专利名称：一种柔性直流输电子模块试验装置及其试验方法
技术领域：
本发明涉及电力系统柔性输配电、电力电子和高压输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电子模块试验装置及其试验方法。
背景技术：
在常规直流输电技术已日渐成熟的现状下，随着柔性直流新兴技术的发展和市场的需求，换流器已由两电平和三电平发展为多电平。国内外已将模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)作为一种新的多电平换流器成功的应用在工程中，它兼具了传统多电平换流器开关频率低、开关损耗小、高频噪声低、电压变化率小的优点。由于国内MMC技术还处于初期阶段，这势必需要有配套的试验装置作为设计支撑，通过对MMC子模块电压电流应力、器件失效率、器件损耗和控制保护能力等进行实际测试、分析、计算。确保自主设计产品的可靠性和安全性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性直流输电子模块试验装置及其试验方法，本发明既可以完成长期持续的电气稳态试验，也可以进行瞬间暂态的电气性能测试。通过多变灵活的测试方式和测试回路真正达到对子模块的考核，提高工程应用的安全性和可靠性。本发明的目的是采用下述技术方案实现的一种柔性直流输电子模块试验装置，其改进之处在于，所述试验装置包括直流电源、与直流电源依次并联的电阻-开关串联支路1、试品子模块SM1、试品子模块SM2和电阻开关串联支路II ;在直流电源和电阻-开关串联支路I之间连接有一开关，有一电阻与该开关并联；在试品子|吴块SMl和试品子|吴块SM2的直流端连接有另一开关；在试品子|吴块SMl和试品子模块SM2的正极端连接有负载电抗器，接地端连接有传感器，并且有微控制器MCU通过光纤分别与试品子模块SMl和试品子模块SM2进行通信。其中，所述直流电源、电阻-开关串联支路1、试品子模块SM1、试品子模块SM2、电阻开关串联支路II和传感器均接地；所述电阻-开关串联支路I和电阻开关串联支路II均由电阻以及与其串联的开关组成；所述传感器为霍尔电流传感器。其中，所述试品子模块SMl和试品子模块SM2均包括直流电容器以及与其并联的半桥结构；所述半桥结构由两个IGBT单元串联组成，在直流电容器和半桥结构之间并联有均压电阻；每个IGBT单元均包括反并联的上管IGBT器件和二极管以及反并联的下管IGBT器件和二极管；与试品子模块SMl和试品子模块SM2均并联有子模块控制器。本发明基于另一目的提供的一种柔性直流输电子模块试验装置的试验方法，其改进之处在于，所述方法通过调节试验装置的PWM脉冲，对试品子模块SMl和试品子模块SM2进行热稳定试验和单模块IGBT器件测试试验。其中，所述热稳定试验采用试验装置的H桥方式，通过调节PWM脉冲的占空比和试品子模块间的相位差，控制IGBT器件的开通和关断时间长度，来影响流经IGBT器件和直流电容器的热电流和峰值电流，其中热电流< 600A，峰值电流< 1800A ;通过对上述两种电流的变化分析获取IGBT器件驱动的过流保护值及IGBT器件损耗，包括下述步骤A、直流电源分别为试品子模块SMl和试品子模块SM2的直流电容器充电；B、直流电容器充电至700V时，给予使能信号使得微控制器MCU和试品子模块SMl和试品子模块SM2建立通信；C、闭合电阻-开关串联支路I的开关，并打开试品子模块SMl和SM2直流端的充电连接开关，使得试品子模块SMl和SM2与负载电抗器之间形成谐振回路；D、微控制器MCU的FPGA芯片发出试品子模块SMl和SM2的PWM脉冲解锁命令，通过微控制器MCU查询正弦表中每个周期内的PWM脉宽宽度t，并由公式(10000-t)/2和(10000+t)/2确定每个周期内PWM脉冲上升沿和下降沿时刻，触发子试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的开通和关断；E、试品子模块SMl和SM2内部接收到微控制器MCU的PWM脉冲解锁命令后，驱使IGBT驱动完成对试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的开通和关断控制；F、升高直流电容器电压使其达到额定电压，谐振回路进入稳定状态；G、通过试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的电流和电压值，确定试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的损耗。