開關串聯支路I之間連接有一開關，有一電阻與該開關并聯；在試品子模塊SMl和試品子模塊SM2的直流端連接有另一開關；在試品子模塊SMl和試品子模塊SM2的正極端連接有負載電抗器，接地端連接有傳感器，并且有微控制器MCU通過光纖分別與試品子模塊SMl和試品子模塊SM2進行通信。
2.如權利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述直流電源、電阻-開關串聯支路1、試品子模塊SM1、試品子模塊SM2、電阻開關串聯支路II和傳感器均接地；所述電阻-開關串聯支路I和電阻開關串聯支路II均由電阻以及與其串聯的開關組成；所述傳感器為霍爾電流傳感器。
3.如權利要求2中所述的試驗裝置，其特征在于，所述試品子模塊SMl和試品子模塊SM2均包括直流電容器以及與其并聯的半橋結構；所述半橋結構由兩個IGBT單元串聯組成，在直流電容器和半橋結構之間并聯有均壓電阻；每個IGBT單元均包括反并聯的上管IGBT器件和二極管以及反并聯的下管IGBT器件和二極管；與試品子模塊SMl和試品子模塊SM2均并聯有子模塊控制器。
4.一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置的試驗方法，其特征在于，所述方法通過調節試驗裝置的PWM脈沖，對試品子模塊SMl和試品子模塊SM2進行熱穩定試驗和單模塊IGBT器件測試試驗。
5.如權利要求4所述的試驗方法，其特征在于，所述熱穩定試驗采用試驗裝置的H橋方式，通過調節PWM脈沖的占空比和試品子模塊間的相位差，控制IGBT器件的開通和關斷時間長度，來影響流經IGBT器件和直流電容器的熱電流和峰值電流；通過對上述兩種電流的變化分析獲取IGBT器件驅動的過流保護值及IGBT器件損耗，包括下述步驟 A、直流電源分別為試品子模塊SMl和試品子模塊SM2的直流電容器充電； B、直流電容器充電至700V時，給予使能信號使得微控制器MCU和試品子模塊SMl和試品子模塊SM2建立通信； C、閉合電阻-開關串聯支路I的開關，并打開試品子模塊SMl和SM2直流端的充電連接開關，使得試品子模塊SMl和SM2與負載電抗器之間形成諧振回路； D、微控制器MCU的FPGA芯片發出試品子模塊SMl和SM2的PWM脈沖解鎖命令，通過微控制器MCU查詢正弦表中每個周期內的PWM脈寬寬度t，并由公式(10000-t)/2和(10000+t)/2確定每個周期內PWM脈沖上升沿和下降沿時刻，觸發子試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的開通和關斷； E、試品子模塊SMl和SM2內部接收到微控制器MCU的PWM脈沖解鎖命令后，驅使IGBT驅動完成對試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的開通和關斷控制； F、升高直流電容器電壓使其達到額定電壓，諧振回路進入穩定狀態； G、通過試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的電流和電壓值，確定試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的損耗。
6.如權利要求5所述的試驗方法，其特征在于，所述步驟D中，根據檢測的上升沿和下降沿繪制正弦表5000 X sin (2 π X i/20+2 π /20/2) +5000，i = O, I, 2... 19 ①；其中i表示脈沖個數，在一個周期內有20個PWM脈沖。
7.如權利要求5所述的試驗方法，其特征在于，所述步驟G中，試品子模塊SMl和SM2中每個IGBT器件的包括通態損耗和開關損耗；通態損耗和開關損耗的計算由下式②和③得出 Pcon = Vce X Ic ; Psw = fswX (Eon+Eoff) ③； 其中Pcon表示IGBT器件的通態損耗；Vce表示IGBT器件的瞬時通態壓降；Ic表示流經IGBT器件的瞬時通態電流；Psw表示IGBT器件的開關損耗；fsw表示IGBT器件的開關頻率Eon和EofT分別表示IGBT器件開通和關斷時刻的能量。
8.如權利要求4所述的試驗方法，其特征在于，所述單模塊IGBT器件測試試驗對每個試品子模塊單獨進行試驗，單模塊IGBT器件測試試驗包括單模塊IGBT器件的過流過電壓試驗和短路電流試驗；在試驗前執行以下操作1、將負載電感并聯在試品子模塊的上管IGBT器件兩端，并保持上下管IGBT器件處于閉鎖狀態； I1、直流電源為單個試品子模塊的直流電容器充電； II1、斷開與直流電源連接的開關； IV、由與單個試品子模塊IGBT驅動連接的脈沖發生器產生單脈沖或者雙脈沖觸發單個試品子模塊下管IGBT器件導通； V、測量單個試品子模塊下管IGBT器件關斷過電壓、過電流和di/dt保護值。
9.如權利要求8所述的試驗方法，其特征在于，所述IGBT器件的過流過電壓試驗包括下述步驟 (1)計算脈沖發生器輸出雙脈沖寬度并進行實際測試，所述雙脈沖寬度t由下式表示
10.如權利要求8所述的試驗方法，其特征在于，所述IGBT器件的短路電流試驗包括下述步驟 (一)采用低自感導線短接單個試品子模塊上管IGBT器件； (二)脈沖發生器產生單脈沖，單脈沖寬度由③式計算； (三)單脈沖觸發導通單個試品子模塊下管IGBT器件并使得該管發生瞬間短路，耐受瞬間kA級電流，使得單個試品子模塊下管IGBT器件驅動瞬間啟動di/dt保護。
全文摘要
本發明涉及一種柔性直流輸電子模塊試驗裝置及其試驗方法，試驗裝置包括直流電源、與直流電源依次并聯的電阻-開關串聯支路I、試品子模塊SM1、試品子模塊SM2和電阻開關串聯支路II；在直流電源和電阻-開關串聯支路I之間連接有一開關，有一電阻與該開關并聯；在試品子模塊SM1和SM2的直流端連接有另一開關；在試品子模塊SM1和SM2的正極端連接有負載電抗器，接地端連接有傳感器，并且有微控制器MCU通過光纖分別與試品子模塊SM1和SM2進行通信。試驗方法通過調節試驗裝置的PWM脈沖，對試品子模塊SM1和試品子模塊SM2進行熱穩定試驗和單模塊IGBT器件測試試驗。本發明通過多變靈活的測試方式和測試回路真正達到對子模塊的考核，提高工程應用的安全性和可靠性。
文檔編號G01R31/00GK103063945SQ20121053398
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者馮靜波, 客金坤, 鄧衛華, 呂錚, 劉棟 申請人:國網智能電網研究院, 中電普瑞電力工程有限公司, 遼寧省電力有限公司大連供電公司, 國家電網公司