MMC子模块的功率循环加速试验装置及其控制方法与流程

本发明涉及输配电技术领域，尤其涉及mmc子模块的功率循环加速试验装置及其控制方法。

背景技术：

功率子模块是模块化多电平换流器系统最小的储能和功能单元，子模块的老化程度直接表征模块化多电平换流器系统的运行健康状态，确保子模块的可靠运行是保证大功率电力电子换流系统运行可靠性的基础。从目前投运的柔性直流输电工程运行情况来看，由于缺乏对针对子模块的故障预测和诊断机制，使得工程运行可靠性的保障工作处于被动不利的位置。

目前，有文献表明国外学者通过加速老化试验，监测igbt的阈值电压、通态饱和压降、结壳热阻等参数变化，进行试验数据统计分析，以此来评估igbt的剩余寿命，预测故障发生的时间。《半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极晶体管(igbt)》对igbt耐久性和可靠性试验及其试验方法进行了阐述和规定。但都是集中于对单个igbt器件的测试和研究，除了igbt以外mmc子模块内部还包含电容、二极管、取能电源和控制板卡等多种器件，不同器件的工作模式和空间排布均会对子模块内部的电流电压分布、散热特性以及各接触面间的压力分布产生影响，因此，仅仅针对单个igbt进行测试和研究无法得到与实际工况下子模块老化特性相一致的试验结果。

技术实现要素：

本发明实施例提供mmc子模块的功率循环加速试验装置及其控制方法，能有效解决现有技术仅仅针对单个igbt进行测试和研究导致无法得到与实际工况下子模块老化特性相一致的试验结果的问题。

本发明一实施例提供一种mmc子模块的功率循环加速试验装置，包括被试单元、陪试单元、电抗单元、第一检测单元、第二检测单元、信号发生单元和比较单元；

所述被试单元并联电连接在所述陪试单元的两端；所述电抗单元的第一端与所述被试单元的第一端连接，所述电抗单元的第二端与所述陪试单元的第一端连接；所述第一检测单元、所述第二检测单元均与所述被试单元电连接；所述信号发生单元的第一端与所述被试单元的第二端连接，所述信号发生单元的第二端与所述比较单元的第一端连接；所述比较单元的第二端与所述电抗单元的第三端连接，所述比较单元的第三端与所述陪试单元的第二端连接。

作为上述方案的改进，所述被试单元包括第一电容、第一igbt、第一二极管、第二igbt和第二二极管；

所述第一igbt与所述第一二极管反向并联，所述第二igbt与所述第二二极管反向并联；所述第一电容并联连接在串联连接的所述第一igbt与所述第二igbt的两端；

所述第一检测单元并联在所述第一igbt的两端，所述第二检测单元并联在所述第二igbt的两端；

所述第一igbt的发射极、所述第二igbt的集电极均与所述被试单元的第一端连接；

所述第一igbt的门极、所述第二igbt的门极均与所述被试单元的第二端连接。

作为上述方案的改进，所述陪试单元包括第二电容、第三igbt、第三二极管、第四igbt和第四二极管；

所述第三igbt与所述第三二极管反向并联，所述第四igbt与所述第四二极管反向并联；所述第二电容并联连接在串联连接的所述第三igbt与所述第四igbt的两端；

所述第三igbt的发射极、所述第四igbt的集电极均与所述陪试单元的第一端连接；

所述第三igbt的门极、所述第四igbt的门极均与所述陪试单元的第二端连接。

作为上述方案的改进，所述装置还包括补能电源；

所述补能电源并联连接在所述被试单元、所述陪试单元的两端。

作为上述方案的改进，所述补能电源具有用于与所述被试单元、所述陪试单元连接的电流输出端，以及用于与交流三相进线连接的电流输入端；

所述补能电源还包括整流模块和变压器；所述整流模块的一端与所述电流输出端连接，另一端与所述变压器的第一端连接；所述变压器的第二端与所述电流输入端连接。

作为上述方案的改进，所述第一检测单元、所述第二检测单元包括水冷散热系统；

所述第一检测单元、所述第二检测单元还包括壳温检测单元、器件管压降检测单元和动态参数检测单元中的一种或多种。

作为上述方案的改进，所述装置还包括电流互感器；

所述电抗单元通过所述电流互感器与所述比较单元连接。

本发明另一实施例对应提供了一种mmc子模块的功率循环加速控制方法，所述方法适用于上述任意一项所述的mmc子模块的功率循环加速试验装置，所述方法具体包括：

通过信号发生单元调节被试单元的电流负载；其中，所述电流负载为正弦半波电流；

通过比较单元根据采集到的所述信号发生单元的电流负载值与电抗单元的反馈电流值进行比较，并根据比较结果触发陪试单元，以使mmc子模块以预设的老化速率进行功率老化试验；