其中，所述步骤D中，根据检测的上升沿和下降沿绘制正弦表5000 X sin (2 X i/20+2 /20/2)+5000, i = 0，1，2... 19 ①；其中i表示脉冲个数，在一个周期内有20个PWM脉冲。其中，所述步骤G中，试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的包括通态损耗和开关损耗；通态损耗和开关损耗的计算由下式②和③得出Pcon = Vce X Ic ②；Psw = fswX (Eon+Eoff) ③；其中Pcon表示IGBT器件的通态损耗；Vce表示IGBT器件的瞬时通态压降；Ic表示流经IGBT器件的瞬时通态电流；Psw表示IGBT器件的开关损耗；fsw表示IGBT器件的开关频率Eon和EofT分别表示IGBT器件开通和关断时刻的能量。其中，所述单模块IGBT器件测试试验对每个试品子模块单独进行试验，单模块IGBT器件测试试验包括单模块IGBT器件的过流过电压试验和短路电流试验；在试验前执行以下操作1、将负载电感并联在试品子模块的上管IGBT器件两端，并保持上下管IGBT器件处于闭锁状态；I1、直流电源为单个试品子模块的直流电容器充电；II1、断开与直流电源连接的开关；IV、由与单个试品子模块IGBT驱动连接的脉冲发生器产生单脉冲或者双脉冲触发单个试品子模块下管IGBT器件导通；V、测量单个试品子模块下管IGBT器件关断过电压、过电流和di/dt保护值。其中，所述IGBT器件的过流和过电压试验包括下述步骤(I)计算脉冲发生器输出双脉冲宽度并进行实际测试，所述双脉冲宽度t由下式表不:
r nA.' * /, t 二 -④；
U其中1c表示需要达到的最大电流值；L表示负载电感值；U表示需要施加的最大电压值；(2)触发单个试品子模块下管IGBT器件开通关断并产生过电流和过电压；(3)确定单个试品子模块的回路杂散电感值Ls，用下式表示:Ls = Usx士⑤;
/di其中Us表示杂散电感感应电压；di/dt表示下管IGBT器件开通时电流Ic的上升率。其中，所述IGBT器件的短路电流试验包括下述步骤(一)采用低自感导线短接单个试品子模块上管IGBT器件；(二)脉冲发生器产生单脉冲，单脉冲宽度由③式计算；(三)单脉冲触发导通单个试品子模块下管IGBT器件并使得该管发生瞬间短路，耐受瞬间kA级电流，使得单个 试品子模块下管IGBT器件驱动瞬间启动di/dt保护。与现有技术比，本发明达到的有益效果是1、本发明提供的柔性直流输电子模块试验装置，能够通过调节PWM脉冲，实现在不同工况下对SM进行电压、电流和热应力的考核分析。2、热稳定试验采用H桥方式，通过调节PWM的占空比和子模块间的相位差，控制IGBT的开通关断时间长度，来影响流经IGBT和电容器的热电流和峰值电流。通过对上述两种电流的变化分析获取IGBT驱动的实际过流保护值及IGBT器件损耗，试验中回路消耗的能量由该装置补偿达到平衡。热稳定试验的优点主要表现为以下几点I)通过调节负载电抗器L和控制器的参数，可以实现宽范围的子模块电流应力测试，检查IGBT器件和电容器的耐受情况与热点分布；2)直流高压的施加，检验了电容器内部金属镀层卷芯和IGBT器件的端间耐压，实现对子模块内部器件的电压应力测试；3)谐振拓扑结构回路可以实现较为真实的模块间与模块内部器件间的电磁干扰测试，检查设计存在的电磁干扰严重点；4)热稳定试验中相位差的调整，可以实现在低有效电流下，对器件峰值电流耐受能力的考核。3、单模块IGBT器件的测试试验采用单模块串联方式，在高压下完成IGBT的短路、过电流和过电压等暂态试验，实际工况下测试IGBT的di/dt保护值、过流保护值(实际监测VCE电压)、最大关断过电压值和回路杂散电感，进而推测电容器的自感。单模块试验的优点主要有以下几点I)通过试验中产生的过电压和反相恢复电流，可以检验IGBT驱动准确的过电压保护值和准确的回路杂散电感；以及相互之间的影响；2)高低温下过电流试验，能够较准确的测试出IGBT驱动的过电流保护范围，使其限制在IGBT的安全工作区内；3)短路电流试验，可以调整脉冲的宽度来精确测量IGBT驱动的di/dt四段保护值，限制过快的电流变化率对IGBT的不可逆损坏。4、本发明对检验IGBT器件配合性能方面提供了可靠的试验方法，试验装置具有多用途性和灵活设置的优点。
