柔性直流輸電技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，其規(guī)模、容量和電壓等級(jí)也在逐步提高，完全一致的功率模塊級(jí)聯(lián)方案，在研發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試及后期維護(hù)上都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的柔性直流輸電工程有南澳多端柔性直流輸電示范工程、舟山多端柔性直流輸電工程、廈門柔性直流輸電工程、云南魯西背靠背直流輸電工程、渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程以及建設(shè)中的烏東德混合多端直流輸電工程等。結(jié)合這些工程，一些高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)柔直換流閥的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、故障特性、保護(hù)策略等方面做了大量的研究工作，也積累了比較全面的技術(shù)方案。

僅此為止，針對(duì)換流閥功率模塊測(cè)試裝置的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，由于柔直工程換流閥功率模塊基數(shù)十分龐大，所以在投運(yùn)后難免會(huì)出現(xiàn)功率模塊故障的情況，故障模塊數(shù)量較少時(shí)可以進(jìn)行旁路處理，一旦數(shù)目過多，就會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘。再者，傳統(tǒng)的功率模塊測(cè)試裝置功能有限，測(cè)試效率低，測(cè)試準(zhǔn)確性不高。

本文針對(duì)傳統(tǒng)功率模塊測(cè)試裝置的不足，提出一種改進(jìn)型的功率模塊測(cè)試裝置方案。該測(cè)試裝置不僅包含傳統(tǒng)測(cè)試裝置所有的功能，而且新增了一些實(shí)用功能，包括測(cè)試裝置自檢、快速放電等。該測(cè)試裝置硬件主要包括可調(diào)直流電源、模擬采樣回路、數(shù)碼顯示電路、LED指示燈、測(cè)試裝置輸出電壓/電流顯示屏、功率模塊輸出電壓顯示屏和測(cè)試裝置快速放電電阻等。

1 換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功率模塊運(yùn)行方式

1.1 換流閥拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1（a）所示為柔直換流閥主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。a、b、c分別為換流閥三相交流輸入端，P、N分別為換流閥直流輸出正、負(fù)極母線，每相由上、下兩橋臂組成一個(gè)相單元，每個(gè)橋臂分別級(jí)聯(lián)N個(gè)子功率模塊，上、下橋臂間分別級(jí)聯(lián)一個(gè)電抗Ls。圖1（b）所示為功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？蓪⒐β誓K看成一個(gè)逆變半橋的結(jié)構(gòu)，上半橋由IGBT1及反并聯(lián)二極管VD1組成，下半橋由IGBT2及反并聯(lián)二極管VD2組成，C為子模塊儲(chǔ)能電容器。

圖1 換流閥主電路及功率模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

閥控系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)各功率模塊電容電壓和投入模塊數(shù)來控制直流電壓。實(shí)際運(yùn)行過程中，在橋臂電流的作用下，各功率模塊電容器會(huì)有充放電的過程。為確保各功率模塊電容電壓平衡，可以采用相關(guān)文獻(xiàn)提到的排序算法實(shí)現(xiàn)。

與常規(guī)換流閥不同，柔直換流閥每個(gè)橋臂上均級(jí)聯(lián)一個(gè)電抗器。電抗器有兩方面作用：①有效抑制由于橋臂電壓和不平衡而引起的相間環(huán)流；②在直流極故障時(shí)，可以降低電流上升速率，抑制短路沖擊電流，確保IGBT可靠閉鎖。

1.2 功率模塊運(yùn)行方式

功率模塊運(yùn)行方式如圖2所示。功率模塊共有閉鎖、投入、切除3種工作狀態(tài)。

圖2 功率模塊運(yùn)行方式

取通過二極管VD1向電容器充電方向?yàn)檎孩佼?dāng)IGBT1、IGBT2都關(guān)斷時(shí)，功率模塊為閉鎖狀態(tài)，當(dāng)電流ism＞0時(shí)，電容充電，當(dāng)電流ism＜0時(shí)，電容電壓維持不變；②當(dāng)IGBT1開通、IGBT2關(guān)斷時(shí)，功率模塊為投入狀態(tài)，當(dāng)電流ism＞0時(shí)，電容充電，當(dāng)電流ism＜0時(shí)，電容放電；③當(dāng)IGBT1關(guān)斷、IGBT2開通時(shí)，功率模塊為切除狀態(tài)，電容電壓維持不變。