通过第一检测单元和第二检测单元得到试验结果，并根据所述试验结果得到在所述预设的老化速率下的子模块老化特性。

作为上述方案的改进，所述通过比较单元根据采集到的所述信号发生单元的电流负载值与电抗单元的反馈电流值进行比较，并根据比较结果触发陪试单元，以使mmc子模块以预设的老化速率进行功率老化试验，具体包括：

当所述被试单元的电流负载为正弦正半周电流时，第一igbt导通，第二igbt关断，计算所述正弦正半周电流对应的电流负载值与所述反馈电流值的差值，并对所述差值与预设的偏差阈值进行比较；其中，所述偏差阈值包括正偏差阈值和负偏差阈值；

当所述差值大于所述正偏差阈值时，所述比较单元输出第一触发信号，并将所述第一触发信号发送至陪试单元，使得所述陪试单元的第三igbt关断，第四igbt导通；

当所述差值小于所述负偏差阈值时，所述比较单元输出第二触发信号，并将所述第二触发信号发送至所述陪试单元，使得所述陪试单元的所述第三igbt导通，所述第四igbt关断。

作为上述方案的改进，所述方法还包括：

调节所述电流负载的幅值和周期，且调整所述电抗单元和所述比较单元中所述偏差阈值的大小，使得所述mmc子模块以不同预设的老化速率进行功率老化试验。

与现有技术相比，本发明实施例公开的mmc子模块的功率循环加速试验装置及其控制方法，通过所述mmc子模块的功率循环加速试验装置包括被试单元、陪试单元、电抗单元、第一检测单元、第二检测单元、信号发生单元和比较单元，所述被试单元并联电连接在所述陪试单元的两端，所述电抗单元的第一端与所述被试单元的第一端连接，所述电抗单元的第二端与所述陪试单元的第一端连接，所述第一检测单元、所述第二检测单元均与所述被试单元电连接，所述信号发生单元的第一端与所述被试单元的第二端连接，所述信号发生单元的第二端与所述比较单元的第一端连接，所述比较单元的第二端与所述电抗单元的第三端连接，所述比较单元的第三端与所述陪试单元的第二端连接，采用以上结构，能够通过信号发生单元调节被试单元的电流负载，进而通过比较单元根据采集到的所述信号发生单元的电流负载值与电抗单元的反馈电流值进行比较，并根据比较结果触发陪试单元，以使mmc子模块以预设的老化速率进行功率老化试验，进而通过第一检测单元和第二检测单元得到试验结果，并根据所述试验结果得到在所述预设的老化速率下的子模块老化特性，从而能有效解决现有技术仅仅针对单个igbt进行测试和研究导致无法得到与实际工况下子模块老化特性相一致的试验结果的问题，能提供用于以子模块为实验对象的功率循环加速试验装置及其控制方法，从而能够保证模块化多电平换流器系统运行的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种mmc子模块的功率循环加速试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种mmc子模块的功率循环加速控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1，是本发明实施例一提供的一种mmc子模块的功率循环加速试验装置的结构示意图，所述mmc子模块的功率循环加速试验装置，包括被试单元11、陪试单元12、电抗单元13、第一检测单元14、第二检测单元15、信号发生单元16和比较单元17；

所述被试单元11并联电连接在所述陪试单元12的两端；所述电抗单元13的第一端与所述被试单元11的第一端连接，所述电抗单元13的第二端与所述陪试单元12的第一端连接；所述第一检测单元14、所述第二检测单元15均与所述被试单元11电连接；所述信号发生单元16的第一端与所述被试单元11的第二端连接，所述信号发生单元16的第二端与所述比较单元17的第一端连接；所述比较单元17的第二端与所述电抗单元13的第三端连接，所述比较单元17的第三端与所述陪试单元12的第二端连接。