图1是本发明提供的柔性直流输电子模块试验装置原理图；图2是本发明提供的单模块器件测试电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。柔性直流输电子模块试验装置原理图如图1所示，试验装置包括直流电源、与直流电源依次并联的电阻-开关串联支路1、试品子模块SM1、试品子模块SM2和电阻开关串联支路II ;在直流电源和电阻-开关串联支路I之间连接有一开关Kc，有一电阻Re与该开关Kc并联；在试品子模块SMl和试品子模块SM2的直流端(F和G)连接有另一开关K3，并有负载电抗器并接与开关两端；在试品子模块SMl和试品子模块SM2的接地端(H和I)连接有霍尔电流传感器；试验装置与微控制器MCU采用光纤连接通信，试验装置所需接地端均可靠安全接地。试品子模块SMl和试品子模块SM2均包括直流电容器C以及与其并联的半桥结构；所述半桥结构由两个IGBT单元串联组成，在直流电容器C和半桥结构之间并联有均压电阻R ;每个子模块单元均包括上管IGBT器件Tl和续流二极管以及下管IGBT器件T2和续流二极管；试品子模块SMl和试品子模块SM2均由微控制器MCU与其内部的核心控制单元采用光纤连接。电阻-开关串联支路I由电阻Rl以及与其串联的开关Kl组成，电阻开关串联支路II由电阻R2以及与其串联的开关K2组成。在进行热稳定试验时包括下述步骤A、直流电源同时为试品子模块SMl和SM2的直流电容器C充电；B、取能电源正常启动后，给予试品子模块SMl和SM2使能信号，使得微控制器MCU和试品子模块SMl和SM2建立通信；C、闭合电阻-开关串联支路I的开关K1，并打开试品子模块SMl和SM2的充电连接开关Kc，使得子模块SMl和SM2与负载电抗器之间形成谐振回路；D、微控单元MCU核心器件FPGA发出试品子模块SMl和SM2的PWM脉冲解锁命令，PWM脉冲是由IKHz的载波和50Hz的调制波组成，一个周期内共有20个脉冲。脉冲是通过微控制器MCU内的定时器产生I个IKHz的定时中断查询正弦表的方式实现，每个PWM脉冲的基数为10000，所以分辩率为O.1us0通过以下公式①可绘制出正弦表，正弦表中每个周期内的PWM脉冲宽度t，由公式(10000-t)/2和(10000+t)/2来计算出PWM脉冲的上升沿和下降沿时刻，完成试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的开通和关断操作；5000 X sin (2 X i/20+2 /20/2)+5000, i = 0，1，2... 19 ①；其中i表示脉冲个数，在一个周期内有20个PWM脉冲。
E、试品子模块SMl和SM2内部接收到微控制器MCU的PWM脉冲解锁命令后，驱使 IGBT驱动完成对试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的开通和关断控制；
F、分别升高试品子模块SMl和SM2的直流电容器的电压至额定电压，确保谐振回路进入稳定状态；
G、试验过程中通过调整PWM脉冲的占空比和相位差来实现电流峰值和有效值的变化。在此运行过程中，可以根据实际数据进行核心器件IGBT损耗的计算，其中通态损耗和开关损耗的计算由下式②和③分别得出
Pcon = Vce X Ic ②；
Psw = fswX (Eon+Eoff) ③；
其中Pcon表示IGBT器件的通态损耗；Vce表示IGBT器件的瞬时通态压降；Ic表示流经IGBT器件的瞬时通态电流；Psw表示IGBT器件的开关损耗；fsw表示IGBT器件的开关频率；Eon和EofT分别表示IGBT开通和关断时刻的能量。
单模块IGBT器件测试试验对每个试品子模块单独进行试验，该试验包括单模块 IGBT器件的过流过电压试验和短路电流试验；如图2所示，在试验前执行以下操作
1、将负载电感L并联在单个试品子模块的上管IGBT器件两端，并保持上下管IGBT 器件处于闭锁状态；
I1、直流电源为单个试品子模块的直流电容器C充电，逐步达到试验要求的电压值，；
II1、断开与直流电源连接的开关Kc ；
IV、由与单个试品子模块IGBT驱动连接的外部辅助可调脉冲发生器产生单脉冲 (或者双脉冲)触发下管IGBT器件导通；
V、精确测量IGBT关断过电压、过电流和di/dt保护值。
单模块IGBT器件测试试验包括单模块IGBT器件的过流过电压试验和的短路电流试验。