2 功率模塊測(cè)試裝置

2.1 功率模塊傳統(tǒng)測(cè)試裝置

圖3所示為功率模塊傳統(tǒng)測(cè)試裝置實(shí)物圖。該測(cè)試裝置主要包括功率模塊、測(cè)試機(jī)箱、供電電源、開關(guān)電源、限流電阻、變壓器及整流橋和示波器。

圖3 功率模塊傳統(tǒng)測(cè)試裝置實(shí)物圖

1）傳統(tǒng)測(cè)試裝置的主要功能

（1）充電。供電電源采用220V市電輸入，充電回路主要包括充電限流電阻、變壓器、整流橋三部分。

（2）功率模塊異常檢測(cè)。主要完成功率模塊配置檢查、通信檢查、取能電源故障檢測(cè)、模塊采樣檢測(cè)、模塊故障檢測(cè)等。

（3）發(fā)波試驗(yàn)。操作人員進(jìn)行發(fā)波試驗(yàn)時(shí)，控制系統(tǒng)按照一定的占空比下發(fā)上、下IGBT的脈沖信號(hào)，操作人員在測(cè)試過程中通過示波器確認(rèn)功率模塊運(yùn)行是否正常。

2）充電原理及方法

采用220V市電輸入，經(jīng)變壓器及二極管整流橋整流輸出直流電壓。整流橋直流側(cè)與功率模塊正、負(fù)極通過限流電阻相連，輸出電壓不可調(diào)。

對(duì)功率模塊傳統(tǒng)測(cè)試裝置的主要操作步驟如下：①接線，連接相關(guān)光纖、網(wǎng)線和高壓線纜；②充電，利用充電設(shè)備對(duì)功率模塊進(jìn)行充電；③測(cè)試，完成通信檢查、發(fā)波運(yùn)行等試驗(yàn)項(xiàng)；④記錄，讀取示波器數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)分析。

從技術(shù)方案上看，功率模塊傳統(tǒng)測(cè)試裝置有幾點(diǎn)不足：①采用的是不可調(diào)直流電源；②對(duì)功率模塊進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要操作人員手動(dòng)讀取示波器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；③功率模塊采用自然放電方式，放電速度慢。

2.2 改進(jìn)型功率模塊測(cè)試裝置

圖4所示為本文提出的改進(jìn)型功率模塊測(cè)試裝置實(shí)物圖。

圖4 改進(jìn)型功率模塊測(cè)試裝置實(shí)物圖

圖5所示為改進(jìn)型測(cè)試裝置前面板實(shí)物圖。該裝置主要由各功能板卡、LED指示燈、功能按鈕、液晶顯示屏、高壓輸出端口等組成。

圖6所示為改進(jìn)型測(cè)試裝置功能按鈕實(shí)物圖，功能按鈕主要包括復(fù)位、充電、運(yùn)行、放電、旁路等功能。

圖7所示為改進(jìn)型測(cè)試裝置與功率模塊連接實(shí)物圖。

1）改進(jìn)型功率模塊測(cè)試裝置主要功能

（1）裝置自檢。判別測(cè)試裝置自身運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

圖5 改進(jìn)型測(cè)試裝置前面板實(shí)物圖

圖6 測(cè)試裝置功能按鈕實(shí)物圖

圖7 改進(jìn)型測(cè)試裝置與功率模塊連接實(shí)物圖

（2）充電及功率模塊檢查。包括取能電源故障判斷、通信故障判斷、充電故障判斷、IGBT解閉鎖狀態(tài)判斷、模塊電壓采樣精度判斷、功率模塊檢查等。

（3）運(yùn)行測(cè)試。對(duì)IGBT進(jìn)行解閉鎖測(cè)試。

（4）放電測(cè)試。放電過程中計(jì)算RC時(shí)間常數(shù)，用于判別電容容值和電阻阻值是否正常。

（5）旁路測(cè)試。判別功率模塊旁路開關(guān)是否正常。

2）與傳統(tǒng)的測(cè)試裝置相比，改進(jìn)型測(cè)試裝置的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）直流電源輸出電壓可調(diào)