需要说明的是，信号发生单元16可以是具有提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，如信号发生器。为实现信号发生单元16调节被试单元的正弦半波电流负载的功能，本实施例中，信号发生单元16可以是正弦信号发生器。比较单元17可以是具有基于预设的阈值对两个数据项进行比较，进而输出高电平或低电平的设备，如比较器。为实现比较单元17根据采集到的所述信号发生单元16的电流负载值与电抗单元13的反馈电流值进行比较，并根据比较结果触发陪试单元12的功能，本实施例中，比较单元17可以是滞环比较器。示例性的，滞环比较器预设两个阈值，输出状态为高电平和低电平，进而比较输入值与预设阈值，从而预先根据比较结果设定输出对应的电平状态。电抗单元13可以是负载电抗器。

优选的，所述第一检测单元14、所述第二检测单元15包括水冷散热系统；

所述第一检测单元14、所述第二检测单元15还包括壳温检测单元、器件管压降检测单元和动态参数检测单元中的一种或多种。

其中，水冷散热系统用于为被试单元11散热。壳温检测单元用于检测壳温变化是否满足要求；器件管压降检测单元用于管压降敏感参数；动态参数检测单元用于通过示波器检测动态参数。

在一种可选的实施例中，请参见图1，所述被试单元11包括第一电容c1、第一igbtt1、第一二极管d1、第二igbtt2和第二二极管d2；

所述第一igbtt1与所述第一二极管d1反向并联，所述第二igbtt2与所述第二二极管d2反向并联；所述第一电容c1并联连接在串联连接的所述第一igbtt1与所述第二igbtt2的两端；

所述第一检测单元14并联在所述第一igbtt1的两端，所述第二检测单元15并联在所述第二igbtt2的两端；

所述第一igbtt1的发射极、所述第二igbtt2的集电极均与所述被试单元11的第一端连接；

所述第一igbtt1的门极、所述第二igbtt2的门极均与所述被试单元11的第二端连接。

在一种可选的实施例中，请参见图1，所述陪试单元12包括第二电容c2、第三igbtt3、第三二极管d3、第四igbtt4和第四二极管d4；

所述第三igbtt3与所述第三二极管d3反向并联，所述第四igbtt4与所述第四二极管d4反向并联；所述第二电容c2并联连接在串联连接的所述第三igbtt3与所述第四igbtt4的两端；

所述第三igbtt3的发射极、所述第四igbtt4的集电极均与所述陪试单元12的第一端连接；

所述第三igbtt3的门极、所述第四igbtt4的门极均与所述陪试单元12的第二端连接。

在一种可选的实施例中，请参见图1，所述装置还包括补能电源18；

所述补能电源18并联连接在所述被试单元11、所述陪试单元12的两端。

优选的，所述补能电源18具有用于与所述被试单元11、所述陪试单元12连接的电流输出端，以及用于与交流三相进线连接的电流输入端；

所述补能电源18还包括整流模块181和变压器182；所述整流模块181的一端与所述电流输出端连接，另一端与所述变压器182的第一端连接；所述变压器182的第二端与所述电流输入端连接。

在一种可选的实施例中，所述装置还包括电流互感器；

所述电抗单元13通过所述电流互感器与所述比较单元17连接。

本实施例中，反馈电流为电抗单元13上的负载电流，可由电流互感器测量得到。

本发明实施例提供的mmc子模块的功率循环加速试验装置，通过所述mmc子模块的功率循环加速试验装置包括被试单元、陪试单元、电抗单元、第一检测单元、第二检测单元、信号发生单元和比较单元，所述被试单元并联电连接在所述陪试单元的两端，所述电抗单元的第一端与所述被试单元的第一端连接，所述电抗单元的第二端与所述陪试单元的第一端连接，所述第一检测单元、所述第二检测单元均与所述被试单元电连接，所述信号发生单元的第一端与所述被试单元的第二端连接，所述信号发生单元的第二端与所述比较单元的第一端连接，所述比较单元的第二端与所述电抗单元的第三端连接，所述比较单元的第三端与所述陪试单元的第二端连接，能有效解决现有技术仅仅针对单个igbt进行测试和研究导致无法得到与实际工况下子模块老化特性相一致的试验结果的问题，能提供用于以子模块为实验对象的功率循环加速试验装置及其控制方法，从而能够保证模块化多电平换流器系统运行的可靠性。