一、IGBT器件的过流过电压试验包括下述步骤
(I)计算脉冲发生器输出 双脉冲宽度并进行实际测试，所述双脉冲宽度t由下式表不:1c >= I
t = ~@ ；U
其中1c表示需要达到的最大电流值；L表示负载电感值；U表示需要施加的最大电压值；
(2)触发单个试品子模块下管IGBT器件T2开通关断，产生过电流和过电压。
(3)确定子模块内部回路杂散电感值Ls (主要是直流电容器及其母排的杂散电感)，用下式表示
Ls = Us x^T-(S)；/dt
其中Us表示杂散电感感应电压；di/dt表示下管IGBT器件开通时电流Ic的上升率。
二、IGBT器件的短路电流试验包括下述步骤
(一)采用低自感导线短接单个试品子模上管IGBT器件Tl；
(二)脉冲发生器产生单脉冲，单脉冲宽度由③式计算；
(三)单脉冲触发导通单个试品子模块下管IGBT器件T2并使得该管发生瞬间短 路，耐受瞬间kA级电流，使得下管IGBT器件T2驱动瞬间启动di/dt保护，保证IGBT器件 Tl和T2不受损坏。
本发明提供的柔性直流输电子模块试验装置，能够通过调节PWM脉冲，实现在不 同工况下对SM进行电压、电流和热应力的考核分析。对检验IGBT器件配合性能方面提供 了可靠的试验方法，试验装置具有多用途性和灵活设置的优点。
最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然 可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何 修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种柔性直流输电子模块试验装置，其特征在于，所述试验装置包括直流电源、与直流电源依次并联的电阻-开关串联支路1、试品子模块SM1、试品子模块SM2和电阻开关串联支路II ;在直流电源和电阻-开关串联支路I之间连接有一开关，有一电阻与该开关并联；在试品子模块SMl和试品子模块SM2的直流端连接有另一开关；在试品子模块SMl和试品子模块SM2的正极端连接有负载电抗器，接地端连接有传感器，并且有微控制器MCU通过光纤分别与试品子模块SMl和试品子模块SM2进行通信。
2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述直流电源、电阻-开关串联支路1、试品子模块SM1、试品子模块SM2、电阻开关串联支路II和传感器均接地；所述电阻-开关串联支路I和电阻开关串联支路II均由电阻以及与其串联的开关组成；所述传感器为霍尔电流传感器。
3.如权利要求2中所述的试验装置，其特征在于，所述试品子模块SMl和试品子模块SM2均包括直流电容器以及与其并联的半桥结构；所述半桥结构由两个IGBT单元串联组成，在直流电容器和半桥结构之间并联有均压电阻；每个IGBT单元均包括反并联的上管IGBT器件和二极管以及反并联的下管IGBT器件和二极管；与试品子模块SMl和试品子模块SM2均并联有子模块控制器。
4.一种柔性直流输电子模块试验装置的试验方法，其特征在于，所述方法通过调节试验装置的PWM脉冲，对试品子模块SMl和试品子模块SM2进行热稳定试验和单模块IGBT器件测试试验。
5.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述热稳定试验采用试验装置的H桥方式，通过调节PWM脉冲的占空比和试品子模块间的相位差，控制IGBT器件的开通和关断时间长度，来影响流经IGBT器件和直流电容器的热电流和峰值电流；通过对上述两种电流的变化分析获取IGBT器件驱动的过流保护值及IGBT器件损耗，包括下述步骤 A、直流电源分别为试品子模块SMl和试品子模块SM2的直流电容器充电； B、直流电容器充电至700V时，给予使能信号使得微控制器MCU和试品子模块SMl和试品子模块SM2建立通信； C、闭合电阻-开关串联支路I的开关，并打开试品子模块SMl和SM2直流端的充电连接开关，使得试品子模块SMl和SM2与负载电抗器之间形成谐振回路； D、微控制器MCU的FPGA芯片发出试品子模块SMl和SM2的PWM脉冲解锁命令，通过微控制器MCU查询正弦表中每个周期内的PWM脉宽宽度t，并由公式(10000-t)/2和(10000+t)/2确定每个周期内PWM脉冲上升沿和下降沿时刻，触发子试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