輸出電壓可調(diào)的意義：功率模塊在運(yùn)行過程中，有多種電壓相關(guān)的保護(hù)功能，包括單元欠壓故障、單元過壓故障等，為測(cè)試相關(guān)保護(hù)邏輯是否正常，功率模塊需要工作在不同電壓值下。

輸出電壓可調(diào)的必要性：工程現(xiàn)場(chǎng)，在功率模塊檢修時(shí)，需要快速定位故障模塊及故障器件，期間，部分試驗(yàn)需要在低壓下完成（如旁路試驗(yàn)），因此要求輸出電壓可調(diào)。

（2）不需要外接示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，內(nèi)置采樣回路。

（3）不需要外接示波器觀察波形，內(nèi)置數(shù)碼顯示屏。

（4）自動(dòng)化程度高，不需要人工記錄和分析數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處理，并通過LED、顯示屏和上位機(jī)界面顯示測(cè)試結(jié)果，測(cè)試準(zhǔn)確率高。

（5）內(nèi)置放電電阻，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率模塊快速放電。

2.3 改進(jìn)型測(cè)試裝置應(yīng)用實(shí)例

圖8所示為改進(jìn)型測(cè)試裝置開機(jī)初始狀態(tài)圖。初始狀態(tài)下，前面板所有LED紅燈被點(diǎn)亮，等待裝置自檢。

圖8 測(cè)試裝置開機(jī)初始狀態(tài)圖

圖9所示為改進(jìn)型測(cè)試裝置自檢完成后狀態(tài)圖。自檢完成后，前面板所有LED綠燈被點(diǎn)亮。

圖9 測(cè)試裝置自檢完成后狀態(tài)圖

以改進(jìn)型測(cè)試裝置運(yùn)行測(cè)試項(xiàng)為例，當(dāng)對(duì)功率模塊進(jìn)行IGBT解閉鎖測(cè)試時(shí)，從功率模塊交流輸出端口采集的電壓波形如圖10所示。

圖10中，IGBT解閉鎖測(cè)試時(shí)，基波頻率為50Hz，載波頻率為200Hz，功率模塊電容電壓為2.5kV。測(cè)試完成后，測(cè)試裝置前面板“運(yùn)行狀態(tài)-正?！钡木G燈被點(diǎn)亮，因下一步操作為“放電”，所以除了“放電-正?！本G燈未被點(diǎn)亮外，其他綠燈在系統(tǒng)沒有故障時(shí)均會(huì)被點(diǎn)亮，如圖11所示。

圖10 測(cè)試裝置運(yùn)行測(cè)試項(xiàng)試驗(yàn)波形

圖11 測(cè)試裝置運(yùn)行測(cè)試項(xiàng)

3 結(jié)論

本文首先介紹了功率模塊傳統(tǒng)測(cè)試裝置的功能和操作流程，在此基礎(chǔ)上分析了傳統(tǒng)測(cè)試裝置存在的不足；接著針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試裝置的不足，提出了改進(jìn)型測(cè)試裝置方案，并詳細(xì)給出了改進(jìn)型測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面板布局和功能描述；最后將傳統(tǒng)測(cè)試裝置和改進(jìn)型測(cè)試裝置進(jìn)行了對(duì)比，指出改進(jìn)型測(cè)試裝置具有功能多、自動(dòng)化程度高和測(cè)試準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。