換流閥子模塊IGBT短路測試系統分析與設計

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(FACTS)設備，在潮流控制上具有較大的優勢。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，也可以提高系統電壓穩定性，改善系統阻尼，提高功角穩定性[1-2]。目前，國內外首套基于模塊化多電平換流器 (modular multilevel converter，MMC)技術的UPFC工程已經在南京西環網220 kV UPFC實現示范應用，為南京電網供電能力提升發揮了重要作用。為了提高蘇州南部500 kV電網供電能力、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的核心設備，運行工況非常復雜，其可靠性也成為影響整個系統安全的關鍵因素之一。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]。

本文根據模塊化多電平換流器的運行機理，對換流閥的運行特性、穩態應力和暫態應力進行分析[11-14]，提出一種換流閥子模塊IGBT短路試驗回路與系統，進行子模塊在穩態運行下IGBT短路故障試驗，從而實現對IGBT穩態應力和短路故障下暫態應力的綜合考核，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主回路拓撲結構如圖1所示。串、并聯側3個換流器采用背靠背連接方式。并聯側換流器1套，通過啟動電阻接至并聯變壓器，再接入木瀆500 kV母線；串聯側換流器2套，通過2個串聯變壓器接入木瀆—梅里500 kV雙回線路。

圖1 蘇南500 kV UPFC主回路拓撲示意Fig.1 Sunan 500 kV UPFC main circuit topology diagram

1.2 MMC基本結構

圖2(a)為蘇南500 kV的UPFC換流器的主電路拓撲結構示意圖，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組成。子模塊的拓撲結構如圖2(b)所示，由2個IGBT器件上管T1和下管T2、2個反向并聯二極管D1和D2、子模塊電容C、保護晶閘管SCR、旁路開關K以及均壓電阻R組成[15-18]。

圖2 MMC基本結構Fig.2 Basic structure of MMC

2 子模塊短路及耐受性能指標

2.1 子模塊IGBT短路故障

換流閥子模塊在正常工作時，按照控制系統生成的觸發脈沖，子模塊中的T1和T2交替導通。但是，如果 T1和T2觸發脈沖出現誤觸發、死區設置出現問題或者其他金屬線短路發生，此時直流側電容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生金屬線短路，隨著IGBT器件的開通與關斷，直流側電容將通過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、電容器內阻和導線電阻構成。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，一般會在數個微秒內達到峰值，然后開始逐漸衰減。因此在短路發生時刻，此故障只能由IGBT的門極驅動保護電路關斷。

2.2 IGBT短路耐受性能指標

IGBT的抗短路能力，是IGBT可以承受復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時間及驅動動作時間考慮，IGBT應能承受10 μs短路沖擊而不損壞。

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

(3) 結溫。短路發生后，該短路電流產生的損耗積累為熱量使IGBT內部硅片溫度急劇上升。IGBT技術手冊中給出的暫態熱阻抗表示為：

(1)

IGBT的結溫模型如圖4所示。

圖4 IGBT結溫模型Fig.4 Thermal model of IGBT junction temperature

圖中，PIGBT為IGBT的損耗；Zth(j-c)為IGBT暫態熱阻抗(內部芯片到基板)；Tc為IGBT穩態運行下的外殼溫度。

IGBT的結溫計算方法如下：

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

(2)

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

3 IGBT短路試驗回路及控制系統

3.1 IGBT短路測試現狀

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、電流以及溫度應力。

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

3.2 IGBT短路試驗系統

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

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

3.3 IGBT短路試驗控制系統

MMC子模塊短路試驗控制包括穩態控制與暫態控制兩個方面。

3.3.1 穩態控制

穩態運行時采用定電流控制。通過該策略，使得負載電抗器L的運行電流IL控制到目標值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 暫態控制

當IL達到目標值Iset后，抗短路試驗系統穩態運行，即在t1到t2時刻，被測子模塊按照控制系統生成的觸發脈沖，T1和T2交替導通；在t2時刻，通過控制系統在T1導通區間強制觸發T2導通，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

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

穩態控制下被測子模塊T2管的Vce電壓和負載電流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、電流和溫度應力。

圖9 穩態控制試驗波形Fig.9 Test waveform of steady state control

待MMC閥在穩態運行2 h，進行暫態控制，試驗波形如圖10所示。可以看出，短路故障下通過T2的電流瞬間上升至11.7 kA，然后在10 μs左右關斷。

圖10 暫態控制試驗波形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內關斷，滿足IGBT應承受10 μs短路沖擊而不損壞的要求。

4.2.2 短路安全工作區SCSOA

根據圖10所示的T2管承受的電壓以及電流應力，其繪制的SCSOA曲線如圖11所示。

查找IGBT技術手冊，其短路條件下關斷電壓尖峰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 結溫仿真

采用局部網絡熱路模型,依據本文式(2)的結溫方法，搭建IGBT結溫仿真模型，結合IGBT短路測試系統的試驗數據，驗證IGBT承受短路電流時的結溫是否安全，仿真模型如圖12所示。

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

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

表1 暫態熱阻曲線Tab.1 Thermal impedance curve

根據試驗采集的IGBT的Vce電壓和短路電流Ic數據，結合局部網絡熱路模型，搭建了結溫仿真模型。仿真結果表明：短路故障發生后，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IGBT基板初始溫度為80 ℃，短路故障下，IGBT結溫急劇上升，10 μs左右上升至峰值176 ℃，如圖13(b)所示。

圖13 IGBT結溫仿真結果Fig.13 Simulation result of IGBT junction temperature

雖然此時IGBT的結溫已經超過其正常運行下最高允許結溫159 ℃，但是遠低于半導體的本征溫度極限為250 ℃，安全且有裕量。

5 結語

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應力，特別適用于子模塊在樣機研制階段的型式試驗驗證。結果表明，所提出的IGBT短路試驗系統和性能指標評估方法準確有效，為UPFC工程換流閥的研制提供了保障依據。