的开通和关断； E、试品子模块SMl和SM2内部接收到微控制器MCU的PWM脉冲解锁命令后，驱使IGBT驱动完成对试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的开通和关断控制； F、升高直流电容器电压使其达到额定电压，谐振回路进入稳定状态； G、通过试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的电流和电压值，确定试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的损耗。
6.如权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述步骤D中，根据检测的上升沿和下降沿绘制正弦表5000 X sin (2 π X i/20+2 π /20/2) +5000，i = O, I, 2... 19 ①；其中i表示脉冲个数，在一个周期内有20个PWM脉冲。
7.如权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述步骤G中，试品子模块SMl和SM2中每个IGBT器件的包括通态损耗和开关损耗；通态损耗和开关损耗的计算由下式②和③得出 Pcon = Vce X Ic ; Psw = fswX (Eon+Eoff) ③； 其中Pcon表示IGBT器件的通态损耗；Vce表示IGBT器件的瞬时通态压降；Ic表示流经IGBT器件的瞬时通态电流；Psw表示IGBT器件的开关损耗；fsw表示IGBT器件的开关频率Eon和EofT分别表示IGBT器件开通和关断时刻的能量。
8.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述单模块IGBT器件测试试验对每个试品子模块单独进行试验，单模块IGBT器件测试试验包括单模块IGBT器件的过流过电压试验和短路电流试验；在试验前执行以下操作1、将负载电感并联在试品子模块的上管IGBT器件两端，并保持上下管IGBT器件处于闭锁状态； I1、直流电源为单个试品子模块的直流电容器充电； II1、断开与直流电源连接的开关； IV、由与单个试品子模块IGBT驱动连接的脉冲发生器产生单脉冲或者双脉冲触发单个试品子模块下管IGBT器件导通； V、测量单个试品子模块下管IGBT器件关断过电压、过电流和di/dt保护值。
9.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述IGBT器件的过流过电压试验包括下述步骤 (1)计算脉冲发生器输出双脉冲宽度并进行实际测试，所述双脉冲宽度t由下式表示
10.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述IGBT器件的短路电流试验包括下述步骤 (一)采用低自感导线短接单个试品子模块上管IGBT器件； (二)脉冲发生器产生单脉冲，单脉冲宽度由③式计算； (三)单脉冲触发导通单个试品子模块下管IGBT器件并使得该管发生瞬间短路，耐受瞬间kA级电流，使得单个试品子模块下管IGBT器件驱动瞬间启动di/dt保护。
全文摘要
本发明涉及一种柔性直流输电子模块试验装置及其试验方法，试验装置包括直流电源、与直流电源依次并联的电阻-开关串联支路I、试品子模块SM1、试品子模块SM2和电阻开关串联支路II；在直流电源和电阻-开关串联支路I之间连接有一开关，有一电阻与该开关并联；在试品子模块SM1和SM2的直流端连接有另一开关；在试品子模块SM1和SM2的正极端连接有负载电抗器，接地端连接有传感器，并且有微控制器MCU通过光纤分别与试品子模块SM1和SM2进行通信。试验方法通过调节试验装置的PWM脉冲，对试品子模块SM1和试品子模块SM2进行热稳定试验和单模块IGBT器件测试试验。本发明通过多变灵活的测试方式和测试回路真正达到对子模块的考核，提高工程应用的安全性和可靠性。
文档编号G01R31/00GK103063945SQ20121053398
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者冯静波, 客金坤, 邓卫华, 吕铮, 刘栋 申请人:国网智能电网研究院, 中电普瑞电力工程有限公司, 辽宁省电力有限公司大连供电公司, 国家电网公司