实施例二

参见图2，是本发明实施例二提供的一种mmc子模块的功率循环加速控制方法的流程示意图，所述方法包括以下步骤s201至步骤s203。

s201、通过信号发生单元调节被试单元的电流负载；其中，所述电流负载为正弦半波电流。

需要说明的是，信号发生单元16根据模块化多电平换流器的实际运行工况，对子模块中的igbt器件施加幅值、周期均可调的间歇性的正弦半波电流负载。

s202、通过比较单元根据采集到的所述信号发生单元的电流负载值与电抗单元的反馈电流值进行比较，并根据比较结果触发陪试单元，以使mmc子模块以预设的老化速率进行功率老化试验。

需要说明的是，被试单元中的igbt器件的开通取决于信号发生单元6的电流负载。其中，在该电流负载为正弦正半周电流时，被试单元中第一igbtt1一直导通，第二igbtt2一直关断；在该电流负载为正弦负半周电流时，被试单元11中第一igbtt1一直关断，第二igbtt2一直导通。另外，陪试单元12中的igbt器件的开通取决于比较单元比较结果。

在一种可选的实施例中，当所述被试单元11的电流负载为正弦正半周电流时，第一igbtt1导通，第二igbtt2关断，计算所述正弦正半周电流对应的电流负载值与所述反馈电流值的差值，并对所述差值与预设的偏差阈值进行比较；其中，所述偏差阈值包括正偏差阈值和负偏差阈值。

可选的，当所述差值大于所述正偏差阈值时，所述比较单元17输出第一触发信号，并将所述第一触发信号发送至陪试单元12，使得所述陪试单元12的第三igbtt3关断，第四igbtt4导通。

需要说明的是，当信号发生单元16给定的电流负载值和反馈电流值相比，其差值大于正偏差阈值时，则认为反馈电流过小，此时比较单元17输出高电平，第四igbtt4导通，第三igbtt3关断，第一igbtt1和第四igbtt4电流共同导通，反馈电流开始增大。

可选的，当所述差值小于所述负偏差阈值时，所述比较单元17输出第二触发信号，并将所述第二触发信号发送至所述陪试单元12，使得所述陪试单元12的所述第三igbtt3导通，所述第四igbtt4关断。

需要说明的是，当电流增大导致当电流负载值和反馈电流值的差值小于负偏差阈值时，则认为反馈电流过大，比较单元17输出低电平，第四igbtt4关断，第三igbtt3开通，第一igbtt1和第三igbtt3的反并联第三二极管d3续流，反馈电流开始衰减减小，如此往复，实现反馈电流跟踪电流负载。

在另一种可选的实施例中，当所述被试单元11的电流负载为正弦负半周电流时，第一igbtt1关断，第二igbtt2导通，计算所述正弦负半周电流对应的电流负载值与所述反馈电流值的差值，并对其差值与预设的偏差阈值进行比较。

可选的，当所述差值大于正偏差阈值时，则认为反馈电流过大，此时比较单元17输出低电平，陪试单元12的第三igbtt3导通，第四igbtt4关断，因此第二igbtt2和第三igbtt3电流共同导通，反馈电流开始衰减减小。

可选的，当所述差值小于负偏差阈值时，则认为反馈电流过小，此时比较单元17输出高电平，陪试单元12的第三igbtt3关断，第四igbtt4开通，因此第二igbtt2和第四igbtt4的反并联第四二极管d4续流，反馈电流开始增大。

优选的，调节所述电流负载的幅值和周期，且调整所述电抗单元13和所述比较单元17中所述偏差阈值的大小，使得所述mmc子模块以不同预设的老化速率进行功率老化试验。

s203、通过第一检测单元和第二检测单元得到试验结果，并根据所述试验结果得到在所述预设的老化速率下的子模块老化特性。

需要说明的是，通过壳温检测单元、器件管压降检测单元以及动态参数检测单元的检测结果，得到该特定老化速率下的子模块老化特性。

本发明实施例提供的mmc子模块的功率循环加速控制方法，通过信号发生单元调节被试单元的电流负载，进而通过比较单元根据采集到的所述信号发生单元的电流负载值与电抗单元的反馈电流值进行比较，并根据比较结果触发陪试单元，以使mmc子模块以预设的老化速率进行功率老化试验，进而通过第一检测单元和第二检测单元得到试验结果，并根据所述试验结果得到在所述预设的老化速率下的子模块老化特性，从而能有效解决现有技术仅仅针对单个igbt进行测试和研究导致无法得到与实际工况下子模块老化特性相一致的试验结果的问题，能提供用于以子模块为实验对象的功率循环加速试验装置及其控制方法，从而能够保证模块化多电平换流器系统运行的可靠性。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。